ОГЛАВЛЕНИЕ.
Стр.
ВВЕДЕНИЕ. 5
ГЛАВА 1. РЕНТГЕНОВСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
УСТАНОВКИ «МИШЕНЬ». 18
1.1. Введение. 18
1.2. Лазерная система и вакуумная камера взаимодействия установки «Мишень». 19
1.3. Рентгеновский диагностический комплекс установки «Мишень». 22
1.3.1. Методы и средства регистрации рентгеновского излучения плазмы с пространственным разрешением. 23
1.3.2. Аппаратура для спектрального анализа рентгеновского излучения плазмы. 25
1.3.3. Измерения рентгеновского излучения плазмы с временным разрешением. 30
1.3.4. Приборы для абсолютных измерений энергии рентгеновской эмиссии плазмы. 33
1.4. Абсолютная калибровка фотоматериалов в рентгеновском диапазоне длин волн. 34
1.5. Основные источники погрешности при определении электронной температуры плазмы методом фильтров. 37
1.6. Импульсная рентгеноскопия исследуемого объекта. 42
1.7. Комплекс оптических диагностик на установке «Мишень». 45 Выводы главы. 47
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ,
ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МОЩНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ПУЧКОМ ПЛОСКИХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ МИШЕНЕЙ. 49
2.1. Введение. 49
2.2. Спектральный состав рентгеновского излучения плазмы, образующейся при лазерном облучении мишеней из различных материалов. 52
2.3. Измерения рентгеновского излучения плазмы с пространственным и временным разрешением. 57
2
2.4. Конверсионная эффективность лазерной плазмы в зависимости от атомного номера материала мишени. 65
2.5. Доля рентгеновского излучения плазмы в энергобалансе процесса взаимодействия лазерный пучок-мишень. 67
2.6. Прогрев ускоряемой части мишени рентгеновским излучением плазменной короны. 68
Выводы главы. 74
ГЛАВА 3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ И ИЗУЧЕНИЕ ПРОТЕКАЮЩИХ В НЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ЛТС МЕТОДАМИ РЕНТГЕНОВСКОЙ ДИАГНОСТИКИ. 76
3.1. Введение. 76
3.2. Определение среднего значения электронной температу ры плазменной короны. 82
3.3. Пространственное распределение электронной температуры и плотности в плазменной короне. 86
3.3.1. Восстановление профилей электронной температуры и плотности в плазменной короне путем регистрации линейчатого излучения многозарядных ионов. 87
3.3.2. Восстановление профилей электронной температуры и плотности в плазменной короне путем регистрации непрерывного рентгеновского излучения плазмы. 95
3.4. Исследование инверсной населенности возбужденных уровней ионов алюминия. 100
3.5. Измерение массовой скорости абляции при облучении мишеней из различных материалов. 104
3.6. Определение параметров надтспловой электронной компоненты плазмы. 111
3.7. Реализация метода импульсной рентгеноскопии в экспериментах но абляционному ускорению тонких фолы, моделирующих оболочки термоядерных мишеней. 1 16
Выводы главы. 121
ГЛАВА 4. КОНВЕРСИОННАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ С МНОГОЗАРЯДНЫМИ ИОНАМИ И ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕИЗЛУЧАЮЩЕЙ ЗОНЫ. 123
4.1. Введение. 123
4.2. Условия проведения экспериментов. 127
г
4.3. Теоретическая модель и программа численных расчетов. 129
4.4. Измерение конверсионной эффективности плазмы, образующейся при лазерном облучении медных мишеней. 133
4.5. Исследование процесса формирования в лазерной плазме переизлучающей зоны путем анализа с высоким временным
разрешением спектров мягкого рентгеновского излучения плазмы с многозарядными ионами. 142
Выводы главы. 152
ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАЗМЫ, ОБРАЗУЮЩЕЙСЯ ПРИ
ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО И
РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С МИШЕНЯМИ
ПОНИЖЕННОЙ ПЛОТНОС ТИ. 154
5.1. Введение. 154
5.2. Постановка экспериментальных исследований. 158
5.3. Результаты исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с пористым веществом низкой плотности. 163
5.4. Экспериментальное исследование процессов, протекающих при взаимодействии мощного рентгеновского излучения с пористыми средами. 179
Выводы главы. 193
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 195
ЛИТЕРАТУРА. 200
4
ВВЕДЕНИЕ
В области инерциального термоядерного синтеза (ИТС) и, в частности, лазерного термоядерного сшгтеза (JITC) [1,2] в последние три десятилетня происходит интенсивное развитие научно-исследовательских работ. Это нашло свое выражение в строительстве мощных многолучевых лазерных установок, способных доставить на мишень от единиц до десятков килоджоулей лазерной энергии [3-8], в создании проектов демонстрационных термоядерных установок мсгаджоульного диапазона [9, 10], в расширении набора используемых активных сред для генерации мощного лазерного излучения, что позволило существенно разнообразить набор длин волн излучения в экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом [6, 11, 12].
Температура плазмы, образующейся при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, достигает сотен эВ и максимум ее излучения лежит в рентгеновском диапазоне длин волн. Поэтому по мере развития работ по /ITC изучению рентгеновского излучения лазерной плазмы и выяснению его роли в процессах, протекающих в веществе при экстремальных энергетических нагрузках, постоянно уделялось большое внимание. Расширялись и сферы применения мощного рентгеновского излучения лазерной плазмы в различного рода научных и технологических исследованиях.
Если на начальном этапе экспериментов по исследованию взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом рентгеновское излучение плазмы использовалось в основном в диагностических целях и как источник важной для атомной физики информации об электронной структуре многозарядных иоиов различных элементов, то в настоящее время диапазон исследований, связанных в той или иной степени с анализом и применением рентгеновского излучения, генерируемого мощными импульсными лазерно-плазменными и нучково-плазменными источниками, радикально расширился. Это и использование рентгеновского излучения в схеме JTTC с так называемым непрямым облучением, и проведение экспериментов по моделированию сложных радиационных процессов, протекающих в астрофизических объектах, и создание источников когерентного рентгеновского излучения. Расширяется применение мощных лазерно-плазменных рентгеновских источников в практических целях для исследования биологических структур [13], производства микроэлектронных компонент [14], создания радиометрических стандартов [15].
В экспериментах ЛТС с прямым облучением термоядерной мишени [2], т.е. когда энергия доставляется на мишень непосредственно лазерными
5
пучками, внимание ученых было сосредоточено на следующих основных проблемах, связанных с рентгеновским излучением плазмы:
прогрев ускоряемой оболочки-поршня мишени и сжимаемого термоядерного топлива в результате радиационного энергопереноса из высокотемпературной плазменной короны, в которой происходит поглощение лазерного излучения;
- роль рентгеновского излучения в энергобалансе процесса взаимодействия лазер-мишень и его влиянии на гидродинамический К1Щ ускорения оболочки-поршня мишени;
- определение температуры и плотности плазмы, их пространственных распределений и эволюции во времени путем регистрации рентгеновской эмиссии плазмы с высоким пространственным и временным разрешением.
Для решения этих проблем необходимы детатьные данные о спектральном составе рентгеновского излучения, его пространственно-временной структуре, энергии, уносимой из плазмы рентгеновскими квантами. Следует отмстить, что основная часть экспериментальной информации о процессах, протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, добывалась в основном с помощью рентгеновских методов. Помимо определения параметров плазмы с пространственным и временным разрешением рентгеновская диагностика позволила исследовать механизмы поглощения лазерного излучения в плазме в широком диапазоне изменения его интенсивности, генерацию надтепловых электронов в процессе поглощения лазерного излучения, однородность облучения сферической мишени и равномерность движения ускоряемой части мишени, развитие в процессе ускорения гидродинамических неустойчивостей. Средствами рентгеновской диагностики изучалась абляция оболочки мишени и определялись параметры термоядерного топлива на конечной стадии процесса сжатия сферической мишени.
В настоящее время для проведения демонстрационного эксперимента по ЛТС более перспективной считается концепция так называемого непрямого (рентгеновского) облучения термоядерной мишени [9, 16). В этой схеме лазерные пучки вводятся в полость цилиндрической (или сферической) оболочки из тяжелого материала и облучают ее внутреннюю поверхность. Рентгеновское излучение образующейся у облучаемой поверхности плазмы, многократно персизпучаясь на стенках, заполняет практически замкнутую полость (площадь отверстий для ввода лазерных пучков сравнительно мала). Таким образом в полости тяжелой оболочки формируется квазиравновесное излучение с температурой 100-200 эВ,
6
которое и облучает капсулу с термоядерным горючим, расположенную в центре полости. При этом можно ожидать высокой степени равномерности облучения капсулы рентгеновским излучением. Достоинством такой схемы является, в частности, меньшая чувствительность оболочки капсулы к развитию гидродинамических неустойчивостей [17]. В оптимально сконструированной мишени 70-80% лазерной энергии может быть конвертировано в энергию рентгеновского излучения [6]. Необходимо отметить, что свою лепту в разработку и реализацию концепции непрямого облучения термоядерной мишени внесли и проводившиеся в плоской геометрии многочисленные эксперименты по изучению генерации рентгеновского излучения при облучении мишеней из различных матернаюв со средним и большим значением атомного номера (ввиду большого количества работ по этой тематике сошлемся только на некоторые из них: [18-23]). Тем не менее явления, происходящие при воздействии на вещество импульсов мощного рентгеновского излучения и радиационные процессы, протекающие в плазме с многозарядными ионами, в частности, радиационный энергоперенос, в настоящее время еще недостаточно изучены, поэтому проблема их исследования чрезвычайно актуальна и представляет фундаментальный интерес [24]. В рамках программы реализации непрямого облучения термоядерной мишени решение проблем радиационного энергопереноса важно для оптимизации конструкции мишени, выбора материала конвертора, создания условий для эффективного формирования равновесного рентгеновского излучения, оптимизации подвода энергии к термоядерной мишени.
Исследование рентгеновского излучения лазерной плазмы и радиационных процессов в ней представляет также большой интерес для астрофизики, т.к. значения температу р и плотностей плазмы, образующейся при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, позволяют моделировать в лабораторных условиях плазму, в которой реализуются условия, характерные для многих астрофизических объектов. Более того, лабораторные экспериме»гты способны улучшить понимание сложных астрофизических явлений путем выделения какого-либо одного изолированного физического процесса без точного воспроизведения всех условий сложной комплексной системы. Изучение радиационных и термодинамических свойств лазерной плазмы и протекающих в ней гидродинамических процессов при соответствующем масштабировании физических условий может позволить прямым или косвенным образом усовершенствовать существующие модели сложных астрофизических объектов. Например, в лабораторных условиях можно проводить эксперименты, в которых линейчатое излучение многозарядных ионов плазмы генерировалось бы не в результате элсктрон-ионных столкновений,
7
как это происходит в плазменной короне обычных звезд, а под воздействием мощного потока непрерывного рентгеновского излучения, т.е. моделировать ситуацию, характерную для квазаров [25]. В работе [26], в свою очередь, предлагается поставить эксперименты, направленные на решение одной из интереснейших задач современной астрофизики: исследование рентгеновского излучения аккреционно растущих источников, в которых потенциальная гравитационная энергия добавляемого вещества переходит в кинетическую и мзлучательную энергию. Для этого предлагается создать однородный плазменный объем фотоионизованного газа, параметры которого могли бы быть экспериментально определены и сравнены с предсказаниями моделей, используемых для описания аккреционной дисковой плазмы, испускающей мощный поток рентгеновских лучей.
Уже вскоре после появления в 1960 году первого рубинового лазера возник интерес к созданию лазеров коротковолнового, рентгеновского диапазона [27]. Последующее бурное развитие мощных лазерных систем для исследований по программе инерцнального термоядерного синтеза стимулировало появление работ, в которых были сформулированы первые предложения по реализации рентгеновских лазеров [28, 29]. В дальнейшем было проведено множество исследований, направленных на создание рентгеновских лазеров с использованием разнообразных концепций и подходов к решению этой проблемы (см., например, обзор [30]). К настоящему моменту достигнуты значительные успехи в этом направлении, в основном при использовании лазерной плазмы в качестве активной среды для генерации когерентного коротковолнового излучения и применения его в различных научно-исследовательских целях [31-33]. Тем не менее ряд важных научных проблем еще ждет своего решения, и в настоящее время работы в этой области активно продолжаются. Например, чрезвычайно актуальной является задача создания достаточно протяженных плазменных объемов - с характерным размером в несколько мм и больше - с однородным распределением температуры и плотности для реализации генерации когерентного рентгеновского излучения.
Необходимо также отметить исключительную информативность рентгеновского излучения плотной высокотемпературной плазмы и широкие возможности его использования в диагностических целях. Тем более, что из-за высокой плотности, малых размеров и короткого времени жизни плазмы в экспериментах по ЛТС, многие другие традиционные методы в этом случае оказываются малоэффективными. Например, оптическая интерферометрия из-за сильной рефракции зондирующего такую плазму излучения позволяет исследовать лишь области плазмы с
8
плотностью менее ~5хЮ19 см'3, расположенные на значительном расстоянии от облучаемой мишени [34]. При использовании масс-спсктроскопин большие времена пролета ионов до регистрирующей аппаратуры фактически исключают возможность получения информации о динамике протекающих в плазме процессов. Поэтому, например, при лазерном облучении сферических мишеней, начиная с момента начала облучения и вплоть до стадии конечного сжатия термоядерного топлива, рентгеновское излучение плазмы является чуть ли не единственным источником достоверной информации о явлениях, протекающих в мишени
Регистрация непрерывного и линейчатого излучения плазмы прежде всего позволяет получить данные о распределении температуры и плотности в плазменной короне, образующейся вблизи поверхности облучаемой мншени, а также об ионизационном состоянии плазмы. Анализ спектрального распределения рентгеновского континуума позволяет определить функцию распределения электронов по энергии и на основании этих данных судить о преобладающей роли того или иного механизма поглощения лазерного излучения в конкретных экспериментальных условиях (см., например, [35, 36]). Использование специальных
многослойных мишеней дает возможность средствами ренттзшовской диагностики изучить очень важный вопрос об эффективности передачи поглощенной лазерной энергии в зону абляции и далее в глубь мишени. Для исследования устойчивости движения ускоряемой части оболочки мишени и возможного перемешивания вещества на внутренней границе оболочки и топлива особенно эффективным является применение активной рентгеновской дагностики, т.е. просвечивание исследуемого объекта импульсным излучением независимого рентгеновского источника, создаваемого дополнительным лазерным пучком, синхронизованным с основным [37]. На финальной стадии сжатия мишени одним из немногих доступных методов изучения состояния сверхплотной плазмы является регистрация с пространственным разрешением линейчатого излучения ионов специально добавляемых в топливо примесей: неон, аргон, ксенон. Последующая обработка профилей спектральных линий, излучаемых ионами этих газов, позволяет в случае, когда самопоглощение не имеет мссга, определить величину плотности плазмы, а при наличии самоиоглощсния - даст возможность оценить исключительно важную для ЛТС величину рЯ (где Я-радиус области, занятой сжатым топливом, р-плотность) [38|. Анализ же линейчатого излучения элементов, входящих с состав материала оболочки, позволяет судить о степени перемешивания материала оболочки и топлива [39]. Применение активной и пассивной рентгеновских диагностик, обеспечивающих проведение измерении с временным и пространственным разрешением, позволяет получить ценную
9
информацию о динамике оболочки и эволюции параметров сжимаемого топлива 140, 41].
Следует обратить внимание еще на два очень важных момента, связанных с исследованием рентгеновского излучения лазерной плазмы. Необходимость детального анализа рентгеновской эмиссии плазмы в экспериментах ЛТС, о чем говорилось выше, экстремальные параметры лазерной плазмы как источника рентгеновского излученика (короткое время жизни, малые размеры, высокая плотность, резкие градиенты) - все это стимулировало создание совершенно новых уникальных измерительных приборов, таких как рентгеновские электронно-оптические камеры, позволяющие получать как временные разветки светимости плазмы, так и работать в кадровом режиме, рентгеновские микроскопы различных схем, зонные пластинки Френеля, пропускающие рентгеновские дифракционные решетки, спектрографы на основе изогнутых кристаллов, многослойные рентгеновские зеркала и т.п. Более детальную информацию по этому вопросу можно найти в книгах и обзорах [42-44].
Высокая интенсивность лазерно-плазменного рентгеновского источника, его миниатюрность, возможность целенаправленно менять спектральный состав излучения и длительность импульса сделали такой источник весьма привлекательным для многих научно-технических приложений. В настоящее время значительный прогресс в использовании рентгеновского излучения лазерной плазмы достигнут, например, в таких областях, как исследование структуры живых биологических объектов методом контактной микроскопии и рентгеновская литография для целей микроэлектроники [45). Достигнутые успехи стимулируют дальнейшее продолжение работ по изучению и оптимизации рентгеновских источников на основе лазерной плазмы для их эффективного применения в более широком круге научно-технических исследований.
Итак, суммируя все вышесказанное, подчеркнем несомненную актуальность научных целей, поставленной в настоящей работе, так как в настоящее время диапазон научных исследований, связанных в той или иной степени с анализом и применением рентгеновского излучения, генерируемого мощными импульсными лазерно-плазменными и пучковоплазменными источниками, чрезвычайно широк. Изучение процессов генерации коротковолнового излучения в лазерной плазме и определение его характеристик, анализ зависимости этих характеристик от параметров лазерного импульса и облучаемой мишени, определение параметров плазмы рентгеновскими диагностическими методами, исследование роли рентгеновского излучения лазерной плазмы в процессах энергопереноса и его взаимодействия с веществом при высоких плотностях энергии могут
10
дать как новую информацию для решения фундаментальных проблем радиационной гидродинамики, так и способствовать решению ряда практических задач.
Необходимо отметить, что при проведении опытов по облучению мощными лазерными импульсами тонких мишеней в плоской геометрии (а именно в такой геометрии были получены экспериментальные результаты настоящей работы) открываются широкие возможности для моделирования ряда важнейших для ЛТС процессов. При этом существенно облегчается диагностика, расширяется набор используемых диагностических методик, упрощается интерпретация полученных экспериментальных данных, во многих случаях оказывается возможным выделение исследуемого явления из совокупностей сложных взаимосвязанных процессов с целью его детального изучения. Наконец, изменение условий эксперимента достигается меньшими усилиями. Следует, однако, помнить, что в каждом конкретном случае необходимо оценивать допустимость экстраполяции полученных в плоской геометрии результатов и сделанных на их основании выводов на случай наиболее интересной для ЛТС сферической геометрии.
При постановке задачи исследования были определены следующие основные цели:
1. Детально исследовать спектральные и временные характеристики рентгеновского излучения плазмы, образующейся при взаимодействии мощного лазерного излучения с плотностью мощности лазерного излучения на поверхности облучаемой мишени на уровне 10й-10м Вт/см2 (длина волны-1.054 мкм, длительность импульса-2.5 не) с мишенями из различных материалов. Изучить пространственное распределение источников рентгеновской эмиссии и зависимость эффективности генерации рентгеновского излучения плазмы от атомного номера материала мишени.
2. Взаимодополняющими методами рентгеновской диагностики плазмы определить пространственные распределения электронной температуры и плотности в плазменной короне, образующейся у поверхности плоской твердотельной мишени, облучаемой мощным лазерным пучком.
3. Оценить вклад рентгеновского излучения плазменной короны и генерируемых надтепловых электронов в прогрев ускоряемой части мишени в экспериментах, моделирующих абляционное ускорение оболочек сферических мишеней.
II
4. Используя специально изготовленные многослойные мишени, определить скорость абляции вещества мишеней из различных материалов при их облучении мощным лазерным пучком с плотностью светового потока в пределах фокального пятна на уровне 1013-10м Вт/см2.
5. В экспериментах по облучению медных слоев различной толщины и диаметра определить зависимость конверсионной эффективности и спектрального состава рентгеновского излучения плазмы от параметров облучаемой мишени.
6. Путем сравнения экспериментальных и расчетных данных изучить процесс формирования переизлучающей зоны вблизи поверхности мишени из материала с 15<2<30.
7. Получить надежные экспериментальные данные о пространственных размерах и температуре плазмы, образующейся в результате взаимодействия мощного лазерного излучения с пористыми мишенями низкой плотности (0.5-10 мг/см3), изготовленных из агар-агара, при различных начальных плотностях облучаемых образцов.
8. Определить конверсионную эффективность плазмы при
взаимодействии лазерного излучения с пористыми мишенями
пониженной плотности.
9. Исследовать процесс взаимодействия мощного рентгеновского излучения, генерируемого при лазерном облучении целенаправленно подобранных мишеней-конверторов, с мишенями пониженной плотности.
10. Исследовать процесс взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми мишенями, содержащими примеси тяжелых элементов (25-50% по весу).
Дли решения поставленных в диссертации задач требовалось:
1. Разработать и создать на установке «Мишень» комплекс
диагностической аппаратуры для регистрации рентгеновского излучения плазмы, образующейся при взаимодействии мощного лазерного
излучения (1=1013-1014 Вт/см2, т =2.5 не, Я= 1.054 мкм, Е.,= 100 Дж) с твердотельными плоскими мишенями. Аппаратура для анализа
12
рентгеновской эмиссии плазмы должна была обеспечивать спектральное, временное и пространственное разрешение на уровне, характерном для современных экспериментов по ЛТС, а именно ДХА=10'2-10'3, ДнЗО-50 пс, Дх=20-50 мкм.
2. Реализовать схему активной рентгеновской диагностики исследуемых объектов с использованием дополнительного лазерно-плазменного источника, создаваемого с помощью вспомогательного лазерного пучка установки «Мишень», жестко синхронизованного с основным лазерным пучком.
3. Разработать и реализовать алгоритмы получения информации о параметрах плазмы и их пространственном распределении.
4. Реализовать методику измерения скорости абляции вещества с поверхности мишени, облучаемой мощным лазерным пучком.
5. Изготовить и внедрить в практику эксперимента специальные тонкослойные медные мишени с варьируемой толщиной и диаметром.
6. Разработать и реализовать изготовление мишеней на основе малоплотного а1 ар-агара с примесями различных элементов и с тонкопленочными рентгеновскими конвертерами.
Научная и практическая ценность результатов, полученных в
диссертации, состоит в том, что они позволяют:
• использовать экспериментальные данные о процессах генерации рентгеновского излучения плазмы при облучении мощными лазерными пучками мишеней твердотельной и пониженной плотности, переноса энергии этим излучением для решения фундаментальных задач радиационной гидродинамики;
• совершенствовать радиационные и гидродинамические вычислительные программы, описывающие процесс взаимодействия мощных лазерных и рентгеновских импульсов с мишенями из материалов твердотельной и пониженной плотности, путем сопоставления результатов реальных и вычислительных экспериментов;
получить новые данные об атомных константах вещества в неравновесной высокотемпературной плотной плазме;
• целенаправленно подбирать характеристики лазерных импульсов и параметры мишеней для создания источников импульсного
13
рентгеновского излучения, необходимых для рентгеноскопии мишеней в экспериментах по ЛТС, контактной рентгеновской микроскопии биологических объектов, рентгеновской микролитографии и других научно-технических целей;
• оценить перспективность для реализации ЛТС использования пористых материалов с низкой плотностью в качестве компонент термоядерных мишеней при их лазерном или рентгеновском облучении, а также для создания активной среды рентгеновских лазеров;
• использовать данные о калибровке отечественной фотопленки в рентгеновском диапазоне длин волн и результаты расчетов пропускания рентгеновского излучения фильтрами из различных материалов при диагностике высокотемпературной плазмы.
Результаты диссертационной работы могут быть использованы в научно-исследовательских центрах, ведущих эксперименты по программе инерционного термоядерного синтеза и физике высоких плотностей энергии (ВНИИЭФ, ИВТ РАН, ФИ РАН, ИОФ РАН), а также в других лабораториях, разрабатывающих импульсные источники рентгеновского излучения для решения как научных, так и прикладных задач.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Создание диагностического комплекса пассивной и активной рентгеновской диагностики высокотемпературной плазмы для проведения экспериментов но программе ЛТС. Осуществление абсолютной калибровки спектральной чувствительности рентгеновской фотопленки УФШ-С в диапазоне длин волн 0.5-5 нм и анализ сорбционного метода определения электронной температуры плазмы, состоящей из многозарядных ионов.
2. Результаты детального исследования спектральных, временных и пространственных характеристик непрерывного и линейчатого рентгеновского излучения плазменной короны, образующейся при нагреве мишеней из различных материалов лазерным излучением с плотностью мощности в пределах фокального пятна Ю'МО14 Вт/см2. Экспериментально полученная зависимость коэффициента конверсии лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения плазменной короны от атомного номера материала мишени и установление немонотонного характера этой зависимости, характеризующейся максимумами интенсивности рентгеновского излучения для тех
14
элементов, ато.мы которых при Те*0.5 кэВ ионизованы в основном до •заполненных К.-, Ь- или М-элсктрониых оболочек.
3. Результаты экспериментального определения взаимодополняющими методиками, основанными на регистрации непрерывного и линейчатого рентгеновского излучения плазмы, пространственных распределений электронной температуры и плотности в протяженной плазменной короне. Полученное впервые экспериментальное доказательство того, что при свободном разлете в вакуум плазмы, состоящей из высокозарядных ионов алюминия, начиная с некоторого расстояния от поверхности мишени (~500 мкм), происходит «закалка» ионизационного состояния плазмы, и оно становится неравновесным.
4. Экспериментально полученные данные о массовой скорости абляции мишеней из различных веществ при плотности мощности светового потока «5х 101' Вт/см2. Результаты экспериментального определения параметров надтепловой электронной компоненты плазмы, образующейся при лазерном облучении алюминиевых мишеней, моделирующих оболочки сферических термоядерных мишеней. Сделанное на основании сравнения экспериментальных и расчетных данных заключение о том, что прогревом абляционно ускоряемой части фольги горячими электронами можно пренебречь (длина волны греющего излучения - 1.054 мкм, плотность светового потока - 1013-Ю14 Вт/см2).
5. Экспериментальные результаты определения впервые примененным для этой цели рентгеиоспектратьны.м методом температуры абляционно ускоряемой топкой алюминиевой фольги, моделирующей оболочку термоядерной мишени. Вывод о том, что прогрев иеиспареиной ускоряемой части мишени до температуры 10-12 эВ обусловлен в большой степени поглощением в ней рентгеновского излучения плазменной короны.
6. Полученное впервые экспериментальное доказательство факта образования в плазменной короне при лазерном облучении мишеней из материалов со сравнительно большими значениями атомного номера (г=29) переизлу чающей зоны, расположенной между областью эффективного поглощения лазерного излучения и абляционной поверхностью (1=10|?-10н Вт/см2). Определение времени, необходимого для формирования переизлучающей зоны. Впервые изученная эспериментальным путем зависимость величины конверсионной
15
эффективности плазмы от поперечных размеров, толщины облучаемого медного слоя и от интенсивности лазерного излучения.
7. Впервые экспериментально обнаруженное формирование протяженной области высокотемпературной плазмы внутри низкоплотных (1-10 мг/см3) пористых мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами (1=10'М0Ы Вт/см2). Полученная опытным путем зависимость продольного (вдоль направления лазерного пучка) размера этой области от начальной средней плотности пористой среды. Определение температуры плазмы в объемно-поглощающем плазменном слое (0.8-1 кэВ).
Экспериментальное доказательство увеличения в 2-3 раза конверсионной эффективности плазмы, создаваемой внутри пористой среды со средней начальной плотностью 1 мг/см2, по сравнению со случаем, когда мощным лазерным импульсом облучается органическая пленка твердотельной плотности.
8. Впервые продемонстрированная в натурных экспериментах возможность создания перспективного лазерно-плазменного рентгеновского источника с пространственно распределенными центрами эмиссии путем внесения примесей с большим атомным номером в пористую структурированную среду с плотностью 1-10 мг/см3. Определение размеров области, занятой высокотемпературной плазмой внутри такой пористой среды, которые превышают соответствующие размеры высокотемпературных плазменных образований, реализующихся при лазерном и рентгеновском облучении чистого (без примесей) агара. Экспериментальные результаты определения скорости радиационной волны, ответственной за перенос энергии в маюплотной среде, облучаемой внешним источником рентгеновского излучения, и в среде с примесями тяжелых элементов, облучаемой лазерным пучком. Установление факта, что эта скорость в несколько раз выше скорости энергопсрсноса в пористой (без примесей) среде, облучаемой непосредственно лазерным пучком.
9. Сделанный впервые на основании полученных экспериментальных данных вывод о том, что при облучении малоплотных пористых мишеней коэффициент трансформации поглощенной лазерной энергии в тепловую энергию плазмы выше, чем при облучении органических мишеней твердотельной плотности.
16
Лппробацня работы.
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
• Европейских конференциях по взаимодействию лазерного излучения с веществом (ECL1M): 12-ой (Москва, 1978), 13-ой (Лейпциг, 1979), 18-ой (Прага, 1987), 21-ой (Варшава, 1991), 23-ей (Оксфорд, 1994), 24-ой (Мадрид, 1996) и 25-ой (Формия, 1998);
• Всесоюзных совещаниях по диагностике высокотемпературной плазмы: 2-ом (Харьков, 1979), 3-ем (Дубна, 1983), 4-ом (Алушта, 1986), 7-ом (Минск, 1991), 8-ом (Ленинград, 1993) и 9-ом (Санкт-Петербург, 1997);
• Звенигородских конференциях по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы (1990-1998);
• 10-ой Европейской конференции по управляемому термоядерному синтезу и физике плазмы (Москва, 1981);
• Международных конференциях по квантовой электронике CLEO-83 (Балтимора) и CLEO-84 (Анахайм);
• 10-ом Международном коллоквиуме по ультрафиолетовой и рентгеновской спектроскопии астрофизической и лабораторной плазмы (Беркли, 1992);
• 12-ой Международной конференции по диагностике высотемпературной плазмы (Принстон, 1998).
Материалы, вошедшие в диссертацию, опубликованы в журналах: «Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики», «Физика Плазмы», «Журнал Технической Физики», «Квантовая Электроника», «Письма в Журнал Технической Физики», «I.aser and Particle Beams», «Physics of Fluids», «Review of Scientific Instruments», а также в сборниках «Диагностика Плазмы».
17
Глава 1. РЕНТГЕНОВСКИЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УСТАНОВКИ «МИШЕНЬ».
1.1. Введение.
Высокая степень информативности рентгеновского излучения предоставляет широкие возможности для определения параметров высокотемпературной плазмы и исследования протекающих в ней процессов. Следует, однако, иметь в виду, что интересующая нас плазма, создаваемая при облучении твердотельных мишеней мощными лазерными импульсами, является существенно неоднородным и нестационарным образованием, характеризующимся резкими градиентами температуры и плотности, а скорости протекающих в плазме процессов и изменения параметров плазмы чрезвычайно велики. Так, характерный пространственный масштаб неоднородности плотности в плазменной короне в направлении нормали к поверхности мишени составляет, как правило, десятки мкм, а в направлении, параллельном поверхности мишени, эта величина существенно больше и определяется в основном распределением интенсивности лазерного излучения в фокальном нятне. Характерная скорость течения плазмы в плазменной короне при интенсивности лазерного излучения 10'5-1014 Вт/см2 составляет ~2х107 см/с, гак что в области протяженностью порядка 10 мкм смена вещества происходит за несколько десятков пс. Отметим также невысокую воспроизводимость условий облучения мишеней от эксперимента к эксперименту, так как при этом несколько меняется пространственное распределение интенсивности лазерного излучения на поверхности мишеней, а значит, меняются параметры плазмы и измеряемые характеристики рентгеновского излучения.
В экспериментах по ЛТС для подробного исследования плазмы и протекающих в ней процессов приходится проводить измерения в широком диапазоне изменения параметров плазмы и пространственно-временных масштабов:
характерные пространственные размеры плазмы: 1 мкм - 10 мм,
характерные времена существования плазмы: 10 пс - 10 не,
диапазон изменений температуры плазмы: 10 эВ - 10 кэВ,
диапазон изменений плотности плазмы: 10'*- 1023 см'3,
спектральный диапазон рентгеновского излучения плазмы: 0.1 - 10 нм.
Заметим также, что для получения надежных и достоверных экспериментальных данных принципиально важным является использование комплекса взаимодополняющих методов и средств диагностики плазмы, а применение максимально возможной автоматизации
18
- Київ+380960830922