Введение к работе
Актуальность работы.
Решение проблемы управляемого термоядерного синтеза /УТС / позволит получить практически неисчерпаемый и безопасный источник энергии. Исследованяя по УТС интенсивно ведутся в большинстве развитых стран мира. Реакторы на основе инерциального термоядерного синтеза предполагается, кроме решения энергетической преблемы, использовать в качестве двигателей космических-кораблей. Такие движительные системы более всего подходят для далеких космических полетов.
В 1963 году Н. Г. Басов и О. Н. Крохин предложили использовать мощные лазеры для нагрева вещества до термоядерных температур. Быстрое развитие лазерной техники позволило в 1968 году получить термоядерные нейтроны при воздействии лазерного излучения на плоскую мишень, содержащую дейтерий.
В 1972г. в ФИАНе начала действовать установка "Кальмар" для сферического нагрева плазмы и получен нейтронный выход 10 за импульс со сплошными мишенями из дейтерированного полиэтилена.
В дальнейшем, в-результате теоретического изучения процесса сжатия и нагрева плазмы, было показано преимущество полых сферических мишеней по сравнению со сплошными из ДТ-льда; экспериментально продемонстрирован значительный коэффициент поглощения лазерного излучения в плазме при плотности потоков от 1012 до 1015 вт/см2, доказано, что достигаются высокие температуры и плотности плазмы, обнаружены сверхсильные магнитные поля в лазерной плазме.
Предельные параметры плазмы при сферическом облучении лазерной мишени получаются только при определенной связи энергии и длительности лазерного импульса с геометрическими параметрами мишени — диаметром и толщиной стенки и давлением ДТ-смеси, при соблюдении условий симметрии и разнотолщинности мишени.
Развитие экспериментов по лазерному термоядерному синтезу /ЛТС / потребовало изготовления специальных мишеней для облегчения диагностики лазерной плазмы.
Термин "диагностические лазерные мишени" появился в 1975 - 1977 годах. Под диагностической лазерной мишенью мы понимаем мишень с введением в состав мишени и ее отдельных слоев специальных диагностических добавок и определенных
элементов, которые позволяют увидеть или подчеркнуть процесс сжатия, наргева и горения термоядерной мишени в различных видах излучения ( оптическом, рентгеновском, нейтронном, корпускулярном и. т. д ). Все микробаллоны, а также и конструкции для лазерных мишеней, должны быть изготовлены и проконтролированы с высокой точностью, иногда до долей процента. Это касается и концентрации введенных элементов, толщин и плотностей покрытий и слоев.
Диагностические добавки должны быть незначительны по отношению к массе мишени, необходимо, чтобы они существенно не влияли на процесс инициирования и горения в термоядерной реакции. При этом такие лазерные мишени должны удовлетворять требованиям симметрии, равномассовости, равнотолщинности, отсутствию локальных возмущений на поверхности. Требуется, чтобы введенные слои и добавки не изменяли гидродинамику сжатия и не приводили к появлению дополнительных гидродинамических неусточивостей.
Создание диагностических мишеней как средства совершенствования плазменного экспермента, в том числе и при изготовлении плоских мишеней, встречает трудности в реализации поставленной задачи, связанные с высокой точностью изготовления и толщины слоев и концентрации диагностических элементов.
Специфические трудности работ над технологией лазерных термоядерных мишеней заключаются в том, что в большинстве лабораторий мира не принято подробно описывать технологию и делиться "ноу-хау" - то есть новыми технологическими тонкостями, находками и решениями без которых, как правило, нет новой технологии. Обычно сообщается только о конечных результатах. Повторение чужих работ всегда ведет к временному отставанию, поэтому на основе собственного опыта и реальных материальных возможностей нами разрабатывались собственные технологии и "ноу-хау".
Точность изготовления и контроля диагностической мишени прямо влияет на точность результатов эксперимента. При разработке, изготовлении и контроле диапюстических мишеней необходимо преодолеть ряд трудностей, связанных с микроколичествами используемых веществ.
Таким образом, кроме создания методов введения
диапюстических добавок и слоев и технологического оборудования
для этих процессов потребовалось создать комплексы
измерительных приборов, обеспечивающих требуемую точность.
Одна из основных наших целей всегда была мишень с паспортом, то есть с полной характеристикой всех параметров мишени. Копия паспорта обычно передается в лазерный эксперимент. Все это позволяет по лселанию, при необходимости и возникновении новых идей, анализировать прежние результаты.
При переходе к экспериментам с крупными мишенями реакторных масштабов, с зажиганием и даже развитым горением возникают дополнительные задачи введения элементов, позволяющих исследовать ядерные процессы в сверхсжатом плазменном ядре, экранированном толстым слоем сжатой плазмы оболочки. Этим работам уделяется большое внимание в лазерном плазменном эксперименте и в его теоретических описаниях.
Научная новизна.
-
Предложены и экспериментально обоснованы физические принципы изготовления диагностических мишеней, удовлетворяющих требованиям эксперимента.
-
Разработан комплексный метод и проведены исследования формирования тонких металлических непрозрачных покрытий, а также предложен метод и создана аппаратура контроля этих слоев по пропусканию ультрафиолетового / УФ / излучения.
3. Предложен, для отдельных видов диагностик, монтаж мишеннего
узла в качестве диагностического комплекса.
4. Разработана методика и аппаратура изготовления
цилиндрических лайнеров полимеризацией полипараксилилена на
поверхности ледяного цилиндра с включением диагностических
добавок / брома, хлора /. При охлаждении подложек до 77* К
показана возможность формирования малоплотного до 0,03 г/см3
слоя из полипараксилилена.
-
Предложены и отработаны для полимерных покрытий, в том числе' толстых, методы симметризации слоев при повторном высокотемпературном нагреве и полимеризации на поверхности готовой мишени. Разработан метод и аппаратура нанесения равномерных покрытий из полипараксилилена на сферические лазерные мишени.
-
Внедрен комплексный контроль измерения равнотолщинности мишеней оптическими, в том числе интерференционными, и рентгеновскими методами, с эталонированием на электронном микроскопе излома или среза, а также внутренней структуры.
7. Впервые в России разработана комплексная методка
рентгеновских и оптических измерений многослойных
тонкостенных сферических диагностических мишеней, в том числе и в комбинации слоев металлов и полимеров.
8. Усовершенствован люминесцентный метод измерений
микроколичеств урана в стекле оболочечной мишени и трековых
детекторов, основой которой явилось применение фокусирования
ультрафиолетового лазерного излучения в контролируемую точку
слоя, минуя стеклянные и кварцевые элементы фокусировки и
регистрации.
9. Разработана физическая модель поведения частиц тумана (смога)
из ультрадисперсных порошков, металлов или их химических
производных, что позволило создать метод и аппаратуру нанесения
покрытий сверхнизкой плотности на сферические и плоские
мишени для ослабления . влияния мелкомасштабной
неоднородности греющего лазерного излучения и уменьшения
влияния ударной волны на внутреннюю поверхность мишени.
Практическая значимость.
1. Разработаны методики изготовления многослойных плоских и
сферических диагностических мишеней, в которых с одной стороны
выполняются условия связи энергии и импульса лазерной установки
с параметрами мишеней, а с другой введением диагностических
добавок и слоев не ухудшаются параметры сжатия и горения.
2.Проведены исследования, разработаны различные методы
контроля диагностических мишеней. Использование в
экспериментах таких мишеней позволяет более полно понять
процессы, происходящие в плотной плазме.
3. Передача мишеней в эксперимент позволила нам как
совершенствовать сами мишени, так и обеспечило проведение
экспериментов на установках "Кальмар"., "Дельфин" и ряда
экспериментов на установке "Вулкан" в Англии, причем
приходилось создавать разные мишени под конкретные параметры
разных лазерных устаневок и для различных экспериментов.
4.' Каждая мишень, предназначенная для эксперимента, проходила
тщательное измерение параметров с помошью разработанных или
усовершенствованных нами методов и аппаратуры. Перед
использованием мишени в эксперименте составлялось ее подробное
описание - паспорт.
5. Особотонкостенные полимерные лайнеры и методика измерения
лайнеров переданы для проведения экспериментов на установку
"Ангара-5".
6. На основе проведенных расчетных и экспериментальных исследований созданы заполненные ДТ-смесью сферические мишени с многослойным металлическим покрытием; применение в экспериментах специальным образом сконструированных и измеренных мишеней со слоями из малоплотного металла дает возможность улучшить симметрию и степень сжатия на существующим установках , проконтролированные образцы переданы для экспериментов в ТРИНИТИ.
7.Проведены исследования и создана комплексная технология для работ с трековыми детекторами из нитрата и ацетата целлюлозы, а также пластин слюды и кварца, которые оказались полезными для работы с ураносодержащими мишенями и обнаружения филаментаций, волоконных кварцевых детекторов выгорания топлива в твэлах ядерных реакторов.
-
Разработана методика монтажа полимерных мишеней на специальных подвесах, удобная для целей диагностики.
-
На основании развития технологии диагностических мишеней предложены новые типы мишеней для использования в термоядерных исследованиях на более мощных установках: это мишени со слоями малоплотных металлических и дейтерированных материалов, мишени с материалами воспламеняющимися на воздухе, но прикрытыми защитными полимерными пленками (закансулированными).
Апробация работы.
Основные результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах Нейтронно-физического Отдела ФИАН и Отделения Квантовой радиофизики, докладывались на Конференции во физике плазмы- и Управляемому термоядерному синтезу, Звенигород 1987,1989,1993,1996 гт, X Международной Конференции специалистов по изготовлению мишеней Таос. США. 1995г, Европейской конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом - ECLIM - Варшава 1991г, Мадрид 1996г.
Автор защищает:
1. Результаты цикла экспериментальных исследований,
охватывающих основные проблемы, касающиеся диагностических
мишеней.
2. Разработанные методы и аппаратуру изготовления многослойных
сферических диагностических мишеней, в которых при сохранении
теоретических требований к геометрии и конструкции мишеней, вводятся специальные диагностические добавки и слои, подчеркивающие ( или делающие регистрируемыми ) определенные процессы в плазме.
3. Методы создания равномерных металлических покрытий на
сферических лазерньх мишенях, методики изготовления
особотонкостенных полимерных лайнеров с включением
диагностических элементов.
4. Предложенные и внедренные в эксперимент некоторые
конструкции диагностических мишеней: сферическая оболочка со
слоем содержащим уран (диагностика однородности разлета),
сферическая оболочка с малоплотным слоем из ультрадисперсного
порошка металла (для рентгеновской и активационной диагностики)
и для изучения эффекта разравнивания энергии лазерного импульса
по поверхности мишени, мишень со слоем дейтерированного
полимера (для изучения генерации нейтронов в короне).
5. Для многих вариантов лазерных сферических диагностических
мишеней разработаны методы и аппаратура контроля толщины и
равнотолщишюсти, и, в некоторых случаях, средней плотности для
малоплотных материалов, метод контроля концентрации урана в
ураносодержащих слоях - лазерным возбуждением люминесценции
с чувствительностью до 1-3%, метод и аппаратуру контроля тонких
металлических слоев по пропусканию УФ излучения через мишень,
методику рентреновского контроля средней плотности малоплотных
металлических слаев с одновременным эталонированием.
Объем и структура работы.
