Введение к работе
Актуальность работы.
Интенсивные исследования плотной высокотемпературной плазмы мощных термоядерных установок актуальны как с точки зрения изучения условий осуществления инерциального термоядерного синтеза, так и с точки зрения создания мощных источников нейтронов, когерентного и некогерентного рентгеновского и ВУФ-излучений для их приложений в различных областях науки, и техники.
Исследования такой плазмы стимулировали бурное развитие методов рентгеновской спектроскопии и аппаратуры для рентгеноспектральных исследований. Рентгеноспектральные методы диагностики являются бесконтактными и высоко информативными, так исследование излучения многозарядных ионов в рентгеновской области позволяет определять такие важные параметры плотной горячей плазмы как электронную, ионную, ионизационную температуры, электронную плотность плазмы, ионный состав, наличие надтепловой компоненты в энергетических распределениях электронов и ионов.
Наиболее интенсивно изучение рентгеновских спектров ведется с использованием плазмы вакуумной искры, плазменного фокуса, взрывающихся проволочек и лазерной плазмы. Последние годы основные усилия были направлены на получение спектров плазмы в области мягкого рентгеновского излучения с высокими спектральным (Д\/А=Ю~ ) и пространственным (10 см) разрешениями при одновременном разрешении во времени на уровне долей наносекунд. Эти эксперименты требуют как правило разработки и применения уникальной аппаратуры, высокого уровня обработки полученных результатов.
Детальное изучение тонкой структуры спектров многозарядных ионов необходимо как для уточнения данных атомной физики,так и для исследования физики процессов, имеющих место в плотных
высокотемпературных плазмах (образование микропинчей, перетяжек, генерация надтешювых частиц, спонтанных электромагнитных полей .и т.д.). Получение такого рода информации актуально не только с точки зрения накопления фундаментальных данных о структуре энергетических спектров ионов в плотной высокотемпературной плазме , но полезно и для ряда практических приложений, например, для оптимизации параметров источника излучения в рентгеновской литографии, для адекватной интерпретации результатов исследований по сверхплотному сжатию вещества в экспериментах по инерциальному термоядерному синтезу и астрофизических исследований.
Целью настоящей работы является:
I.. Разработка и опробование нового метода рентгеноспектральной диагностики, пригодного для исследования плотной горячей плазмы, изучение с его помощью физики процессов, происходящих в плотных высокотемпературных плазмах, которые образуются при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и в мощных импульсных разрядах.
2. Создание комплекса рентгеновской аппаратуры для
исследования спектров многозарядных ионов плотной
высокотемпературной плазмы.
3. Создание специального спектрографа с двойной
фокусировкой, для регистрации ВУФ и рентгеновских спектров с
пространственным разрешением в двух взаимноперпендикулярных
направлениях наблюдения одновременно.
-
Создание калибровочного стенда и исследование на нем характеристик прибора с двойной фокусировкой.
-
Исследование спектров с помощью созданных приборов на трех типах установок: лазерной плазме, плазменном фокусе и вакуумной искре, изучение структуры рентгеновских спектров в различных экспериментальных условиях.
Научная новизна.
В представленной диссертации впервые непосредственно зарегистрирован эффект взаимодействия потоков надтепловых электронов, генерируемых в плазменной короне в результате развития нелинейных . механизмов взаимодействия лазерного излучения с плазмой, с материалом мишени. Предложен новый рентгеноспектральный метод оценки энергии и интенсивности пучков надтепловых электронов, образующихся при взаимодействии мощного лазерного излучения с плазменной короной и ионных пучков, генерируемых в плазме установок типа плазменный фокус. Принцип метода основан на впервые обнаруженном эффекте несовпадения местоположения источников эмиссии атомных и ионных линий (в плазменном фокусе на несовпадении пространственных областей эмиссии ионных линий различных элементов) в лазерной плазме, который является следствием генерации сильных спонтанных магнитных полей, изменяющих траектории генерируемых надтепловых электронов.
К достоинствам метода следует отнести:
-
Возможность использования простейших типов рентгеновских приборов.
-
Измерение в одном эксперименте энергии и относительного количества рождающихся в плазме надтепловых частиц, а также электронной плотности, температуры, ионизационного состава плазмы по эмиссии ионных линий плазмы.
3. Определение положения и размеров пространственных
областей локализации источников эмиссии атомных и ионных линий в
плазме.
Впервые создан, опробован уникальный спектрограф с двойной фокусировкой, обладающий высокими спектральным и пространственным разрешениями и высокой светосилой, позволяющий регистрировать БУФ и рентгеновские спектры одновременно в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Уникальность прибора состоит также в применении тороидального диспергирующего элемента (впервые кристалл кварца поставлен на оптический контакт на^ изготовленную с высокой точностью тороидальную поверхность).
Научная и практическая ценность работы:
-
Разработанный метод оценки энергии и интенсивности ионных и электронных пучков может применяться для диагностики плотной высокотемпературной плазмы.
-
Применение метода для изучения рентгеновской эмиссии плазменной короны позволило зарегистрировать наличие надтепловых электронов в экспериментах по взаимодействию мощного лазерного излучения с плазмой и наметить пути измерения энергии и количества надтепловых электронов при использовании материалов с различными Z.
-
Применение метода для исследования плазменного фокуса позволило сделать вывод о перспективности использования этого типа установок в качестве источников высокоэнергетичных многозарядных ионов, что имеет практическое значение, например, для синтеза далеких трансурановых элементов.
4. Создание светосильных приборов с высокими
пространственным ' и спектральным разрешениями позволяет
исследовать тонкую структуру рентгеновских линий и оценивать
величины электромагнитных полей в горячих областях плотной,
плазмы.
Автор выдвигает к защите следующие положения:
1. Создан комплекс рентгеновской аппаратуры для
исследования излучения многозарядных ионов в плотных импульсных
плазмах. Наряду с дефокусирующими приборами разработаны
уникальные рентгеновские спектрографы с двойной фокусировкой
для регистрации спектров в двух взаимно-перпендикулярных
направлениях наблюдения.
2. С помощью прибора с двойной фокусировкой выполнены
измерения рентгеновского спектра многозарядных ионов железа на
установке вакуумная искра, с использованием тороидальной
дифракционной решетки, зарегистрированы ВУФ-спектры лазерной
плазмы.
-
В экспериментах по взаимодействию лазерного излучения с веществом при интенсивностях лазерного излучения, превышающих 2.10 Вт/см , впервые обнаружено несовпадение пространственных областей эмиссии атомных К-линий и резонансных линий водородо и гелиеподобных ионов (характерные размеры смещения-сотни микрон).
-
На основании этого эффекта предложен и предварительно опробован метод оценки параметров надтепловой электронной компоненты и напрякенности спонтанных магнитных полей. Показана возможность дальнейшего развития этого метода в условиях применения материалов с различными Z.
-
При измерении линейчатых спектров в плотном Z-пинче впервые обнаружено, что эмиссия линий ионов металла и ионизованного аргона наблюдается из разных пространственных областей разряда (линии металла высвечиваются прианодной областью, линии аргона-пинчевой областью).
6.. На основании спектральных- измерений оценена скорость ионов материала мишени, движущихся к катоду (уі~Ю8см/сєк) . Полученные энергии характеризуют плазменный фокус как перспективный источник быстрых многозарядных ионов с высокими ZjH Ej.
Апробация работы
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах в ТРИНИТИ, лаборатории быстрых процессов РИД КИ, на третьей, четвертой и пятой международных конференциях по диагностике плазмы (г. Дубна, 1983г., г. Алушта, 1986 г., г. Санкт-Петербург, 1993 г.) на третьей международной конференции по плотным Z-пинчам (г.Лондон,1993 г.).
Объем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения и содержит 153 страницы, 41 рис., и библиографию, включающую 94 наименования.
