Введение к работе
., Актуальность темы и цель работы. Реализация управляемого
термоядерного синтеза ( УТС ) является одной из важнейших научно-технических проблем современности. Работы в этом направлении ведутся более 40 лет. Исторически первыми были начаты работы связанные с магнитным удержанием и термоизоляцией высокотемпературной плазмы. О появлением лазеров и генераторов пучков заряженных частиц бурное развитие получило альтернативное направление -инерциальный термоядерный синтез (ИТС) - подведение к термоядерной мишени энергии за'времена, меньшие, чем время еЭ икерциаль-ного разлета. Развитие работ по программе лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) шло'по трбм направлениям: разработка,, создание и усовершенствование мощных лазерных систем; экспериментальные исследования физических процессов, .протекающих при. взаимодействии лазерного излучения с мишенями и расчетно-теоретические исследования по оптимизации термоядерного поджига. В соответствии с современны]. представлениями наиболее .перспективным лглязтся использование многослойтшх оболочеччых мишенеТ*. Для стгатия и нагреганил таких мишеней диаметром J 1мм оптимальным является их облучение лазерным импульсом наносекундного диапазона ( 5-Ю не, A. s 0,5 мкм ) относительно презтой формы. Плотность потока нл поверхности мишени при этом должна составлять ~10 - 10 Вт/см , а требуемая для положительного энергетического выхода энергия лазерного импульса лежит в районе 1-Ю КДж.
В настоящее время исследуются две схемы облучения мишеней:
Прямое облучение - энергия и? зоны поглощения в окружающей
мишень плазменной короне доставляется на поверхность твйрдой фазы
(аблятора? за счбт электронной теплопроводности. В результате
абляции вещества с поверхности ядро мишени сжимается, температу-
-4- pa Д-Т смеси вблизи центра резко- возрастает и осуществляется
зажигание термоядерной реакции.
Непрямое облучение - энергия лазерного излучения трансформи-руется в рентгеновское излучение плазмы из элементов с высоким Z, которое воздействует на термоядерную мишень с Д-Т топливом.
Основу современного подхода к ЛТС составляют следующие физические процессы:
I.Поглощение лазерного излучения в плазменной короне ( в случае непрямого облунения- - трансформация в рентгеновское налу- . чёние ).
2.Теплопередача из зоны поглощения к твбрдой ( абляционной ) _ поверхности.
3.Устойчивое ускорение оболочек с,достаточно высоким гидродинамическим КПД. 4.0сущесївление эффективного поджига сжатого термоядерного топлива.
Перечисленные вопросы интенсивно изучались и изучаются. От ' них в конечном итоге гависят и конструкции мишеней и минимальная Необходимая эноргия лазеркой систе«ш, и выбор оптимальной схемы облученмя .'.'
Целью данной диссертационной работы является исследование первого из перечисленных вопросов, который можно сформулировать несколько шире - взаимодействие мощного лазерного излучения с плазменной короной, образующейся у поверхности облучаемой мишени. Большинство накопленных экспериментальных дашшх по многообразию физических процессов, протекающих в плазменной короне имєєї разрозненный характер, они получены в различных экспериментальных условиях и зачастую трудно сопоставимы и противоречивы. Вместе с т*м, только глубокое понимание этих процессов позволит подойти к
-5-решению вопросов важных и для ЛТС, и для целого ряда прикладных задач (материаловедение, развитие новых технологий, биология, . радиоэлектроника). Вполне очевидно, что для решения каждой из вышеперечисленных задач требуется создание плазмы с определенными, строго заданнными параметрами и умение контролировать и управлять протекаидими в ней процессами. Исходя из этого, задачи настоящей работы были сформулированы следующим образом:
провести комплексное исследование влияния энергетических, пространственно-временных и спектральных характеристик мощного*4 лазерного импульса на поглощение и рассеяние излу'эния в плазмен-, ной короне при плотностях светового потока от 10 Вт/скг до 5»1014ВтЛ»г, представляющих наибольший интерес для перечисленных задач.
Все" вышесказанное не оставляет сомнений в актуальности таких исследований.
Нуучная новизна исследований, результаты которых изложены в диссертации, состоит в том, что:
I.Получены экспериментальные данные, позволяющие установить диапазоны параметров лазерного излучения и условий облучения различных мишеней, при которых в плазменной короне проявляются нелинейные механизмы поглощения и рассеяния;
2.Обнаружена корреляция между развитием в плазменной короне двухплазмонной параметрической распадной неустойчивости и генерацией Сыстрых электронов, ответственных за жЭсткую компоненту в
спектре рентгеновского излучения плазмы.
3.Предложен и реализован новый метод изучения эволюции плазменной короны из анализа изменений во времени контура спектральной линии гармоники 3/2«.
4.Подробно исследованы механизмы привод~щие к изменению спек-
-6-тральных и когерентных свойств отражаемого плазмой излучения.
Практическая ценность. Лазерная плазма представляет собой уникальный по мощности источник рентгеновского и нейтронного излучения, который необходим для проведения работ по развитию новых диагностических методов, рентгеновской фотолитографии и реализации лазерного эффекта в рентгеновском диапазоне длин волн. Полученные данные, позволяют:
определить оптимальные параметры лазерного излучения и мишеней для задач ЛТС. .
предложить использование плазменного зеркала в лазерных систе^ мах следующего поколения.для исследований по программе ЛТС.
создать импульсные лазерно-плазменные источники мягкого рентгеновского излучения для ряда научно-технических задач, прикладного характера.
На защит;' выносятся следующие положения:
I.Создан комплекс лазерных систем на неодимовом стекле ( си- ликатном и фосфатном), обеспечивающих высокое качество светового пучка и позволяющих проводить исследования в достаточно широком диапазоне изменения параметров лазерного импульса ( Тшп=3-5 к-, X ~ 0,5 - 1 мкм, Ь\ ~ 0,1-100 A, I~ Ю13-Ю15Вт/см2 ). '
2.Настроена, прокалибрована и частично разработана аппаратура диагностического комплекса, позволяющая проводить измерение параметров греющего лазерного импульса и характеристик плот- ной высокотемпературной плазмы с высоким пространственным ( 5-Ю мкм ), временным ( 50 пс ) и спектральным разрешением.
З.В широком диапазоне начальных условий облучения (I ~ 1012-
^ю'^т/см2; Тиш= 3,5-5 не; \~ 0,5-1 мки; АХ= 0,1-100 А.) проведены подробные исследования отражения и рассеяния лазерного излучения, а также генерации гармоник 2со и 3/2w в плазме. Измерены энергетические и спектральные характеристики выходящего из плазмы излучения в зависимости от плотности падающего светового потока и ширины спектральной линии лазера ного изчучения для мишеней из элементов с различными Z.
4.Установлена корреляция между генерацией надтепловых элек-
*тронов в плазменной короне и интенсивностью излучения гармо-
' ники 3/2 о. ' '
5.Предложен метод изучения эволюции температуры плазменной короны из анализа изменения во. времени контура спектральной
линии гармоники 3/"2 со. Полученные с помощью этого метода данные хорошо согласуются с результатами измерений температуры плазме по е9 реьтгеновской эмиссии.
6.Экспериментально показано, что при узкой ( ДА."0,1 А ) спектральной .пинии лазэрного излучения существенно снижается поріг развития параметрических неустойчивостей. Рост коэффициента отражения в этом случае обусловлен модифицированным ВРМБ рассеянием. Установлены причины уширечия спектра и изменения когерентных свойств отражённого плазмой излучения.
7.С помощью плазменного зеркала сформирован широкополосный малокогерентный пучок мощного лазерного излучения. Продемонстрирована возможность получения более гладкого.распределения интенсивности в .'фокальной плоскости при фокусировке такого пучка.
-8- 8.Измерены коэффициенты конверсии мощного лазерного излучения
в рентгеновское излучение плазмы. Измерены параметры мягкого
, рентгеновского излучения лазерно-плазменных рентгеновских
источников, реализованных в эксперим ітах по облучению А1 и
Си. мишеней. Проанализированы возможности использования этих
источников рентгеновского излучения для ряда прикладных задач.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на Международных конференциях по плазме, лазерам и электро-оптике; Всесоюзных совещаниях по диагностике плазмы;
Ежегодном симпозиуме по УТС и годовой сессии Научного совета по проблеме " Физика плазмы ". Результаты работы опубликованы в научных сборниках и журналах.
Структура и объём диссертации, диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка используемой литературы: глава I - литературный обзор, главы II-VI.- содержание работа. Работа содержит 127 страниц машинописного текста, иллюстрированна 51 рисунком. Список литературы со/ержит III наименований на V страницах.
Похожие диссертации на Влияние энергетических, пространственно-временных и спектральных характеристик мощного лазерного импульса на поглощение и рассеяние излучения в плазме
