Введение к работе
.Актуальность проблемы.- Проблема. плазма-плазменного взаимодействия (особенно для высокоэнергетичных потоков плазмы) является одним из наиболее актуальных фундаментальных направления в физике плазмы. Интерес к данным исследованиям связан с изучеішем проблемы обмена энергией и импульсом между потоками плазмы в результате широкой номешиатуры элементарных процессов (упругие и неупругие соударения, порозарядка и т.д.), а также тесно связанной с этим проблемы возникновения и разпоггк.ч плазменных неустойчивостой, турбулентности плазмы. Исследование механизмов плазма-плазменного взаимодействия восьма актуально также для понкмаїшя ряда астрофизических плазменных явленую, таких, например, как торможение оболочек сверхновых з мєжзбзздііо.: среде, взаимодействие солнечного ветра с верхней атмосферой и магнитосферой Земли, и т.д. Использование лазерной плазмы в экспериментах по плазма-плазменному взаимодействию открывает ряд уникальных возможностей.'Лазерная плазма является нестационарным объектом, в процессе разлета ряд ее параметров (плотность, температура) изменяется в весьма широких пределах. Другие параметры ЛП (химический состав, скорость разлета, средний заряд и т.д.) легко могут варьироваться за счет изменения внешних условий (материал мишени, 'плотность потока лазерного излучения и т.д.). Все это делает лазерную плазму весьма удобным объектом для исследования взаимодействия плазменных потоков при различных экспериментальных условиях. Кромо того, исследование процессов плазма-плазменного взаимодействия (в частности, с использованием лазерной плазмы) важно для решения ряда прикладных задач, таких, как термоядерный синтез при тормализации сталкивающихся потоков плазмы, ряд .задач плазмохимии (например, осаждение пленок из ВТСП керамики в атмосфере.кислорода), формирование активной среды для коротковолновых (рентгеновских) лазеров, лазерный элементный анализ и т.д. Таким образом, исследование механизмов взаимодействия ' лазерно-плазменных потоков представляется актуальным как с точки зрения фундаментальных аспектов физика плазмы, так и для решения ряда прикладных задач.
Цель работы состоит в исследовании картины взаимодействия высокоскоростных плззконных потоков, в частности, исследовании взаимодействия лазерной плазмы с плазмой окружающего разреженного газа, а такие двух лазерно- плазменных потоков между собой, определении условий эксперимента, при которых реализуются те - или инке режимы взаимодействия, а также выявлении основных-механизмов взаимодействия в том или ином случае. Решение этой задачи позволит продемонстрировать, как общие закономерности плазма-плазменного взаимодействия проявляются . в каждом исследованном конкретном случае, а также построить качественную модель взаимодействия лазерно-плазмешшх потоков.
Научная новизна работы.
1. Рзработана комплексная методика, основанная на совместном
использовании различных методов оптической диагностики, и
позволяющая исследовать процессы взаимодействия
лэзорно-шшзмошшх потоков в;различных экспериментальных условиях
и в широком диапазоне параметров взаимодействующих плазм.
2. Экспериментально исследована пространственно-временная
структура свечения при разлете ЛП в окружающий фоновый газ при
различных давлениях последнего.-Показано, что в зависимости от
давления фонового газа могут реализовываться различные режимы
взаимодействия ЛП и фона: режим свободного разлета ЛП, режим
объемного взаимодействия ЛП и фона, ударноволновой режим.
Продемонстрированы" особенности картины свечения для каждого из
режимов взаимодействия.
-
Экспериментально изучена пространственно- временная структура СЕОчения при столгаювонии двух ЛП в вакууме. Установлена зависимость особенностей картины свечения' от параметров эксперимента. Проведена классификация различных режимов взаимодействия двух потоков ЛП в вакууме и установлена ее связь с параметрами эксперимента. Продемонстрировано влияние рэкокбинационнои норавновесности ЛП на оптическое .излучение при взаимодействии двух ЛП. .
-
Проанализирована роль.различных механизмов обмена энергией и импульсом' в процессе взаимодействия ЛП и фона, а также двух ЛП в вакууме. Показано, что основной вклад в процесс обмена энергией и
импульсом дают ион-ионные и ион-электронные столкновения. Установлено соотношение ион-иоішого и ион-электронного трения для всех исследованных режимов взаимодействия. Предложена качественная модель взаимодействия лазерно-плазменных потоков. 5. Исследовано влияние фонового газа на процесс взаимодействия двух ЛП. Определены условия, при которых влияние фонового газа на взаимодействие плазм является сильным или слабым. Показано, что в предельном случав сильного влияния фона на динамику ЛП взаимодействие двух ЛП сводится к .столкновению двух газодинамических ударных' волн и сопровождается возникновением отраженных ударных волн.
Научная и практическая ценность работы.
Разработана диагностическая методика, основанная . на совместном использовании различных экспериментальных методов регистрации оптического излучения плазмы, модернизированных для исследования взаимодействия лазерно-плазменных потоков. Используемые метода позволяют регистрировать оптическое излучение при взаимодействии потоков плазмы с параметрами (плотность, температура, степень ионизации и т.д.), варьирующимися в весьма широких пределах и обладают пространственным, временным и спектральным разрешением, а также чувствительностью, достаточными для построения физической картины исследуемого явления.
Создана экспериментальная установка, позволяющая оптическими метрдами исследовать процессы взаимодействия одиночной ЛП с фоновым газом, а также двух Ш, как в вакууме так и при наличии фонового газа, в широком диапазоне экспериментальных условий (плотность, скорость, томпоратура взаимодействующих потоков). Исследована эффективность совместного использования многопроходной усилительной систомы на основе фосфатного неодимового стекла и задающего генератора с активными элементами из различных материалов. Показано, что использование кристаллов ИСГТ в таких схемах является весьма эффективным. На основе полученных результатов разработана и создана мощная (до З.БГВт в импульсе) компактная лазерная система.
Получены экспериментальные результаты по оптическому излучению при взаимодействии . высокоскоростных потоков лазерной плазмы. Изучено взаимодействие одиночной ЛП с плазмой окружающего
'6'
газа, а также взаимодействие двух лазерных плазм, как в вакууме,
так и при наличии окружающего газа. Исследованы различные режимы взаимодействия лазерно-плазмонных потоков.
Определены, механизмы взаимодействия. плазм в различных экспериментальных условиях. Предложена качественная модель взаимодействия лазерно-плазмонных потоков. Полученные в работе результаты позволяют ""создать картину взаимодействия высокоскоростных штоков лазерной плазмы, а также уточнить роль различных процессов обмена энергией и импульсом между взаимодействующими плазменными потоками в зависимости от' условий эксперимента.
Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены
автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии.
На защиту выносятся:
ТЇ Комплексная диагностическая мотодаса, основзнная на совместном использовании различных экспериментальных методов регистрации оптического излучения плазмы, и позволяющая изучать процессы взаимодействия потоков плазмы с параметрами, варьирующимися в весьма широких пределах.
2. Результаты исследования процессов взаимодействия
одиночной лазерной плазмы с плазмой окружающего разреженного газа
при различных режимах взаимодействия: ударноволновом режиме,
режиме объемного взаимодействия, режиме свободного разлета.
3. Результаты исследования взаимодействия двух
лазоряо-плазменных потоков в вакууме при различных расстояниях
между точками образования плазм.. '
4. Механизмы обмена энергией и импульсом между лазерно-
плазмонными потоками .при различных режимах взаимодействия плазм.
Б. Результаты исследования влияния окружающего газа на процессы'взаимодействия двух штоков лазерной плазмы.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на научно-практическом семипаре по электрофизике горения (г. Караганда, 1989), I Всесоюзном семинаре "Оптические методы исслодования потоков" (г. Новосибирск, . 1989), II. Всесоюзном семинаро по физике быстропротекающих плазменных процессов (г.
ГрОДНСЇ, 1989), XV Summer School and International Simposiura on the Physics of Ionized Gases (Dubrovnik,' 1990), II. Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмоданамике . (Кацишли, 1991), I Всесоюзной конференции по оптическим методам исследования потоков
(Г. Н0В0СИбИрСК,1991), XX International Conference on the Phenomena in Ionized Gases (Piza, 1991) .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав -и заключения. 0бт& объем диссертации составляет -йв страницы машинописного текста, включая 39 рисунков и список литературы из 99 наименованил.
