В области инерциального термоядерного синтеза (ИТС) и, в частности, лазерного термоядерного синтеза (ЛТС) [1,2] в последние три десятилетия 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 мегаджоульного 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 ЛТС 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 ионов 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 пучково-плазменными источниками, радикально расширился. Это и использование рентгеновского излучения в схеме ЛТС 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 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 излученияроль рентгеновского излучения в энергобалансе процесса взаимодействия лазер-мишень и его влиянии на гидродинамический КПД ускорения оболочки-поршня мишениопределение 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 детальные данные о спектральном составе рентгеновского излучения, его пространственно-временной структуре, энергии, уносимой из плазмы рентгеновскими квантами. Следует отметить, 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 переизлучаясь 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, 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 материалов 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 температур 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 эксперименты 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 электрон-ионных столкновений, 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 излучательную 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 инерциального 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 плотностью менее ~5×1019 см" 3, расположенные на значительном расстоянии от облучаемой мишени [34]. При использовании масс-спектроскопии 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 мишени, 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 рентгеновской 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 места, определить величину плотности плазмы, а при наличии самопоглощения — дает 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 измерений с временным и пространственным разрешением, позволяет получить ценную информацию о динамике оболочки и эволюции параметров сжимаемого топлива [40, 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 пучково-плазменными 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 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 совокупностии 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 1013−1014 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. и.
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 1013−1014 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 л низкой плотности (0.5−10 мг/см), 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).
Для 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, А,=1.054 мкм, Ел=100 Дж) с твердотельными плоскими мишенями. Аппаратура для анализа рентгеновской эмиссии плазмы должна была обеспечивать спектральное, временное и пространственное разрешение на уровне, характерном для современных экспериментов по ЛТС, а именно ДАА=10″ 2−10~3, А1=30−50 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 агар-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 экспериментовполучить новые данные об атомных константах вещества в неравновесной высокотемпературной плотной плазме;
• целенаправленно подбирать характеристики лазерных импульсов и параметры мишеней для создания источников импульсного 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 по 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 1013−1014 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 элементов, атомы которых при Те"0.5 кэВ ионизованы в основном до заполненных К-, Ьили М-электронных 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 «5×1013 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 — 1013−1014 Вт/см2).
5. Экспериментальные результаты определения впервые примененным для этой цели рентгеноспектральным методом температуры абляционно ускоряемой тонкой алюминиевой фольги, моделирующей оболочку термоядерной мишени. Вывод о том, что прогрев неиспаренной 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.
2=29) переизлучающей зоны, расположенной между областью эффективного поглощения лазерного излучения и абляционной поверхностью (1=1013−1014 Вт/см2). Определение времени, необходимого для формирования переизлучающей зоны. Впервые изученная эспериментальным путем зависимость величины конверсионной 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=1013−1014 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/см3, 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 малоплотной 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 энергопереноса 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.
Аппробация работы.
Результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
• Европейских конференциях по взаимодействию лазерного излучения с веществом (ECLIM): 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», «Laser and Particle Beams», «Physics of Fluids», «Review of Scientific Instruments», а также в сборниках «Диагностика Плазмы».
Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:
1. Создан диагностический комплекс, обеспечивший возможность проведения экспериментов по программе ЛТС на современном уровне. Аппаратурное обеспечение комплекса позволило исследовать непрерывное и линейчатое рентгеновское излучение плазмы с требуемым пространственным (15−30 мкм), спектральным (ААА"0.01−0.001) и временным (0.03−0.5 не) разрешением.
Разработан и создан уникальный мощный лазерно-плазменный источник рентгеновского излучения для обеспечения активной диагностики плотной высокотемпературной плазмы.
2. Проведена абсолютная калибровка спектральной чувствительности рентгеновской фотопленки УФШ-С в диапазоне длин волн 0.5−5 нм. Впервые произведен подробный анализ сорбционного метода определения электронной температуры плазмы, состоящей из многозарядных ионов.
3. Проведено детальное исследование спектральных, временных и пространственных характеристик непрерывного и линейчатого рентгеновского излучения плазменной короны, образующейся при нагреве мишеней из различных материалов (в диапазоне от полипропилена до свинца) лазерным излучением с плотностью мощности в пределах фокального пятна 1013−1014 Вт/см2.
4. Экспериментально получена зависимость коэффициента конверсии лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения плазменной короны от атомного номера материала мишени и установлено, что эта зависимость имеет немонотонный характер с максимумами интенсивности для тех элементов, атомы которых при Те~0.5 кэВ ионизованы в основном до заполненных К-, Ьили М-электронных оболочек.
5. Взаимодополняющими методиками, основанными на регистрации непрерывного и линейчатого рентгеновского излучения плазмы, и путем сравнения экспериментальных данных с результатами расчетов определены пространственные распределения электронной температуры и плотности в плазменной короне.
Создана автоматизированная система обработки рентгеновских изображений плазмы, которая позволила оперативно определять пространственные распределения электронной температуры и плотности в плазменной короне.
6. Показано, что при свободном разлете в вакуум плазмы, состоящей из высокозарядных ионов алюминия, начиная с некоторого расстояния от поверхности мишени (-500 мкм), ионизационное состояние плазмы оказывается неравновесным — проявляется эффект «закалки» ионизационного состояния. При этом реализуется инверсная населенность возбужденных уровней ионов А1ХП.
7. Экспериментально измерена массовая скорость абляции мишеней из различных веществ. Для алюминиевой мишени при плотности светового.
13 2 потока 1=5×10″ Вт/см массовая скорость абляции составляет (1.8−1.9)х105 гхс^хсм" 2.
При интенсивности лазерного излучения (с длиной волны 1.054 мкм) на поверхности мишени на уровне 1013−1014 Вт/см2 определены параметры надтепловой электронной компоненты в плазменной короне, образующейся при лазерном облучении фольг, моделирующих оболочки сферических термоядерных мишеней: температура надтепловых электронов в случае облучения алюминиевой фольги равна 3−5 кэВ, а их относительное содержание в плазме составляет (1−2)х10~5. Путем сравнения экспериментальных и расчетных данных показано, что при абляционном ускорении тонких алюминиевых фольг прогревом неиспаренной части фольги горячими электронами можно пренебречь.
8. В результате проведенной регистрации характеристических линий Ка ионов алюминия низкой кратности ионизации определена температура абляционнон ускоряемой части алюминиевой фольги. Путем сравнения экспериментальных данных с предсказаниями расчетов показано, что при абляционном ускорении тонкой алюминиевой фольги, моделирующей оболочку термоядерной мишени, прогрев неиспаренной ускоряемой части мишени до температуры 10−12 эВ обусловлен, наряду с ударноволновым механизмом, поглощением в ней рентгеновского излучения плазменной короны.
9. На основе анализа совокупности экспериментальных и расчетных данных о процессах, протекающих при облучении мишеней со сравнительно большим значением атомного номера (2=29) лазерным п излучением с интенсивностью, превышающей 10 Вт/см, установлен факт образования в плазменной короне переизлучающей зоны, расположенной между областью эффективного поглощения лазерного излучения и абляционной поверхностью. Определено время, необходимое для формирования переизлучающей зоны, которое при облучении тонких (0.2−0.8 мкм) слоев меди составляет 0.7−1 не от начала лазерного импульса.
10.В результате экспериментального исследования получены зависимости величины конверсионной эффективности плазмы от поперечных размеров, толщины облучаемого медного слоя и от интенсивности лазерного излучения. Обнаружено резкое падение конверсионной эффективности при толщине медного слоя менее 0.2 мкм, когда образование переизлучающей зоны затруднено вследствие дефицита вещества с высоким атомным номером.
Экспериментальные данные относительно формирования переизлучающей зоны и зависимости конверсионной эффективности плазмы от параметров мишени находятся в хорошем согласии с результатами численных расчетов, выполненных с помощью специально разработанной в Институте теплои массообмена (г.Минск) радиационно-гидродинамической программы.
11.Впервые экспериментально показано, что внутри низкоплотной (0.5−10 л мг/см) пористой мишени, облучаемой мощным лазерным импульсом, формируется протяженная область высокотемпературной плазмы, в которой эффективно поглощается лазерное излучение. Получена зависимость продольного (вдоль направления лазерного пучка) размера этой области от начальной средней плотности пористой среды. Температура плазмы в таком объемно-поглощающем плазменном слое составляет 0.8−1 кэВ.
Впервые показано, что конверсионная эффективность плазмы, создаваемой внутри облучаемой мощными лазерными импульсами л пористой среды со средней начальной плотностью 1 мг/см, в 2−3 раза превышает конверсионную эффективность плазмы при использовании в качестве мишени органической пленки твердотельной плотности. На основании полученных экспериментальных данных сделан вывод о том, при облучении малоплотных мишеней в тепловую энергию образующейся плазмы коэффициент трансформации поглощенной лазерной энергии выше, чем в случае облучения мишеней твердотельной плотности такого же химического состава.
12.Впервые продемонстрирована 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. Определены размеры горячей плазменной зоны внутри такой малоплотной мишени, которые превышают соответствующие размеры высокотемпературных плазменных образований, создаваемых при лазерном и рентгеновском облучении чистого (без примесей) агара.
Обнаружено, что при облучении мишеней из агара мощными рентгеновскими импульсами как от внешнего, так и от внутреннего, пространственно распределенного источника скорость переноса энергии в пористой среде в несколько раз выше, чем при ее облучении непосредственно лазерным пучком. Определена скорость радиационной волны, ответственной за перенос энергии в облучаемой рентгеновским излучением пористой среде. При средней начальной плотности среды 1 о «мг/см эта скорость составляет (3−5)х10 см/с.
И в заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность М. И. Пергаменту и Н. Г. Ковальскому за конкретную помощь и содействие в проведении исследований, а также за участие в обсуждении полученных результатов, ценные советы и критические замечания, Р. И. Мустафину за обеспечение материально-технических условий для проведения экспериментов, А. И. Ярославскому, при активной поддержке которого начиналась эта работа.
Хочу выразить свою искреннюю признательность и благодарность моим коллегам по проведению экспериментальных исследований на установке «Мишень»: А. Ю. Гольцову, И. Н. Бурдонскому, Е. В. Жужукало, В. Н. Кондрашову, В. М. Петрякову, А. Э. Бугрову и А. И. Сорокину. Без их постоянного участия в обсуждении постановки экспериментов, обеспечении работы лазерной установки и диагностической аппаратуры, обработке и анализе полученных данных, без их помощи и поддержки выполнение настоящей работы было бы, конечно же, просто невозможно. Большое спасибо В. Г. Николаевскому и сотрудникам его группы за обеспечение устойчивого функционирования энергокомплекса установки «Мишень». На определенном этапе проведения работы большая помощь в проведении экспериментальных исследований была оказана В. А. Болотиным и C.B. Завяльцем, за что я им также благодарен. Спасибо В. И. Кузнецовой за постоянно оказывавшуюся техническую помощь.
Слова благодарности хочу высказать и сотрудникам лаборатории исследования эмиссии плазмы, помогавших мне на отдельных этапах в проведении исследований: Б. Н. Миронову, Е. А. Додонову, И. А. Каргину, С. А. Климашенко, Д. С. Котельникову, И. И. Круглову, A.B. Пояркову, М. Ю. Садкову, A.C. Скрябину, П. М. Сусле, Н. В. Тороховой, В. Н. Харламову, И. И. Чернодеду, В. О. Честнову, И. К. Фасахову. Особенно признателен O.JI. Дедовой и C.B. Ильиной за их активное участие в обработке экспериментальных данных и оформлении иллюстраций. Спасибо также Т. Н. Буряковой, М. А. Патовиной и М. В. Кузнецовой за оказанную техническую помощь.
Я благодарен С. Ф. Медовщикову за изготовление малоплотных мишеней из агара, а В. А. Барсуку — за их тестирование.
Спасибо за проведение расчетно-теоретических исследований бывшим сотрудникам ТРИНИТИ JI.A. Болыпову и А. И. Юдину.
Мне приятно поблагодарить за плодотворное сотрудничество ученых из других научно-исследовательских институтов:
A.Х. Пергамент и коллектив сотрудников, работающих под ее руководством (Институт прикладной математики РАН им. М. В. Келдыша, г. Москва) — JT.C. Мхитарьяна и A.B. Сеника (Всероссийский федеральный ядерный центр Институт экспериментальной физики, г. Саров);
B.Б. Розанова, С. Ю. Гуськова, Г. А. Вергунову, A.C. Шиканова, A.A. Рупасова, М. О. Кошевого, Ю. А. Меркульева, А. И. Громова и Н. Г. Борисенко (Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, г. Москва);
Г. С. Романова, Б. Н. Базылева и В. И. Толкача (Институт теплои массообмена АНБ, г. Минск);
Ю.И. Кожунова (НИИИТ, г. Москва);
А.Я. Фаенова и Б. А. Брюнеткина (ВНИИФТРИ, г. Москва).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
