Введение к работе
Актуальность проблемы
Развитие лазерной техники привело в настоящее время к созданию мощных лазеров с длительностью импульса порядка десятков фемтосекунд и интенсивностью излечения в фокальном пятне порядка гигатераватт на квадратный сантиметр, с потоками энергии порядка сотен мегаджоулей на квадратный сантиметр, объемной концентрацией световой энергии, превышающей тераджоуль в кубическом сантиметре, что открыло качественно новый этап развития физики взаимодействия излучения с веществом.
Принципиально новые возможности исследования такого взаимодействия связаны, во-первых, с тем, что напряженность электрического поля в падающем на вещество излучении в сотни раз превышает напряженности внутриатомных полей и, во-вторых, в тем, что длительность воздействия меньше характерных атомных времен. За это время не успевает развиться плазменная корона, что приводит к уникальной возможности исключения экранирующего действия плазмы в классическом ее понимании. Возникает новое понятие - фемтосекундная лазерная плазма; образующийся в результате туннельной ионизации (частота которой на несколько порядков превышает плазменную) свободный электронный континуум совместно с практически неподвижными ионами представляет собой релятивистскую металлизированную плазму.
Исследование такой лазерной плазмы является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.
Фундаментальные исследования в этой области имеют очень широкий диапазон, обусловленный разнообразием и сложностью процессов, в т.ч. атомных и ядерных, в релятивистской сверхплотной плазме. Такая плазма - уникальный объект исследований, представляет интерес как источник сверхсильных электромагнитных полей, как источник релятивистских частиц, как среда для рентгеновского лазера, как среда, обеспечивающая экстремальные условия воздействия на вещество - атомы и молекулы. Последнее связано с направлением, разрабатывающим перспективы использования сверхкоротких импульсов для решения проблемы управля-
емого ядерного синтеза. Сверхкороткоимпульсные лазерные системы, сравнительно недорогие, компактные, работающие с большой частотой повторения импульсов, обеспечивают интенсивности излучения, превосходящие характеристики установок мегаджоуль-ного уровня, создаваемых для управляемого термоядерного синтеза.
Актуальность исследований коллективных процессов (неустойчивостей) в лазерной плазме связана также с возможностью моделирования как астрофизических объектов, так и техногенных процессов атомной и ядерной физики. Развитие лазерной техники и связанные с этим темпы освоения новых диапазонов интенсивности воздействия электромагнитной энергии на вещество побуждает уже сейчас исследователей на разработку экспериментальных схем по проверке основных положений квантовой электродинамики.
Несмотря на то, что в настоящее время в значительной мере осознаны перспективы исследований фемтосекундной лазерной плазмы с точки зрения фундаментальной физики и разнообразных приложений, в этой области, связанной с освоением гигантских световых интенсивностей в сочетании с длительностью воздействия много меньше периода релаксационных процессов в атоме, с полным основанием можно рассчитывать на принципиально новые идеи, результаты, применения. Цель работы
Целью проводившихся около десяти лет работ являлось создание модели взаимодействия с веществом интенсивного (более 1016 Вт/см2) сверхкороткоимпульсного (время воздействия менее 1 пи-косекунды) лазерного излучения, основным отличием которой от известных ранее является учет воздействия образованной при этом лазерной плазмы на атомные и ядерные структуры вещества, а также создание экспериментальной базы для проверки основных положений построенной модели.
В ходе работы решались следующие задачи:
-
Развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.
-
Создание экспериментальной базы для исследования взаи-
модействия с веществом высокоинтенсивного сверхкороткоим-пульсного лазерного излучения.
-
Отработка методик проведения экспериментов по направлению исследований с целью корректировки на основе полученных данных разработок теории.
-
Поиск предложений по практическому применению полученных результатов.
Перечисленные задачи являются содержанием решаемой диссертацией научной проблемы - исследования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, которая имеет важное народнохозяйственное значение, связанное с перспективой разработки принципиально новых наукоемких технологий в атомной промышленности и энергетике. Перспективы таких разработок обусловлены использованием существенно новых диапазонов параметров электромагнитного излучения, с освоением управляемого его воздействия на атомы и ядра. Научная новизна диссертации
1. В развитии теории лазерной плазмы, образованной воздействием высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного изл\чения на вещество впервые получены следующие результаты:
аналитически исследованы особенности развития в лазерной плазме коллективных явлений - неустойчивостей вейбелевского типа с учетом полевых ионизационных процессов. Показано, что их роль с ростом интенсивности лазерного излучения становится определяющей для скорости развития коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме;
найдено, что энергия и темп коллективного ускорения в лазерной плазме малой группы частиц - электронов определяются частотой ионизации атомов в сильных электромагнитных полях, индуцируемых в плазме. Отсюда следуют высокие значения энергии (> 50 МэВ) и темпа ускорения (> 10 МэВ/фсек) малой группы частиц с концентрацией п\/п0 ~ 10:
показано, что процесс ионизации атомов в лазерной плазме в рассматриваемых условиях описывается уравнением диффузии с коэффициентом диффузии D ~ tijme и носит характер ионизацио-
оного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов;
коллективный процесс структурной перестройки электронных оболочек атомов в лазерной плазме рассмотрен на масштабах развитой вейбелевской неустойчивости (~ 10"8 см) в условиях образования на этих масштабах энергетически выгодных атомных структур с обобщенными электронными оболочками;
показано с нахождением критериальных условий, что воздействие индуцируемых в лазерной плазме магнитных полей на атомные электроны приводит в зависимости от направлений их спинов либо к туннельной ионизации, либо к коллапсированию электронов к ядру;
показано, что уже при существующих параметрах лазерного излучения индуцируемые в лазерной плазме магнитные поля достаточны чтобы вызвать процесс нелинейного волнового коллапса электронных оболочек атомов и, как следствие этого, сильного воздействия на ядро;
на основе квантовомеханической модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, описаны коллективные процессы внутренней и внешней конверсии - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы. Показано, что учет структуры ядра позволяет объяснить самосогласованным образом процесс ионизации, в т.ч. процесс образования конверсионных электронов.
-
Разработан и создан комплекс лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы -стендовая база для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.
-
Предложены, созданы и отработаны методики проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных. На основе этих методик проведены серии экспериментов по воздействию интенсивного (> 10 Вт/см2) лазерного излучения на вещество и исследованию характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высо-
коэнергетичных потоков (> 200 кэВ) и др. Практическая значимость результатов исследований
Представленное развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме позволяет объяснить и получить основные характеристики физических процессов в лазерной плазме с учетом взаимного влияния плазменных и атомно-ядерных процессов.
С прикладной точки зрения главный итог диссертации связан с открывающимися возможностями реализации экспериментальных исследований с отработкой новых технологий в атомной и ядерной физике, в т.ч. в области управляемого ядерного синтеза, искусственно стимулированной радиоактивности ядер, создания высокоэффективных ускорителей частиц, синтеза элементов и веществ.
Созданная стендовая база, оснащенная лазерами тераваттного уровня мощности и комплексом аппаратуры для физических исследований позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых ключевых технологий, связанных с показанной в работе возможностью реализации электромагнитного стимулирования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Внедрение результатов работы
Результаты развития теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме легли в обоснование направления работ, развиваемых во ВНИИЭФ (Арзамас-16) и в основу программы исследований с участием ведущих физических институтов и организаций России.
Результаты по разработке и созданию лазерной стендовой базы использованы при определении облика лазерного стенда ВНИИЭФ, создаваемого для проведения исследований по электромагнитному стимулированию атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Апробация работы.
Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в МГУ, ИОФРАН, ФИАН, ВНИИЭФ.
Кроме того, основные результаты работы докладывались на международных конференциях:
"Оптика лазеров", Санкт-Петербург, 1993 (три доклада);
"Lasers'92", Houston, USA, 1992;
"Lasers'93", Lake-Tahoe, USA, 1992;
21 International Conference on Plasma Science, "ICOPS'94", Santa Fe, USA, 1994;
"Lasers'94", Quebec, Canada, 1994;
"Lasers'95", Charleston, USA, 1995;
24 European Conference on Laser Interaction with Matter, Madrid, Spain, 1996 (два доклада);
5 International Workshop on Laser Physics (LPHYS'96), Москва, 1996.
На защиту выносятся:
1. Результаты развития теории коллективных процессов в ла
зерной плазме - неустойчивостей вейбелевского типа с учетом тун
нельной ионизации, определение основных параметров указанных
неустойчивостей - масштабов, спектра, инкремента нарастания,
связанных с параметрами создающего плазму лазерного излучения
при интенсивностях J>1016Bt/cm2, длительности импульса т< 10"12
сек.
-
Теоретические расчеты энергии и темпа коллективного ускорения в лазерной плазме малой группы частиц - электронов, механизм которого определяется частотой туннельной ионизации и обеспечивает высокие значения энергии (> 50 МэВ) и темпа ускорения (> 10 МэВ/фсек) малой группы частиц с относительной концентрацией П\1щ ~ 10"5.
-
Теоретическое описание процесса ионизации в лазерной плазме в рассматриваемых условиях (J> 1016 Вт/см2, т< 10'12 сек) на основе уравнения диффузии с коэффициентом диффузии D ~ fi/me как процесса, носящего характер ионизационного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов.
-
Теоретическое рассмотрение коллективного процесса структурной перестройки электронных оболочек атомов в лазерной пла-
зме на масштабах развитой вейбелевской неустойчивости (~ 10" см) в условиях образования на этих масштабах энергетически выгодных атомных структур с обобщенными электронными оболочками.
5. Нахождение критериальных условий нелинейного волново
го коллапса электронных оболочек атомов в лазерной плазме и, как
следствие этого, сильного воздействия на ядра.
-
Теоретическое рассмотрение на основе квантовомехани-ческой модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, коллективных процессов внутренней и внешней конверсии - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы.
-
Разработка и создание комплекса лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы - стендовой базы для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.
-
Создание и отработка методик проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных.
-
Основные результаты экспериментальных исследований по воздействию интенсивного (> 10 Вт/см") лазерного излучения на вещество и характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высокоэнергетичных потоков (> 200 КэВ).
Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию
Выбор направления в целом, постановка задач и способов их решения, а также основные научно-технические принципы работы, обобщение результатов, формулировка выводов, представленных к защите, принадлежат автору.
Автором были выработаны принципиальные идеи реализации стендовой экспериментальной базы и методология экспериментов. Он руководил экспериментами и участвовал в них сам или совместно с сотрудниками предприятий - участников кооперации
исполнителей выполняемых исследований проводил работы по созданию стендовой базы, ее отработке и затем экспериментов.
Теоретические исследования неустойчивостей в лазерной плазме были выполнены совместно с профессором В.И.Арефьевым. В создании стендовой базы принимали участие сотрудники Института лазерной физики Государственного оптического института (г.С.-Петербург), Московского госуниверситета, Института физики Беларуси, Вильнюсского госуниверситета, Новосибирского госуниверситета, Института сильноточной электроники СО РАН (г.Томск).
В проведении циклов экспериментальных исследований принимали участие сотрудники Физического энергетического института (г.Обнинск), Института общей физики РАН, Московского госуниверситета, ГНЦ ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений.
Особая роль в реализации идей автора принадлежит сотрудникам отдела ЦНИИМАШ, руководимого автором.
Всем участникам работы автор выражает свою искреннюю признательность.
