Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследования свойств плазмы 15
1.1 Использование направленных электромагнитных волн для исследования свойств электронной подсистемы плазмы . 17
1.2 Зависимость отражательной способности плазмы от электронной плотности и частоты межчастичных столкновений . 23
1.3 Изучение плотной динамической плазмы 27
Глава 2 Методики генерации и исследования ударно-сжатой плазмы инертных газов 34
2.1 Методика генерации сильно-неидеальных плазменных состояний. Проверка однородности и одномерности плотности плазменного образования 37
2.2 Многоканальная лазерная система диагностики динамических плазменных объектов 45
2.3 Оптический блок приема отраженного от плазмы зондирующего излучения 52
2.4 Компьютерная система управления. Микроконтроллерная субсистема. Программное обеспечение 59
2.5 Проверка корректности работы системы диагностики ударно-сжатой плазмы 74
Глава 3 Исследование отражательных свойств неидеальной плазмы 77
3.1 Предварительный анализ пространственной структуры ио низирующей ударной волны 79
3.2 Измерение коэффициента отражения ударно-сжатой плазмы КСеНОНа С Применением ЗОНДИруЮЩеГО ИЗЛучеНИЯ С А,3онд. = 1064нм, 694 нм и 532нм 83
3.3 Анализ влияния переходного слоя на отражательные свойства ударно-сжатой плазмы 91
Заключение 105
Литература
- Зависимость отражательной способности плазмы от электронной плотности и частоты межчастичных столкновений
- Многоканальная лазерная система диагностики динамических плазменных объектов
- Компьютерная система управления. Микроконтроллерная субсистема. Программное обеспечение
- Предварительный анализ пространственной структуры ио низирующей ударной волны
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию отражательных свойств ударно-сжатой плазмы с сильным межчастичным взаимодействием, характеризуемым параметром кулоновской неидеальности вплоть до значений Г=(4жп^)те2/(4жгоквТ) ~ 2.
Актуальность тематики.
Неидеальная плазма представляет собой объект исследований, вызывающий большой интерес как с точки зрения фундаментальной науки, поскольку наиболее распространенное состояние вещества во Вселенной - это состояние с сильным межчастичным взаимодействием, так и с точки зрения практического использования в перспективных энергетических проектах и устройствах, таких как инерционный термоядерный синтез, МГД-генераторы, генераторы сжатых потоков, новые технологии обработки материалов и т.д. [1]. В настоящее время методы квантовой механики и статистической физики позволяют корректно описывать поведение среды, имеющей низкие или весьма высокие плотности вещества в случае, когда взаимодействие частиц не слишком велико и может учитываться в рамках формализма Дебая-Хюккеля или, квазиклассически, применением приближения Томаса-Ферми, соответственно. Строгое теоретическое описание поведения вещества с сильным межчастичным взаимодействием затруднено в связи с невозможностью использования идеологии теории возмущений в квантовомехани-ческой задаче многих тел из-за отсутствия малого параметра в такой неупорядоченной системе с электронной статистикой, промежуточной между ста-
тистиками Больцмана и Ферми. При этом прямое численное моделирование подобных систем также имеет весьма ограниченные возможности.
В этой ситуации результаты физических экспериментальных исследований приобретают особую ценность, играя роль критерия для определения точности и области применимости «упрощенных» теоретических моделей или используемые для выбора численных параметров функциональных зависимостей, описывающих поведение вещества в условиях сильного взаимодействия частиц и созданных на основе строгих асимптотических решений, справедливых для анализа слабонеидеальных состояний.
В числе способов экспериментального изучения свойств электронной подсистемы среды методы, основанные на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением, являются одними из важнейших. Изучение отклика среды на воздействие зондирующим электромагнитным излучением умеренной интенсивности позволяет получить информацию о транспортных свойствах плазмы, что имеет большое значение для понимания фундаментальных процессов в этой среде и, прежде всего, процессов столкновитель-ных, а также получать исходные данные для определения макроскопических характеристик исследуемой плазмы.
Цель диссертационной работы.
В число задач, планируемых для решения в рамках диссертационной работы, входило создание методики генерации динамических плазменных образований, находящихся в состоянии сильной неидеальности, пространственно-временные параметры которых соответствуют специфическим требованиям проблемы исследования их отражательных характеристик, а также разработка и реализация методики неискажающей диагностики подобных объектов направленным излучением оптического диапазона. Разработка указанных методик осуществлялась для достижения основной цели диссертационной работы - исследования отражательных свойств сильно-неидеальной
плазмы инертных газов при варьировании частоты зондирующего излучения и термодинамических параметров ударно-сжатого плазменного образования в широком диапазоне для получения информации о свойствах электронной подсистемы плотной плазмы и экспериментальной проверки существующих теоретических моделей, описывающих поведение вещества, находящегося в состоянии с сильным взаимодействием частиц.
Научная новизна работы.
В результате проведенных исследований была разработана и реализована методика генерации в лабораторных условиях ударно-сжатой плазмы с параметром кулоновской неидеальности до Г~2.2 при максимальном значении плотности носителей заряда до пе~1&2 см3. Для получения однородного, имеющего достаточную протяженность вдоль направления зондирования плазменного образования, был использован гидродинамический способ создания сильных ударных волн путем соударении металлического диска (ударника), разогнанного до гиперзвуковой скорости, и мишени (газовой кюветы) с последующими необратимым разогревом и столкновительной ионизацией инертного газа во фронте ударной волны, вошедшей в газовый объем. Надлежащий выбор геометрических параметров и материала ударника, базы разгона, а также материала и конструкции газовой кюветы позволил в режиме плоского однократного сжатия получать динамические плазменные образования хорошей повторяемости. Варьирование плотности и электронной концентрации плазмы достигалось изменением начального давления газа, значения которого составляли Ро=2+5.7 МПа.
Методика обеспечивает хорошую воспроизводимость термодинамических и пространственно-временных параметров плазменного образования, а также высокую степень его однородности и одномерности плотности, что крайне важно для выполнения качественной диагностики.
С целью исследования отражательных характеристик ударно-сжатых плазменных образований создана методика неискажающей импульсной диагностики динамических объектов с применением лазерного излучения. На основе использования разработанных методик впервые исследованы отражательные свойства сильно-неидеальной плазмы инертных газов в широком диапазоне оптического спектра при варьировании электронной концентрации среды в пределах пе:=10+21+10+22см'3 и получен массив коэффициентов отражения для спектрального интервала 532+1064 нм. Анализ экспериментальных данных позволил обнаружить характерные особенности отражательных свойств сильно-неидеальной плазмы указанных термодинамических параметров:
отсутствие резкого перехода из слабоотражающего состояния в состояние с высоким коэффициентом отражения в окрестности критической электронной концентрации,
большие значения коэффициента отражения плазменного образования, характерные для металлов, при концентрациях электронов, превышающих критическую плотность, что в условиях эксперимента свидетельствует о высокой проводимости плазмы,
сильную зависимость отражательных характеристик ударно-сжатой плазмы от частоты зондирующего поля.
Анализ вида экспериментальной зависимости коэффициента отражения плазмы от электронной концентрации позволил сделать оценку важнейшего параметра плазмы - частоты межчастичных столкновений.
На основе численного решения уравнения распространения зондирующего электромагнитного излучения в среде проанализировано влияние переходного слоя плазмы на ее отражательные свойства. Показано, что для описания всей совокупности экспериментальных данных на основе использования существующих моделей проводимости таких сред без привлечения дополнительных механизмов диссипации энергии необходимо допустить суще-
ствование переходного слоя, имеющего протяженность порядка -6-Ю"7 м, что превышает оценки сделанные с применением экстраполяции положений теории идеальной плазмы в область высоких плотностей.
Научная и практическая ценность.
В результате проведенных исследований отражательной способности ударно-сжатых плазменных образований получен массив коэффициентов отражения сильно-неидеальной плазмы для зондирующего излучения в интервале длин волн ХЗОНд=532+-1064 нм при вариации в широких пределах термодинамических параметров плазмы. Новые данные применены для корректировки существующих моделей высокочастотной проводимости плазмы и могут быть использованы в расчетах теплофизических свойств сред, находящихся в условиях сильного межчастичного взаимодействия.
Апробация результатов работы.
Основные результаты диссертационной работы представлены на научно-координационных сессиях «Исследования неидеальной плазмы» (Президиум РАН, Москва, 1998, 2002-2005 гг.) и на международных конференциях «Strongly Coupled Coulomb Systems» (Москва, 2005 г.), «Уравнения состояния вещества» (п. Эльбрус, Кабардино-Балкарская республика, 2002-2006 гг.)
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитированной литературы, содержит 117 страниц, включая 5 таблиц, 26 рисунков и 106 наименования цитируемой литературы.
Первая глава диссертации содержит обзор литературы по волновым методам исследования свойств плазмы. Развитие физики плазмы, наиболее интенсивно протекающее со второй половины прошлого столетия, сопровож-
далось развитием приемов диагностики плазменных объектов, среди которых методы исследования, основанные на взаимодействии с электромагнитными волнами, являются одними из важнейших. Достижения физики идеальной плазмы предоставляют возможность на основе многочисленных разновидностей волновых методов проводить успешную диагностику идеальной плазмы и надежно определять ее макроскопические параметры. Применение методов зондирования плазмы направленным излучением позволяет получать разнообразную информацию об электронной подсистеме плазменного образования: о распределении концентрации в пространстве и средней энергии электронов, частоте их столкновений с другими частицами и т.д.
Идея исследования плазмы с применением направленного электромагнитного излучения основана на регистрации параметров волны, претерпевшей изменения характеристик в результате взаимодействия с исследуемой средой. Эффективность данного метода особенно высока при частотах зондирующего поля по порядку величины близких к плазменной (ленгмюров-ской) частоте среды.
Следует отметить, что наибольшее развитие получили методы зонди-, рования плазмы направленными волнами в пространстве, свободном от высокочастотных устройств (названные методами «свободного пространства»), К настоящему моменту разработаны разнообразные способы определения параметров плазменного образования с помощью анализа излучения, возникшего в результате взаимодействия плазмы с зондирующей волной. Так, концентрацию носителей заряда и частоту столкновений частиц среды удается определить по фазе и амплитуде волны, прошедшей через плазменный объект. С помощью отраженных волн оказывается возможным исследовать коллективные движения частиц, определять пространственное распределение электронов плазмы.
Далее коротко описывается использование методов отражения, прохождения и рассеяния направленных электромагнитных волн в плазме.
Отражательные свойства плазмы зависят, главным образом, от концентрации электронов, которые формируют отклик среды на внешнее воздействие электромагнитной волной, и отношения величины частоты межчастичных столкновений к величине частоты зондирующего поля. В среде с большой частотой межчастичных столкновений (по сравнению с частотой воздействующего поля) увеличение концентрации электронов не приводит к резкому росту коэффициента отражения плазмы в области критического значения плотности носителей заряда. Представлена расчетная зависимость коэффициента отражения плазмы от нормированной электронной концентрации для случая резкой границы плазма - свободное пространство. Продемонстрировано изменение вида этой зависимости при возрастании роли межчастичных столкновений.
Далее описываются исследования транспортных свойств плотной плазмы методами лазерной диагностики. Применение результатов теории идеальной плазмы к плазменным объектам с высокой плотностью носителей заряда и, особенно, в случае, когда значение параметра кулоновской неидеальности превосходит величину Г-0.2, приводит к значительным расхождениям с экспериментальными данными. Построение физических моделей неидеальной плазмы, адекватно описывающих поведение среды в этих условиях, возможно только при корректном учете столкновительных процессов и, именно поэтому, исследования этих процессов в плотной плазме являются особенно актуальными.
Во второй главе описываются разработанные методики ударно-волновой генерации сильно-неидеальных плазменных состояний и диагностирования плотной динамической плазмы.
Созданная методика генерации в лабораторных условиях ударно-сжатой плазмы, позволяет получать плазменные образования с параметром
кулоновской неидеальности до Г~2.2 при максимальном значении плотности носителей заряда до 1022 см'3.
Для получения однородного, имеющего достаточную протяженность вдоль направления зондирования плазменного образования, был использован гидродинамический метод создания сильных ударных волн путем соударении металлического диска (ударника), разогнанного до гиперзвуковой скорости, и мишени (газовой кюветы) с последующими необратимым разогревом и столкновительной ионизацией инертного газа во фронте ударной волны, вошедшей в газовый объем. Тщательный подбор геометрических параметров и материала ударника, базы разгона, а также материала и конструкции газовой кюветы позволил в режиме плоского однократного сжатия получать динамические плазменные образования хорошей повторяемости.
Варьирование плотности и электронной концентрации плазмы достигалось изменением начального давления газа, значения которого составляли 2 -г 5.7 МПа.
Задача исследования отражательных свойств динамических коротко-живущих плазменных объектов, имеющих экстремальные термодинамические параметры: электронную концентрацию до ne ~ 1022 см"3, плотность плазмы до р ~ 3.8 г/см при давлениях до Р ~ 20 ГПа и параметре неидеальности до Г~2, приводит к необходимости использования импульсного метода зондирования, что определяется, прежде всего, требованием надежной идентификацией полезного сигнала на фоне мешающего излучения. Наличие интенсивного СОбсТВеННОГО ТеПЛОВОГО ИЗЛуЧеНИЯ ПЛОТНОЙ ПЛаЗМЫ (ТПЛазмы ~
3.3-104 К) предопределяет применение лазеров, как источников зондирующего излучения достаточной яркостной температуры.
Для исследования отражательных свойств динамической сильно-неидеальной плазмы инертных газов была разработана и реализована методика моноимпульсной диагностики, обеспечивающая неискажающие изме-
рения коэффициентов отражения короткоживущей движущейся плазмы на фоне ее собственного сильного теплового излучения.
Основу системы диагностики составляют А1гОз:Сг - (длина волны зон-дирующего излучения Лзонд. = 694 нм) и Y3AlsOi2:Nd +DKDP - (длина волны зондирующего излучения Лзонд. = 532 нм и Л30нд. = 1064 нм) лазерные блоки.
Третья глава посвящена изложению основных результатов исследования отражательных свойств сильно-неидеальной плазмы.
В числе приемов изучения свойств электронной подсистемы вещества методы, основанные на взаимодействии среды с электромагнитным излучением, являются важнейшими. В данной работе электронные свойства сильно-неидеальной плазмы исследуются на основе анализа отклика плазмы на воздействие электромагнитной волной умеренной интенсивности. Высокая концентрация носителей заряда в неидеальной плазме - пе~ 1022 см'3 - приводит к необходимости использования излучения оптического диапазона для исследования ее отражательных свойств.
В настоящей работе выполнено исследование отражательных свойств сильно-неидеальной ударно-сжатой плазмы инертных газов с применением лазерного излучения умеренной интенсивности, длина волны которого варьировалась в широких пределах - Л30Нд. = 532...1064нм.
В данной работе плотная плазма экстремальных термодинамических параметров создавалась ударно-волновым методом. На основе экстраполяции идеологии теории идеальной плазмы в область высоких плотностей выполнен предварительный анализ пространственной структуры ионизирующей ударной волны. Результаты расчетов позволяют сделать вывод о существовании трех характерных зон пространства, занимаемого плазменным образованием, которые могут оказать влияние на процесс распространения зондирующей электромагнитной волны и, следовательно, на значение измеряемого коэффициента отражения плазменного образования.
Показано, что зона предвестника ( зона {I}, см. рис.3.1.1 ) не оказывает существенного влияния на процесс измерения коэффициента отражения плазмы. Сделана оценка по порядку величины ширины фронта ударной волны, основанная на характерном времени релаксационно-ионизационных процессов в слое, связанном с фронтом ударной волны.
Далее описаны условия исследования отражательных свойств плотной плазмы ксенона и представлен массив значений коэффициента отражения,
ПОЛучеННЫЙ С Применением ЗОНДИруЮЩеГО ИЗЛуЧеНИЯ С Хзонд. - 1064 нм, 694
нм и 532 нм. Исследование отражательных характеристик плотной плазмы, имеющей электронную концентрацию до пе~ 1022 см'3 и параметр неидеальности до Г ~2 позволило обнаружить ряд особенностей в зависимости коэффициента отражения от электронной концентрации: это, прежде всего, отсутствие резкого перехода из слабоотражающего состояния в состояние с высокой отражающей способностью при возрастании концентрации носителей заряда, что говорит о высокой интенсивности диссипативных процессов в среде.
Сильная частотная зависимость отражательных свойств ударно-сжатой плазмы, обнаруженная экспериментально, может служить указанием на необходимость более корректного учета влияния слоя плазмы, непосредственно связанного с фронтом ударной волны.
Далее проводится анализ зависимости коэффициента отражения плазмы от параметров переходного слоя плазмы на основе численного решения волнового уравнения. Вычисления выполнены с использованием модели диэлектрической проницаемости среды, в которой использовалась как динамическая частота столкновений частиц среды, так и ее статический предел. Показано, что двухпараметрическая функция распределения электронной плотности переходного слоя на фронте ударной волны позволяет описать всю совокупность экспериментальных данных.
Исследование отражательных свойств ударно-сжатой сильно-неидеальной плазмы выполнено в лаборатории «Электромагнитные процессы в ударно-сжатом веществе» Института проблем химической физики РАН. Основные результаты работы опубликованы в [7-19] и докладывались на семинарах лаборатории, Ученом Совете Института проблем химической физики РАН, научно-координационных сессиях «Исследования неидеальной плазмы» (Президиум РАН, Москва) и международных конференциях.
Зависимость отражательной способности плазмы от электронной плотности и частоты межчастичных столкновений
Рассмотрим более подробно режим отражения электромагнитной волны от плазменного объекта в случае близости значений частоты зондирующего поля и плазменной частоты среды. Отражательные свойства плазмы существенным образом варьируются при изменении концентрации электронов, которые, главным образом, участвуют в формировании отклика плазмы на внешнее воздействие электромагнитной волной и отношения частоты столкновений частиц к частоте воздействующего поля. В случае отсутствия дополнительных возмущающих факторов режим отражения характеризуется малым общим углом индикатрисы отражения и величиной абсолютной интенсивности отраженного излучения, сравнимой с интенсивностью падающей на плазму волны. При этом угол максимальной интенсивности отраженного излучения соответствует условию зеркального отражения. Отражение зондирующей электромагнитной волны происходит от области пространства, занимаемого плазмой, в которой концентрация электронов превосходит критическую плотность для данной частоты воздействующего поля (см. формулу (1.1.3)).
Коэффициент отражения плазмы в зависимости от безразмерной электронной концентрации для разных значений частоты столкновений. На рис. 1.2.1 представлены расчетные зависимости коэффициента отражения (по интенсивности излучения) плазмы от безразмерной электронной плотности. Хорошо видно, что в среде с малой величиной частоты столкновений (по сравнению с частотой возмущающего поля) увеличение концентрации электронов приводит к резкому росту коэффициента отражения плазмы в области критического значения плотности носителей заряда. С повышением частоты столкновений частиц среды зависимость становится плавной.
Анализ вида функциональной зависимости коэффициента отражения среды от электронной плотности позволяется сделать оценку важнейшего параметра плазмы - частоты столкновений частиц среды. При концентрациях электронов, превышающих критическую плотность носителей заряда, коэффициент отражения практически равен 1 и информацию об электронных свойствах плазмы можно получить по относительной фазе отраженной волны. Применение результатов теории идеальной плазмы к плазменным объектам с высокой плотностью носителей заряда и, особенно, в случае, когда значение параметра кулоновскои неидеальности превосходит величину Г 0.2, приводит к значительным расхождениям с экспериментальными данными. Одной из основных причин этих расхождений является то обстоятельство, что выводы теории идеальной плазмы получены в предположении о наличии большого числа частиц в сфере дебаевского экранирования и слабости межчастичных столкновений с рассеянием на малые углы, в то время как, в неидеальной плазме экранирование происходит на расстояниях, сравнимых со средним межчастичным расстоянием (т.е. дебаевская сфера формально содержит менее одной частицы - десятые доли и менее) и взаимодействие частиц имеет характер короткодействующего с рассеянием на большие углы [62]. Таким образом, построение физических моделей неидеальной плазмы, адекватно описывающих поведения среды в этих условиях, возможно только при корректном учете столкновительных процессов и, именно поэтому, исследования этих процессов в плотной плазме являются особенно актуальными.
Для понимания столкновительных процессов в плотной плазме большое значение имеет изучение транспортных свойств такой среды: высокочастотной электрической проводимости и, связанных с ней, отражательных свойств плазмы. В 80-тые годы прошлого столетия появляются методики исследования транспортных свойств плотной плазмы, основанные на использовании мощных лазеров с импульсом излучения наносекундной длительности и выходной мощностью 1014 Вт.
Типичная схема исследования сводилась к следующему: облучение металлической мишени мощным лазерным импульсом приводило к появлению ударной волны в образце. При этом выход на поверхность раздела металл-вакуум фронта ударной волны приводил к расширению образовавшейся плазмы и последовательному переходу ее через требуемые состояния. Для диагностики плазменного образования использовался второй, синхронно работающий лазер, позволяющий измерять коэффициент отражения. Процесс анализировался с использованием одномерного гидродинамического кода и моделей высокочастотной проводимости плазмы. В ходе исследований, проводимых по указанной схеме, обнаружилось, что воздействие нано- и пико-секундных импульсов на плазму сопровождается эффектом светоиндуциро-ванной неустойчивости последней, что, в конечном счете, приводит к появлению больших градиентов плотности плазмы и значительно осложняет интерпретацию результатов эксперимента.
Многоканальная лазерная система диагностики динамических плазменных объектов
Задача исследования отражательных свойств динамических коротко-живущих плазменных объектов, имеющих экстремальные термодинамические параметры: электронную концентрацию до пе 1022 см 3, плотность плазмы до р 3.8 г/см при давлениях до Р 20 ГПа и параметре неидеальности до Г 2, приводит к необходимости использования импульсного метода зондирования, что определяется, прежде всего, требованием надежной идентификации полезного сигнала на фоне мешающего излучения. Интенсивное собственное тепловое излучение плотной плазмы {Ттазмы 3.3-104 К) предопределяет применение лазеров, как источников зондирующего излучения достаточной яркостной температуры. Кроме этого, малая расходимость излучения лазера в сочетании с применением асферической оптики позволяет относительно легко решить задачу формирования в области плазменной мишени зондирующего поля требуемых пространственных параметров.
Для исследования отражательных свойств динамической сильно-неидеальной плазмы инертных газов была разработана и реализована методика моноимпульсной диагностики, обеспечивающая неискажающие измерения коэффициентов отражения короткоживущей движущейся плазмы инертных газов на фоне ее собственного сильного теплового излучения.
Основу системы диагностики (рис.2.2.1) составляют А120з:Сг3+ - (длина волны зондирующего излучения Я = 694 им) и Y3Al5Oi2:Nd3++DKDP - (длина волны зондирующего излучения Л = 532 нм и Л = 1064 нм) лазерные блоки. Кроме этого, для обеспечения процесса исследования ударно-сжатых плазменных объектов стенд диагностики имеет следующие блоки и системы: - оптический блок ввода зондирующего излучения в специальную камеру, в которой устанавливается взрывной генератор прямоугольных импульсов давления с термостатированной газовой ячейкой; - оптический блок приема отраженного от плазмы лазерного излучения и компенсации перекосов фронта ударной волны; - аппаратуру регистрации параметров отраженной от плазмы электромагнитной волны, включающую быстродействующие широкоапертурные фотодетекторы с блоком спектральной фильтрации входящего излучения, спектрограф, РСО- камеру и цифровые осциллографы; - субсистему наполнения газовой ячейки исследуемым газом и поддержания начальных параметров газа на заданном уровне; - систему инициации и синхронизации взрывного генератора прямоугольных импульсов давления; - компьютерную систему управления стендом диагностики с высоко-скоростным блоком синхронизации .
. Для точной синхронизации с исследуемым процессом резонатор лазера оснащен электрооптическим затвором Поккельса. С целью достижения минимальной расходимости зондирующего излучения и устранения значительных вариаций распределения интенсивности поля зондирующего излучения в плоскости взаимодействия с фронтом ударной волны резонатор лазера оптимизирован для работы на низшей поперечной моде ТЕМоо- Кроме этого, для дополнительной коррекции расходимости зондирующего излучения применяется телескопический блок, построенный с использованием асферических элементов. Формирование импульса зондирующего излучения с Л30нд. = 1064 нм и Дзонд. = 532 нм осуществляется двухкаскадным YsAlsO Nd - лазером, оснащенным генератором второй гармоники.
В резонатор задающего каскада YsAlsO Nd - лазера введен чет-верть-волновый затвор Поккельса, модулирующий добротность и обеспечивающий генерацию моноимпульса излучения с Я30нд, = 1064 нм длительностью -2-Ю 8 с. С целью улучшения пространственных характеристик зондирующего излучения работа каскада также организована на низшей поперечной моде ТЕМоо- Для этого используется внутрирезонаторная диафрагма диаметром 3.5 мм.
Для получения необходимого уровня мощности одномодовое по поперечным индексам излучение задающего генератора дополнительно усиливается в однопроходном усилительном каскаде на YsAlsO Nd34", имеющим коэффициент усиления равный 4. Согласование апертур задающего генератора и усилительного каскада выполняется телескопом, установленным на входе усилителя и имеющим коэффициент увеличения равный 2.
Формирование зондирующего излучения с длиной волны Л30Нд. = 532 нм осуществляется преобразованием излучения задающего каскада во вторую гармонику. Для этого излучение усилительного каскада на УзА150і2 .Ш3+ поступает на вход генератора второй гармоники, имеющего в качестве нелинейного элемента монокристалл дидейтерофосфата калия (DKDP), и частично преобразуется в волну с Я = 532 нм. Выходное излучение преобразователя содержит две компоненты (с длиной волны Я = 1064 нм и Я = 532 нм), для разделения которых применено 45-ти градусное параметрическое зеркало. Зеркало имеет многослойное интерференционное покрытие, обеспечивающее коэффициент пропускания для волны с Я = 532 нм не более 1.5% и не менее 85% для волны с Я = 1064 нм.
Компьютерная система управления. Микроконтроллерная субсистема. Программное обеспечение
Для управления комплексом лазерной диагностики ударно-сжатой плазмы инертных газов и оптимизации процесса регистрации измеряемых физических величин была создана компьютерная система и разработано необходимое программное обеспечение, включающее набор соответствующих драйверов устройств, микрокодов периферийных микроконтроллеров и графический интерфейс пользователя.
Необходимость наличия компьютерной системы управления была продиктована требованием оптимального и адаптивного управления многочисленным оборудованием, используемым в динамическом эксперименте: двумя импульсными лазерами с соответствующими блоками накачки активных элементов и управления электрооптическими затворами, приборами регистрации временного изменения отраженного от плазмы излучения и записи его динамических спектров, блоком управления и синхронизации взрывного генератора ударных волн, системой газонапуска и термостатирования газовой кюветы, а также вспомогательным оборудованием. Применение компьютерной системы управления, включающей аппаратные средства и программое обеспечение, значительно повысило процент успешных опытов и, в конечном счете, привело к снижению ошибки измерения коэффициента отражения ударно-сжатой плазмы.
Система управления состоит из: - центрального процессора, позволяющего задавать режимы работы периферийных устройств и отображающего текущее состояние системы диагностики в целом, - диспетчера командно-информационной сети, - блока управления А1203:Сг3+ лазера, - высокоскоростного блока коррекции величины задержки включения затвора Поккельса, - блока управления Y3Al50i2:Nd лазера, - блока инициирования генератора ударных волн, - высокоскоростного блока однобитовых команд, - блока термостатирования газовой кюветы, - блока системы газонапуска, - блока управления приборами регистрации лазерного излучения, - блока тестовых испытаний. Центральный процессор и периферийные микроконтроллеры объединены в командно-информационную сеть. Распределение ресурсов сети и буферизацию потоков данных осуществляет диспетчер сети. На рис. 2.4.1 представлена общая схема компьютерной системы управления. Связь центрального процессора и диспетчера сети осуществляется с использованием последовательного интерфейса RS232. Работа организована в дуплексном режиме. Выбор типа интерфейса определили требования максимально допустимого времени реакции системы на критические сообщения периферийных устройств (и, следовательно, к минимальной скорости передачи) и необходимой длины линии связи.
Соединение сетевого диспетчера и периферийных микроконтроллеров также осуществляется посредством экранированных витых пар (за исключением микропроцессоров, расположенных в непосредственной близости от диспетчера). Скорость передачи составляет 1 Мбит/сек. На рис. 2.4.2 представлена схема подключения микроконтроллеров периферийных устройств к командно-информационной шине. Для согласования линии передачи используются два терминальных резистора, которые установлены на концах линии. Номинал согласующих резисторов тщательно подбирался с учетом реальной формы импульсов передачи данных для обеспечения режима отсутствия отражений сигнала от концов шины.
Основные блоки лазерного стенда диагностики ударно-сжатой плазмы имеют микроконтроллерную субсистему управления, построенную с использованием быстродействующих 8-ми разрядных RISC-микроконтроллеров фирмы ATMEL. Особенностью данных микроконтроллеров является наличие ядра, имеющего AVR-архитектуру, мощный набор инструкций (до 133 инструкций) и выполняющего большинство инструкций за один машинный цикл, что позволяет строить эффективные алгоритмы реального времени. Кроме того, наличие встроенных аппаратных средств программных прерываний, позволяет реализовать гибкие алгоритмы управления.
Для эффективного автономного управления в режиме реального времени все блоки контроля периферийных устройств оснащены процессорами, которые имеют уникальный микрокод. При разработке микропрограмм особое внимание было уделено надежности системы управления. Микрокод каждого процессора имеет унифицированную и уникальную части, отвечающую специфическим требованиям конкретного устройства. Стандартная часть кода включает модули, ответственные за обмен с центральным процессором, осуществляющие инициацию и тестирование оборудования при включении, а также программные блоки, выполняющие проверку внутренних ресурсов процессора (флэш-память программы и данных, ОЗУ, ЕЕПРОМ-память данных), которая производится с использованием CRC-алгоритма обнаружения ошибок. Кроме этого, микроконтроллер производит постоянную проверку исправности оборудования и результат теста передает в первом байте пакета обмена с центральным процессором.
Предварительный анализ пространственной структуры ио низирующей ударной волны
В нашем исследовании плазма создавалась ударно-волновым методом за счет ударной ионизации во фронте волны, вошедшей в газовый объем. Анализ пространственной структуры ионизирующей ударной волны показывает, что существуют три характерные области пространства, занимаемого плазменным образованием, которые могут оказывать влияние на процесс распространения зондирующей электромагнитной волны и, таким образом, влиять на значение коэффициента отражения плазменного образования. Сделаем оценки этого влияния.
Наличие сильно разогретого слоя плазмы ( Т 30000 К ) за фронтом ударной волны приводит к прогреву невозмущенного газа перед фронтом в зоне {I}. Оценка максимальной температуры, до которой может прогреться газ в зоне {1} в результате поглощения теплового излучения зоны {II}, приводит к выражению [2,3] где а - постоянная Стефана-Больцмана, Т - температура плазмы в зоне {II}, R - универсальная газовая постоянная, p0 - плотность невозмущенного газа, D - скорость ударной волны, А - атомный вес.
Даже в случае полного поглощения теплового излучения зоны {II} и использования всей поглощенной энергии на ионизацию газа зоны {1} максимальная плотность электронов в этой зоне не может превышать значение „ «Zl«io W3 (3-1-2) е DI где / - потенциал ионизации ксенона. Используя эту оценку максимальной плотности электронов в зоне {1} и соотношение Бибермана-Нормана для коэффициента поглощения в среде, имеем K-«1(T3(W (3.1.3) Полученное значение коэффициента поглощения, очевидно, слишком мало, чтобы слой {1} мог оказать заметное воздействие на распространение зондирующего излучения. Таким образом, влиянием зоны {1} на процесс зондирования плазмы в условиях нашего исследования можно пренебречь. Протяженность зоны {II} определяется суммой ионизационно-релаксационных процессов, протекающих в этой области пространства. d = {D-u)YJtij , (3.1.4) где и - массовая скорость, Ту - характерное время і-j процесса. В условиях нашего исследования характерное время ион-ионной и электрон-ионной релаксаций не превышает следующих значений [2,3] і з ЛІТІ г„.= V Ю псек (3.1.5) " 8.8.10"2Z4iVlnA з 2.5 -102 AT2 1Л.„ п],л т„ = = к\Оисек , (3.1.6) " JVZ2 In Л где In Л - кулоновский логарифм, А - атомный вес. Протяженность зоны {И} зависит от скорости ионизации ксенона, основной механизм которой сводится к электронному удару. Начальная электронная плотность возникает как следствие атом-атомных столкновений -процесса относительно медленного. Экстраполяция данных [2] в область высоких плотностей дает оценку таа \0 юсек (3.1.7) При достижении степени ионизации 10 5..10 3 «включается» механизм ионизации электронным ударом, характерное время которого Tg= -к Ю 12 сек , (3.1.8) NaaeUe(- + 2)eW 83 где je - эффективное сечение ионизации электронным ударом, ие - средняя тепловая скорость электронов. Приведенные выше оценки дают окончательное значение протяженности переходного слоя плазменного образования d 1(Г7 м (3.1.9) Таким образом, использование экстраполяции положений теории идеальной плазмы в область высоких плотностей носителей заряда позволяет получить оценку (3.1.9) ширины переходного слоя плазменного образования, которая делает возможным использование в первом приближении формул Френеля для вычисления коэффициента отражения исследуемой плазмы.
Исследование влияния термодинамических характеристик сильно-неидеальной плазмы на ее отражательные свойства было выполнено с использованием зондирующего излучения с энергией фотона Eph = 1.17 эв (длина волны зондирующего излучения Лзонд, = 1064 нм, критическая электронная концентрация псе - 1.0-10 21 см 3), Eph = 1.79 эв (Л30нд, = 694 нм, псе = 2.3-10+21 см 3) и Eph = 2.33 эв ( Л30нд. = 532 нм, псе = 3.9-10+21 см 3). В результате проведенных исследований получен массив коэффициентов отражения плотной плазмы ксенона, соответствующий изменению ее электронной концентрации в диапазоне пе = 1.1 + 9.1-1021 см"3 (co/coi = 0.65 -гЗ.1, здесь й)р = (пее /є0те) - плазменная частота и сої - частота зондирующего излучения). Измерение коэффициентов отражения сильно-неидеальной плазмы выполнено при вариации ее плотности в пределах р 0.27 + 3.84 г/см3, давлениях Р 0.93 + 16.7 ГПа и температурах до Т 3.3-104 К. Параметр кулоновской неидеальности изменялся в пределах Г=е (4mJ3) /4жє0квТ 0.87-Т-2. При этом фактор вырождения оставался в пределах 0=kBT/EF 7.1+1.6 (EF- энергия Ферми).
Для исследования отражательных свойств плазмы применялось линейно-поляризованное лазерное излучение при нормальных углах падения зондирующей волны на плазму. Интенсивность зондирующего излучения в области плазменного образования составляла не более 104 Вт/см2. Степень влияния зондирующего излучения на отражательные характеристики плазмы была оценена в специальной серии экспериментов, в которых регистрировался коэффициент отражения ударно-сжатой плазмы и его временной ход в течение действия зондирующего импульса при варьировании мощности падающего на плазму излучения. Результаты экспериментов подтвердили неис-кажающий характер диагностики. Было установлено, что в пределах погрешности измерения имеется постоянство значений коэффициентов отражения плазмы.
Величина коэффициента отражения плазмы для конкретного набора термодинамических параметров определялась в результате проведения серии экспериментов, состоящей из восьми опытов. Из полученных значений коэффициента отражения отбрасывались максимальное и минимальное, а остальные использовались для вычисления среднего и определения погрешности измерения. В таблицах 3.2.1, 3.2.2 и 3.2.3 представлен массив коэффициентов отражения сильно-неидеальной невырожденной частично ионизованной плазмы для трех значений длины волны зондирующего излучения.
Сопоставление экспериментальных точек и расчетных кривых позволяет сделать оценку частоты столкновений частиц в исследуемой плазме. Процедура подбора значения частоты столкновений, позволяющего построить расчетные зависимости, наилучшим образом согласующиеся со всем набором экспериментальных точек, приводит к величине v 2.8-1015 сек"1. Приведенные графики хорошо иллюстрируют основные обнаруженные особенности изменения отражательных свойств сильно-неидеальной плазмы при варьировании концентрации электронов: отсутствие резкого перехода из слабоотражающего состояния в состояние с высоким коэффициентом отражения в окрестности критической электронной концентрации и наличие высокой («металлической») отражающей способности плазмы при концентрациях электронов, превышающих критическую, что в условиях эксперимента свидетельствует о высокопроводящем состоянии плазменного образования.
На рис.3.2.4 также показан ряд расчетных зависимостей коэффициента отражения плазмы от электронной концентрации, полученных в предположении отсутствия влияния переходного слоя ударно-сжатого плазменного образования на процесс распространения зондирующей волны: - графики 1, 4 и 6 - расчет с использованием формул Френеля-Друде для фиксированного значения частоты межчастичных столкновений, равного частоте зондирующего поля у=а 3онд. и длин волн зондирования ЛЗОНд=10б4 нм, Л30нд=б94 нм и Лз0„д=532 нм, соответственно, - графики 2 и 3 - расчет с использованием данных [102] по статической электропроводности ударно-сжатого ксенона для Лзонд=1064 нм.
