Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования . 16
1.1 Перспективные мишени ЛТС. 18
1.2 Поглощение и трансформация энергии в малоплотпом веществе при облучении мощным лазерным пучком . 23
1.3 Перенос энергии в малоплотном веществе при облучении мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. 27
1.4 Постановка задачи исследования. 33
Глава II. Экспериментальная установка. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. Диагностическая аппаратура . 36
2.1 Лазерная система. 36
2.2 Камеры взаимодействия и диагностический комплекс. 41
2.2.1 Диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением . 50
2.3 Мишени. 56
Глава III. Перенос энергии в гетерогенных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами . 60
3.1 Исследования переноса энергии в пористых мишенях с низким атомным номером . 61
3.1.1 Перенос энергии в направлении вдоль лазерного пучка. 61
3.1.2 Перенос энергии в направлении перпендикулярном греющему лазерному импульсу. 68
3.2 Перенос энергии в малоплотных пористых мишенях, содержащих вещества с высоким атомным номером . 78
3.3 Обсуждение экспериментальных результатов. 93
Выводы. 100
Глава IV. Особенности поглощения и трансформации энергии при облучении гетерогенных мишеней мощным лазерным пучком . 103
4.1 Измерение рентгеноспсктральньши методами параметров высокотемпературной плазмы в пористых мишенях. 104
4.2 Эксперименты по облучению мощным лазерным пучком тонких органических пленок и каскадных пленочных мишеней . 111
4.3 Обсуждение экспериментальных результатов. 117
Выводы. 127
Заключение. 129
Список литературы. 134
- Поглощение и трансформация энергии в малоплотпом веществе при облучении мощным лазерным пучком
- Диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением
- Перенос энергии в малоплотных пористых мишенях, содержащих вещества с высоким атомным номером
- Эксперименты по облучению мощным лазерным пучком тонких органических пленок и каскадных пленочных мишеней
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям особенностей поглощения, трансформации и переноса энергии при взаимодействии мощных импульсов - лазерного- -и> рентгеновского излучения с малоплотными пористыми средами.
Интерес к подобным исследованиям впервые проявился в научном сообществе, занимающемся проблемой лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), в процессе поиска способов обеспечить за счет конструкции мишеней эффективное выравнивание пеоднородностей в распределении давления на поверхности ускоряемой оболочки термоядерной мишени и реализовать симметричное сжатие термоядерного топлива. В настоящее время существует достаточно хорошее понимание основных физических процессов, протекающих при облучении термоядерных мишеней мощными лазерными импульсами, сформулированы основные требования к параметрам лазерного излучения [1, 2, 3] и количеству лазерных пучков, разработаны конструкции мишеней для демонстрационного эксперимента. Начато строительство установок, на которых планируется продемонстрировать эффективный поджиг термоядерного топлива [4, 5]. Стоимость реализации проектов очень высока, поэтому ведутся поиски альтернативных схем демонстрационного эксперимента по зажиганию термоядерного топлива, в том числе поиски новых конструкций мишеней, которые могли бы позволить снизить требования к энергии лазерной системы, либо провести демонстрационный эксперимент по зажиганию термоядерной реакции с большим запасом качества. Так, в настоящее время предложен ряд конструкций перспективных мишеней на основе использования материалов с плотностью в 100 — 1000 раз меньше твердотельной плотности [10, 11], которые позволяют существенно снизить требования к качеству лазерного излучения и энергии лазерной системы, а, следовательно, к стоимости всей установки вцелом. Численные расчеты мишеней типа «лазерный парник», в конструкциях которых используются малоплотные материалы, показали, что возможно достижение зажигания термоядерного топлива при энергии лазерного импульса в 5—10 раз меньшей, чем в случае использования традиционных оболочечных мишеней [12, 13]. При этом однородность облучения оказывается вполне удовлетворительной для обеспечения устойчивого сжатия, достаточного для зажигания термоядерного топлива [14],
Использование малоплотных материалов представляется перспективным и в схеме ЛТС с непрямым воздействием лазерных пучков на термоядерную мишень, которая предполагает предварительную конверсию лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов на внутренней поверхности контейнера (хольраума), содержащего термоядерную капсулу. В этом способе покрытие внутренней поверхности хольраума слоем малоплотной среды могло бы, и принципе, привести к сдерживанию движения рентгеновских источников за счет противодавления плазмы, образующейся из вещества пониженной плотности, что и обеспечит высокую симметрию облучения и сжатия термоядерного топлива [3, 9].
Малоплотные пористые среды могут также найти успешное применение при создании лазерно-плазменных источников когерентного излучения в рентгеновской области спектра. Достижение оптимальных значений температуры и плотности высокотемпературной плазмы с многозарядными ионами, являющейся активной средой для таких источников, возможно за счет выбора средней плотности пористого вещества и энергии греющего лазерного излучения [15]. При этом, в случае применения малоплотных сред, появляется возможность независимо управлять температурой и плотностью плазмы в достаточно широких пределах, в отличие от плазмы, возникающей при облучении веществ твердотельной плотности, где эти параметры связаны друг с другом и меняются самосогласованно.
В настоящее время разработаны технологии изготовления малоплотных пористых материалов на основе органических соединений со средней плотностью в диапазоне 0.5 - 100 мг/см3 (агар, вспененный полистирол, аэрогели). Исследованы способы внесения добавок различных веществ в объём малоплотного образца [16].
Появляются и новые предложения по применению в облучаемых мишенях малоплотных материалов. Так, например, проводятся эксперименты по моделированию астрофизических явлений в лабораторных условиях, в которых используются уникальные свойства сред с пониженной плотностью, основанные на возможности управлять параметрами высокотемпературной плазмы за счет выбора состава и конструкции мишеней [17-19].
Большой интерес для исследования радиационного механизма переноса энергии представляют эксперименты по облучению малоплотных образцов с объемными добавками веществ с высоким атомным номером. Возможность внесения в малоплоплотную среду добавок веществ с высоким атомным номером приводит к появлению новых схем ЛТС сочетающих особенности подходов как прямого, так и непрямого облучения оболочечных мишеней. Так, например, рассматриваются ЛТС мишени, в которых на поверхность термоядерной капсулы нанесен слой материала пониженной плотности с объёмными добавками золота, работающий как конвертер энергии лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов [20, 21].
Уже первые эксперименты по исследованию взаимодействия мощных лазерных импульсов с малоплотными средами показали способность этих материалов эффективно поглощать энергию лазерных пучков, причем поглощение в этих средах носило объемный характер с образованием в облучаемой среде протяженной (сотни микрон) области высокотемпературной плазмы [22-24]. Были разработаны упрощенные теоретические модели процессов поглощения лазерного излучения в пористой среде [22, 25]. Предложен способ создания мощного источника нейтронов, основанного на облучении вещества пониженной плотности содержащего DT топливо [27, 28].
Использование малоплотных сред в конструкциях мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами, выглядит многообещающим и в таких областях, как низкоэнтропийное ускорение вещества, а также исследование свойств и поведения веществ при динамических нагрузках в мегабарном диапазоне давлений. Наконец, изучение всего многообразия новых эффектов, которые уже обнаружены в экспериментах по взаимодействию мощных лазерных пучков со средами пониженной плотности, представляет интерес и с точки зрения фундаментальных исследований по физике плотной высокотемпературной плазмы.
Основными направлениями исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными гетерогенными средами, связанными с практическим использованием этих материалов в различных областях науки и техники, являются: - изучение особенностей взаимодействия лазерного излучения с пористыми веществами различной микроструктуры с учетом обратно-тормозного механизма поглощения, а также нелинейных процессов поглощения и рассеяния в образующейся плазме (распадные неустойчивости, ВРМБ, ВКР и т.д.). исследование механизмов переноса энергии в малоплотных гетерогенных материалах, в том числе и с добавками из элементов с различным значением атомного номера при разных способах воздействия на мишень (облучение лазерными пучками или рентгеновскими импульсами). разработка теоретической модели и создание программ численных расчетов, адекватно описывающих взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами. непосредственная экспериментальная проверка предсказанных специфических эффектов, обусловленных использованием малоплотных пористых материалов в перспективных мишенях ЛТС.
На момент постановки задачи исследований, которым посвящена настоящая работа, был накоплен значительный объем экспериментальных результатов по взаимодействию мощных лазерных и рентгеновских импульсов с малоплотными средами, полученных на различных установках, а также были предложены упрощенные теоретические модели. Было показано, что лазерное излучение эффективно поглощается в мишени из малоплотного пористого вещества и размер области поглощения составляет сотни микрон вдоль направления лазерного пучка. Поглощенная энергия эффективно переносится в пористом веществе со скоростью близкой к скорости звука в образующейся плазме. Внесение в объем малоплотной мишени добавок веществ с высоким атомным номером, а также облучение мишени лазерным пучком с предварительной конверсией лазерного излучения в рентгеновское, позволяет увеличить эффективность переноса энергии за счет дополнительного вклада механизма радиационной тепловой волны.
Вместе с тем, ряд важных вопросов оставался не изученным. Среди них можно выделить следующие: специфические особенности поглощения, трансформации и переноса энергии при облучении мощными лазерными и рентгеновскими импульсами пористых сред с различной внутренней структурой (беспорядочно распределенные тонкие волокна — агар и регулярная квазипериодическая среда — вспененный полистирол); свойства неравновесной плазмы, образующейся в пористом веществе, и процесс ее гомогенизации; перенос энергии в малоплотном образце на ранних этапах облучения и динамика формирования области энерговыделения в пористой мишени; перенос энергии в малоплотном веществе в направлении перпендикулярном направлению греющего лазерного пучка и возможность выравнивания давления на тыльной поверхности пористой мишени.
Именно эти вопросы явились предметом исследования данной диссертации,
Осуществление намеченной программы потребовало развития диагностических методов, основанных на регистрации рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы с высоким пространственным и временным разрешением, привлечения рентгеноспектральных диагностик, обеспечивающих высокое спектральное разрешение, а также использования в экспериментах целого ряда взаимодополняющих диагностических методов для правильной интерпретации полученных результатов.
В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований процессов поглощения трансформации и переноса энергии при облучении мишеней с плотностью 1-10 мг/см мощными
11 I 4 Т (1~10 -10 Вт/см ) лазерными и рентгеновским импульсами. Эксперименты проводились в Троицком Институте Инновационных и Термоядерных Исследований на установке «Мишень».
Автор защищает следующие результаты:
Определена ионная температура плазмы, генерируемой при лазерном облучении мишеней из малоплотных пористых материалов. При облучении мишеней из агара с плотностью 2 мг/см мощным лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , А, = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Tj образующейся плазмы составила -1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.
Показано, что в малоплотных гетерогенных средах, (р = 1 - 10 мг/см ) облучаемых мощным лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , А,= 1.054 мкм), обратно-тормозной механизм поглощения энергии лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.
Установлено, что при облучении малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3) мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см , X = 1.054 мкм) скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии (Те = 0.3-1 кэВ) определяется средней плотностью пористой среды, структурными особенностями вещества и слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (лазерным пучком или рентгеновским импульсом), а также от наличия в мишени объемно-распределенных примесей элементов с высоким атомным номером.
Экспериментальные результаты, полученные при облучении мощным лазерным пучком (1-Ю Вт/см, X = 1.054 мкм) малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3), содержащих вещества с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды) свидетельствуют о преднагреве вещества перед высокотемпературным фронтом волны переноса энергии, вызванном рентгеновским излучением плазмы.
Экспериментально продемонстрировано, что при облучении мишеней из агара с плотностью р = 2 мг/см3 толщиной 300 мкм її /у мощным лазерным пучком (1-10 Вт/см , X = 1.054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей с масштабом <300 мкм в распределении давления на тыльной поверхности мишени.
Научная новизна и практическая значимость представленных исследований состоят в следующем.
В работе проведены комплексные исследования переноса энергии в малоплотных пористых материалах с плотностью 1-10 мг/см3, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами, с использованием набора взаимодополняющих диагностических методов, основанных на регистрации излучения плазмы в видимом и рентгеновском диапазоне длин волн с высоким пространственным и временным разрешением, а также метода многокадрового теневого фотографирования плазмы. Впервые определена температура ионов в плазме, образующейся из малоплотного пористого вещества, и обнаружено, что на стадии развитой гомогенизации плазма находится в неравновесном состоянии с преимущественно нагретым ионным компонентом. Использование этого свойства плазмы, генерируемой при лазерном облучении малоплотного вещества, может быть полезно для решения целого ряда научно-технических задач, например, для создания мощного источника нейтронов. Продемонстрированный в работе эффект сглаживания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности мишени пониженной плотности, облучаемой мощным лазерным пучком показывает перспективность использования таких материалов в качестве компонента мишеней ЛТС. В работе впервые обнаружено, что скорость переноса энергии в среде, имеющей регулярную квазипериодическую внутреннюю структуру, оказывается значительно выше, чем в средах типа «агар», что позволяет улучшить эффективность переноса энергии, и делает эти среды более привлекательными для целого ряда практических применений. Проведенные эксперименты показали возможность контролируемого управления параметрами лазерно-плазменных источников рентгеновского излучения (протяженность, спектральный состав излучения) путем использования в конструкциях мишеней малоплотных гетерогенных сред. Развитая в рамках настоящей работы диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением позволяет изучать гидродинамику высокотемпературной лазерной плазмы в самых разнообразных постановках задачи исследования и совместно с другими диагностическими методами получать информацию об основных физических процессах протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом.
Структура и краткое содержание диссертации
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе представлен обзор литературы по проблеме взаимодействия мощных лазерных пучков с малоплотными средами; проведен анализ результатов экспериментальных исследований процессов переноса энергии в мишенях пониженной плотности, полученных разными научными коллективами; рассмотрены основные положения упрощенной теоретической модели, описывающей перенос энергии в малоплотном веществе; обсуждается возможность применения пористых сред в качестве компонента перспективных мишеней ЛТС; перечислены различные механизмы, которые могут быть ответственными за перенос энергии в мишенях пониженной плотности при различных параметрах мишеней и условиях облучения; рассмотрены процессы поглощения и трансформации энергии в плазме пористого вещества; сформулированы задачи исследований.
Во второй главе приведено описание мощной лазерной установки «Мишень» и совокупности диагностических методов, использовавшихся в экспериментах. Основное внимание уделяется рентгеновским методам диагностики плазмы с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Описаны методы настройки и калибровки диагностической аппаратуры. Представлены типичные результаты, полученные при помощи различных диагностических методов. Приведено описание мишеней, использовавшихся в экспериментах.
В третей главе представлены результаты экспериментального исследования процессов переноса энергии в малоплотных пористых средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. Исследуется перенос энергии в пористом веществе в направлении перпендикулярном греющему лазерному пучку и эффект выравнивания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности малоплотной мишени. Представлены результаты экспериментов, в которых изучались особенности переноса зігергии в пористой мишени, содержащей материалы с высоким атомным номером, при конверсии лазерного излучения в рентгеновское. На основе анализа совокупности экспериментальных результатов выявлен доминирующий механизм переноса энергии при облучении различных типов мишеней, облучаемых мощным лазерным пучком. Приведены основные выводы.
В четвертой главе описывается постановка экперимента по измерению рентгеноспектральными методами температуры ионов плазмы, образующейся при облучении пористого вещества. Представлены экспериментальные результаты, полученные в экспериментах по облучению тонких лавсановых пленок и каскадных пленочных мишеней. Проведен сравнительный анализ гидродинамических процессов плазмы в малоплотных пористых средах и каскадных пленочных мишенях. На основе совокупности экспериментальных результатов обсуждается роль гидродинамических процессов в плазме при поглощении, трансформации и переносе энергии в малоплотных пористых средах, облучаемых мощным лазерным пучком. Приведены основные выводы.
В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы и обоснована их практическая значимость.
Материалы диссертации докладывались на: XXVI, XXVII, XXVIII, XXIX, XXXI Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -99, -00,-01,-02,-04); First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 12-17 September 1999, Bordeaux, France;
26-th European Conference on Laser Interaction with Matter, 12-16 June 2000, Prague, Czech Republic; Second International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan; Workshop on High Energy Density in Matter (Hersheg, Austria, 2001);
28-th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Madeira Techpololo, Funchal, Portugal, 18-22 June 2001;
IV Харитоновские тематические научные чтения. Международная конференция (г. Саров, Россия, -02);
Ежегодная конференция МФТИ (2000 г.); а также на научных семинарах Отделения Магнитных и Оптических исследований (ОМОЙ), ГНЦ РФ ТРИНИТИ.
Поглощение и трансформация энергии в малоплотпом веществе при облучении мощным лазерным пучком
Комплексные исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотным пористым веществом проводились на установке «Мишень» [22]. Отличительной особенностью этих исследований является использование в экспериментах мишеней с наиболее низкой на сегодняшний день плотностью 1-10 мг/см (агар, CnHigOy). Обобщая результаты экспериментальных исследований, авторы предложили следующий сценарий событий, происходящих при поглощении мощного лазерного пучка в малоплотной мишени.
При интенсивных потоках лазерного излучения ( 1012 Вт/см2), в пористом материале происходит нагрев твердотельных элементов структуры и разлет образовавшейся плазмы в поры вещества. В частности, при облучении мишени, в которой плотность электронов ниже критической плотности лазерное излучение первоначально проникает в среду на длину геометрической прозрачности, затем, когда нагретые элементы структуры разгрузятся до критической плотности, излучение проникает в среду на длину обратно-тормозного поглощения в плазме: где A, Z - атомный номер и заряд ионов плазмы, А, - длина волны лазерного излучения (в мкм), Т — температура электронов (в кэВ), р -плотность плазмы (в г/см ). Таким образом, проникновение лазерного излучение в малоплотную среду обеспечивает распределение источников энергии в направлении лазерного пучка. После того, когда полное внутреннее испарение твердых элементов структуры произойдет, длина на которой будет происходить поглощение энергии лазера, зависит только от температуры плазмы. Экспериментальные исследования на установке «Мишень» и «ABC» [22, 26] действительно показали, что лазерное излучение эффективно поглощается в пористых мишенях (80-90% от энергии лазерного пучка), причем поглощение носит объемный характер. Размер области поглощения составляет сотни микрон и зависит от плотности пористой среды [22]. Интегральная во времени электронная температура плазмы в области поглощения, измеренная методом фильтров при облучении световым потоком с интенсивностью 1 10ы Вт/см2 составила 0.8 - 1 кэВ.
Протяженная область плазмы при облучении световыми потоками с интенсивностью 1 10 Вт/см способствует развитию в ней различного рода аномальных процессов, таких как ВРМБ, ВКР, параметрические распадные неустойчивости, которые могут приводить к нежелательным последствиям для использования пористых сред в ЛТС-мишепях (уменьшение коэффициента поглощения лазерного излучения, генерация быстрых частиц и т. д.). Эксперименты на установке «Мишень», в которых измерялись энергия и спектр излучения, рассеянного в апертуру фокусирующей линзы, показали, что при плотности светового потока —10 Вт/см доля рассеиваемой энергии составляет 5-6% от энергии лазерного импульса как в случае облучения пористых мишеней, так и при облучении мишеней из лавсана твердотельной плотности [22]. Такие же результаты относительно доли рассеянного плазмой излучения были получены и в экспериментах в Рочестерском университете [51]. Важным обстоятельством является тот факт, что среда с плотностью в несколько раз превышающей критическую плотность (около 3 мг/см3 для длины волны лазерного излучения X = 1.054 мкм) способна также эффективно поглощать лазерную энергию, как среда с «докритической» плотностью. Кроме того, при облучении мишеней с плотностью ниже критической рассеянное плазмой излучение в апертуру фокусирующей линзы на частоте второй гармоники лазерного излучения регистрировалось па протяжении всего лазерного импульса. Это свидетельствует о существовании в плазме, образующейся из пористого вещества, долгоживущих областей с плотностью близкой к критической плотности. Таким образом, на протяжении всего лазерного импульса ( 3 не) плазма малоплотного вещества неоднородна и содержит области с плотностью как больше, так и меньше критической, благодаря чему, по-видимому, и возможно эффективное поглощение энергии при облучении мишеней со «сверхкритической» начальной средней плотностью.
Оценка размера области поглощения в мишенях с плотностью выше критической в соответствии с формулой (1.2.1) требует дополнительных сведений о степени неоднородности плазмы в области поглощения. Дополнительная экспериментальная информация о степени неоднородности плазмы требуется и для уточнения теоретической оценки размеров области поглощения в мишенях с плотностью ниже критической (формула 1.2.1).
Модель поглощения мощного лазерного излучения в пористой объёмно-структурированной среде, основанная на понятии «гидротепловой диссипации», разработана в Физическом институте имени ГГ. Н Лебедева [25, 28]. Согласно этой модели гомогенизация вещества в процессе облучения малоплотной мишени происходит в два этапа. Первый - быстрый этап длится с начала облучения вплоть до столкновения плазменных потоков в порах вещества. Его длительность определяется скоростью разлета элементов структуры и средним расстоянием между ними.
Диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением
В экспериментах использовались плоские пористые мишени из агара (С Н Ос,),, и вспененного полистирола с плотностью 1-10 мг/см , а также многослойные мишени, в которых на облучаемую, тыльную или обе поверхности низкоплотного вещества наносились покрытия различной толщины из различных материалов. Важно отметить существенные отличия внутренней структуры агара от внутренней структуры вспененного полистирола. Агар представляет собой гетерогенную среду, состоящую из хаотически расположенных нитей твердотельной плотности диаметром 1-3 мкм и длиной 10-50 мкм. Среднее расстояние между нитями составляет 10-50 мкм. Технология изготовления мишеней из агара разработана С.Ф.Медовщиковым и С.Л.Недосеевым в ТРИНИТИ. Вспененный полистирол также является гетерогенной средой, состоящей из органических пленок, однако, в отличие от агара, имеет регулярную квазипериодическую структуру (Рис.2.14.). Технология изготовления мишеней из вспененного полистирола разработана в Физическом институте имени П. Н. Лебедева.
Схематическое изображение типов применявшихся в экспериментах мишеней представлено на Рис.2.15. Диагностическая фольга (Al, h = 1.5 мкм) на тыльной поверхности мишени использовалась для визуализации выхода на тыльную поверхность облучаемого пористого слоя волны переноса энергии. Для изучения динамики плазмы малоплотного вещества при облучении мишеней мощным рентгеновским излучением применялись мишени, на облучаемой поверхности которых был установлен рентгеновский конвертер в виде тонкой медной или золотой фольги с толщиной 0.1 - 0.2 мкм (Си) и 0.03 - 0.04 мкм (Аи) соответственно. Именно при таких толщинах фольг коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в проходящий поток рентгеновского излучения максимален. Для исследования переноса энергии в пористых мишенях в условиях преобладания механизма радиационной тепловой волны применялись мишени, в которые в качестве примеси вносилась соль СиСЬ. Плотность примесей варьировалась в диапазоне 25 - 50% от суммарной плотности пористого вещества. Технология ИЗГОТОВЛЄЕІИЯ подобного рода мишеней позволяет добиться практически равномерного распределения меди по объему малоплотного вещества. Кроме того, оказалось, что помимо специально вносимых в объем мишени примесей, пористая среда содержит добавки других веществ, обнаружить которые возможно только спектральными методами. Содержание в мишени таких микродобавок позволило исследовать параметры плазмы пористого вещества рентгсноспектральными методами. Наконец, для моделирования процессов гидродинамики плазмы в гетерогенной среде проводились эксперименты по облучению тонких (1-3 мкм) пленок из лавсана и каскадных мишеней, представляющих собой несколько лавсановых фольг, разделенных зазором 100 - 300 мкм.
В настоящей главе представлены результаты экспериментальных исследований переноса энергии в малоплотных гетерогенных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. Основные измерения были сделаны при помощи трех взаимодополняющих диагностических методов. Регистрация рентгеновского излучения плазмы (в диапазоне энергии квантов 0.3-1.5 кэВ) с пространственно-временным разрешением позволяла исследовать динамику формирования области высокотемпературной плазмы уже на ранних этапах облучения. Измерение свечения тыльной поверхности мишени в видимом диапазоне длин волн (400-700 нм) с пространственно-временным разрешением давало информацию о моменте выхода волны переноса энергии из объема малоплотного слоя и о пространственной структуре области энерговыделения в этот момент времени в направлении перпендикулярном лазерному пучку. Наконец, многокадровое теневое фотографирование позволяло исследовать динамику ускорения вещества на тыльной поверхности мишени после окончания действия лазерного импульса, оценивать давление на тыльной поверхности малоплотного образца и эффективность переноса энергии в пористой среде, а также определять распределение давления вдоль координаты параллельной поверхности мишени.
В первом разделе главы представлены экспериментальные результаты исследований переноса энергии в малоплотных гетерогенных средах с низким атомным номером, облучаемых мощным лазерным импульсом. Изучался перенос энергии как в направлении вдоль лазерного пучка, так и в перпендикулярном направлении. Исследовалась эффективность выравнивания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности малоплотной гетерогенной мишени облучаемой двумя лазерными пучками, сфокусированными в близко расположенные пятна на облучаемой поверхности (см. Главу II).
Во втором разделе представлены результаты серии экспериментов по изучению переноса энергии в пористых мишенях при конверсии лазерного излучения в рентгеновское как на облучаемой поверхности мишени при использовании рентгеновского конвертера, так и в объеме малоплотной среды при облучении мишеней, содержащих добавки веществ с высоким атомным номером.
В заключении представлен анализ совокупности полученных результатов, обсуждаются механизмы переноса энергии при облучении мишеней различных типов с разным способом воздействия на пористую среду, сформулированы основные выводы главы.
Перенос энергии в малоплотных пористых мишенях, содержащих вещества с высоким атомным номером
Такое же значение скорости переноса энергии было определено при помощи рентгеновского диагностического метода по углу наклона касательной к фронту эмиссии на эопограмме Рис.3.1. Метод определения скорости переноса энергии в пористой среде по временной задержке свечения тыльной поверхности мишени в опытах по облучению мишеней одной и той же средней плотности, но различной толщины, использовался нами и при регистрации излучения плазмы в видимом диапазоне длин волн (далее «оптический диагностический метод»). Так, например, на Рис. 3.3 представлены эопограммы, полученные при помощи оптической стрик-камеры при облучении мишеней из агара с одной и той же плотностью 10 мг/см , но с разной толщиной. Скорость переноса энергии в пористой среде с плотностью 10 мг/см , определяемая по этим эопограммам при помощи оптического диагностического метода составила - (5-6)-106 см/с.
Таким образом, скорости переноса энергии в пористых мишенях из агара с плотностью 1-10 мг/см , измеряемые оптическим и рентгеновским диагностическими методами в пределах точности измерений хорошо согласуются между собой. График на Рис, 3.19Л. иллюстрирует хорошее согласие зависимостей скоростей переноса энергии в малоплотной мишени с малым атомным номером (агар) от плотности пористой среды, полученных этими двумя методами.
На следующем рисунке (Рис. 3.4) представлены рентгеновские эопограммы, полученные при облучении мишеней из агара и вспененного полистирола с плотностью 10 мг/см3. Скорость переноса энергии в мишени из вспененного полистирола, определяемая по эопограмме Рис. 3.4 в, составила -1.7-10 см/с, что в 3-4 раза превышает скорость переноса энергии в пористой мишени из агара с такой же средней плотностью. Заметим, что скорость переноса энергии во вспененном полистироле с плотностью 10 мг/см3, определенная при помощи оптического диагностического метода, оказалась еще выше и составила 4-Ю7 см/с. На Рис. 3.5 представлены временные зависимости иптенсивности свечения в видимом диапазоне длин волн тыльных поверхностей мишеней при облучении образцов из агара и вспененного полистирола с плотностью 10 мг/см3 и толщиной 200 мкм. Тыльная поверхность мишени из вспененного полистирола начшіает светиться раньше, чем тыльная поверхность мишени из агара. друга. Распределение интенсивности излучения на поверхности мишени в этих экспериментах моделировало неоднородное распределение интенсивности лазерного пучка (с характерным размером неоднородности — 250 - 300 мкм). В экспериментах использовался набор диагностических методов, описанный нами в предыдущих разделах. Измерения рентгеновского излучения плазмы производились с тыльной стороны мишени с пространственным разрешением вдоль координатной оси, параллельной поверхности пористого образца и проходящей через «центры» сфокусированных пучков. Схема регистрации рентгеновского излучения плазмы с пространственно-временным разрешением в этой серии экспериментов представлена на Рис. 2.8 Б (Глава II).
Первичная информация о переносе энергии в направлении, перпендикулярном лазерному пучку была получена в результате регистрации распределения интенсивности рентгеновского излучения плазмы при помощи камер-обскур.
Так, например, на Рис. 3.6 представлены интегральные по времени изображения плазмы, полученные при облучении мишеней из агара со средней плотностью 4 мг/см3 и 1 мг/см3. Размер области высокотемпературной плазмы в направлении лазерного пучка зависит от плотности пористой среды и для мишени из агара с плотностью I мг/см составляет 500 мкм. В тоже время, размер области светящейся плазмы в направлении, перпендикулярном лазерному пучку от плотности пористой среды не зависит и практически совпадает с диаметром фокального пятна. Для пористых мишеней достаточно низкой плотности (1-2 мг/см3) наблюдается выраженная асимметрия размеров области высокотемпературной плазмы - ее вытянутость в направлении лазерного пучка.
Обратимся теперь к результатам экспериментов по облучению пористых мишеней двумя лазерными пучками. Ыа Рис. 3.7 представлены результаты регистрации рентгеновского излучения плазмы (интегральные по времени (А) и с временным разрешением (Б)) в опытах по облучению твердотельной мишени в виде медной фольги толщиной 0.2 мкм и пористой мишени из агара с плотностью 2 мг/см и толщиной -500 мкм.
Как легко видеть, в этих двух экспериментах структура области высокотемпературной плазмы (области энерговыделения) в мишени в направлении, перпендикулярном лазерным пучкам, существенно отличается. При облучении тонкой медной фольги размер и форма области высокотемпературной плазмы практически повторяет неоднородное распределение интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени. В случае же облучения малоплотной пористой мишени область высокотемпературной плазмы гораздо более однородна в направлении перпендикулярном лазерным пучкам.
Эксперименты по облучению мощным лазерным пучком тонких органических пленок и каскадных пленочных мишеней
Рассмотрим пространственную структуру области высокотемпературной плазмы в направлении перпендикулярном лазерным пучкам при облучении мишеней из агара и вспененного полистирола с плотностью 10 мг/см .
Как легко видеть, на эопограмме Рис. 3.10 а. размеры и форма области высокотемпературной плазмы (Те 0.6-1 кэВ) практически повторяют распределение интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени. Перенос энергии в направлении, перпендикулярном лазерным пучкам, ослаблен, по сравнению со случаем облучения мишени из агара с плотностью 2 мг/см3. Сглаживание пространственной неоднородности высокотемпературной плазмы в мишени не происходит. Аналогичный эффект наблюдается па эопограмме Рис. 3.10. в. К сожалению, в этом эксперименте лазерные пучки были несколько не сбалансированы по энергии, и отсутствие однородности нагрева вещества мишени менее выражено.
Таким образом, эффективность переноса энергии в направлении перпендикулярном лазерным пучкам, при облучении малоплотных: мишеней зависит от средней плотности пористой среды. Как показывают результаты регистрации рентгеновского излучения плазмы (в диапазоне энергии квантов 0.6-1 кэВ) с пространственно-временным разрешением, выравнивание неоднородности нагрева плазмы при облучении мишеней с плотностью 10 мг/см3 происходит хуже, чем при облучении мишеней с плотность 2 мг/см3.
Целью серии экспериментов, результаты которых представлены в этом разделе главы, было изучение возможности генерации сверхзвуковой радиационной тепловой волны и исследование механизмов переноса энергии при облучении мощным лазерным пучком (I 10 -10 Вт/см , X = 1.054 мкм) пористых мишеней, содержащих вещества с высоким атомным номером. Такие вещества могут содержаться либо на облучаемой поверхности малоплотного образца в виде тонкой фольги из меди или золота (толщина которой сравнима с абляционной толщиной), либо в объеме пористой мишени в виде однородно распределенных добавок в количестве 25 - 50% от массы малоплотного образца. При облучении мощным рентгеновским излучением мишени с твердотельной плотностью в ней формируется сверхзвуковая тепловая волна, распространяющаяся по еще невозмущенному веществу [61]. По мере увеличения массы нагретого вещества скорость тепловой волны уменьшается и ее догоняет и опережает ударная волна. В дальнейшем распространение тепловой волны в веществе происходит в абляционном дозвуковом режиме. Длительность фазы сверхзвукового распространения тепловой волны зависит от длины свободного пробега рентгеновских квантов, мощности греющего излучения, начальной плотности вещества и при облучении мишеней твердотельной плотности не превышает десятков пикосекупд [56]. Согласно оценкам, проделанным в работе [56] время существования сверхзвуковой тепловой волны зависит от плотности вещества как р" . Это означает, что при рентгеновском облучении пористых мишеней с плотностью в 100-1000 раз меньше твердотельной плотности можно в принципе сгенерировать сверхзвуковую тепловую волну, существующую в течении - 1-2 нс, которая обеспечит быстрый прогрев пористого слоя, что может способствовать эффективному выравниванию давления на тыльной поверхности мишени [55]. Экспериментальное исследование именно этих явлений и представлялось актуальным.
Рассмотрим результаты экспериментов по облучению пористых мишеней с рентгеновским конвертером на облучаемой поверхности. Заметим, что использованный нами рентгеновский конвертер в виде медной фольги толщиной 0.2 мкм, позволяет преобразовать энергию лазерного излучения в проходящий поток рентгеновского излучения с эффективностью около 5 - 8% [64]. При этом в диапазоне энергии квантов 0.6 - 1.2 кэВ содержится 60 - 70% энергии проходящего рентгеновского излучения, а в диапазоне 0.12 - 0.6 кэВ - около 30 - 40% проходящей энергии [64]. На Рис. 3.11 представлены рентгеновские эопограммы, полученные в экспериментах по облучению мишеней из агара с плотностью 1 мг/см с рентгеновским конвертером на облучаемой поверхности. Па эопограмме Рис.3.11 в, отчетливо видна белая вертикальная полоса — типичная особенность для таких измерений, связанная с поглощением рентгеновского излучения в холодной необлученной части конвертера при регистрации вдоль поверхности мишени. Как легко видеть, формирование протяженной области высокотемпературной плазмы в пористой мишени начинается уже на начальном этапе облучения, а перенос энергии в объем малоплотного вещества носит характер волнового фронта. Скорость переноса энергии, определенная по этим эопограммам составила (1.5-2)-107 см/с, что практически совпадает со скоростью переноса энергии в мишенях такой же плотности, по без рентгеновского конвертера на облучаемой поверхности (раздел 3.1.1).
