Введение к работе
Актуальность темы.
В экспериментах по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) объектом исследования является плотная, высокотемпературная, неравновесная плазма, в которой присутствуют ионы высокой кратности ионизации. Для лазерной плазмы характерен большой диапазон изменения, как плотности, так и температуры. Так, электронная плотность меняется от критической плотности nкр в области поглощения лазерного излучения до плотностей в десятки раз превышающих значения, соответствующие твердотельному дейтерию или тритию. Например, при длине волны облучающего лазерного излучения, равной 1.054 мкм (лазер на неодимовом стекле):
nкр » 1021 см-3; плотность в центральной сжимаемой части термоядерной мишени может превышать значение 1025 см-3 (плотность частиц жидкой D-T смеси равна 4.51022 см-3); плотность в плазме разлетающейся короны меняется от критической плотности до величин ~ 1018 см-3, еще представляющих интерес для целей рентгеновской диагностики и анализа физических процессов, протекающих при поглощении энергии лазерного пучка.
Электронная температура Te может меняться от 100 1000 эВ в плазменной короне до 10 20 кэВ в центральных частях мишени и в перегретых областях плазмы, обусловленных развитием различного рода неустойчивостей в процессе поглощения плазмой лазерного излучения.
При указанных выше параметрах плазмы, максимум ее излучения лежит в рентгеновском диапазоне длин волн, поэтому изучению рентгеновского излучения лазерной плазмы традиционно уделяется большое внимание. Рентгеновское излучение такой плазмы является важнейшим (а нередко и единственным) источником информации о таких параметрах плазмы, как:
Температура электронной и ионной компонент плазмы;
Плотность и ионизационный состав плазмы;
Пространственное распределение температуры и плотности плазмы и их эволюция во времени;
Наличие и параметры «надтепловой» компоненты электронов;
Рентгеновское излучение является также источником важной для атомной физики информации об электронной структуре многозарядных ионов. Кроме того, оно оказывает непосредственное влияние на формирование плазмы и ее динамику, участвует в процессах энергопереноса и энергобалансе процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом, поэтому рентгеновская диагностика позволяет исследовать:
механизмы поглощения лазерного излучения в плазме;
генерацию надтепловых электронов в процессе поглощения лазерного излучения;
однородность облучения мишени при использовании нескольких пучков;
равномерность движения ускоряемой части мишени;
развитие в процессе ускорения гидродинамических неустойчивостей;
процессы абляции оболочки мишени.
В настоящее время большой научный и практический интерес представляет исследование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с пористыми малоплотными (1100 мг/см3) средами, чему посвящена немалая часть представляемой работы. Применение таких материалов открывает широкие перспективы в развитии исследований по ЛТС, лабораторному моделированию астрофизических процессов и явлений, а также при экспериментальном изучении свойств и поведения веществ в экстремальных условиях. Малоплотные среды рассматриваются в настоящее время как весьма перспективные материалы для создания мощных источников рентгеновского излучения (когерентного и некогерентного), которые помимо физики могут иметь применение также и в других областях науки (например, в биологии) и техники (например, в рентгеновской литографии). Главное достоинство малоплотных пористых сред, объясняющее повышенный интерес к использованию их в экспериментах, состоит в возможности варьирования плотности, микроструктуры и химического состава облучаемого образца в широких пределах, что позволяет создавать плазму с кардинально различающимися заранее задаваемыми параметрами.
Весьма перспективным представляется применение малоплотных сред в качестве компонент термоядерных мишеней. Поглощение лазерного излучения в малоплотных средах носит объемный характер, за счет чего увеличивается доля энергии лазерного импульса, конвертируемая в тепловую энергию плазмы, по сравнению с энергией гидродинамического расширения плазмы навстречу лазерному пучку. При плотности образующейся плазмы, меньшей критического значения, и толщине слоя порядка характерной длины обратного тормозного поглощения, можно ожидать существенного выравнивания сжимающего термоядерное топливо давления, при облучении мишеней меньшим числом лазерных пучков.
Цели и задачи диссертационной работы.
Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование физических процессов, протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с мишенями из различных материалов (в том числе и малоплотных пористых сред), а также измерение параметров образующейся при этом плазмы. Для этого предполагалось развивать и совершенствовать рентгеновские методы диагностики плотной высокотемпературной плазмы, как в части эксперимента, так и в части математических аспектов обработки экспериментальных данных. Большое внимание было уделено повышению точности диагностических методов и исследованию факторов на нее влияющих. Немалые усилия были приложены к созданию обширных расчетных баз данных различного рода, облегчающих оперативную обработку экспериментальных данных и получение физических результатов.
Для достижения поставленных целей требовалось решить следующие задачи:
а) разработать, создать и внедрить аппаратуру для анализа рентгеновского излучения (в том числе с пространственным, спектральным и временным разрешением), позволяющую проводить как относительные, так и абсолютные измерения, а также (в последнем случае) средства для абсолютной калибровки аппаратуры;
б) провести систематические измерения зависимости конверсионной интенсивности от атомного номера материала мишени и микроструктуры образца для малоплотных мишеней;
в) рассмотреть влияние различных факторов (модель ионизационного состояния плазмы, наличие надтепловой компоненты в спектре непрерывного излучения и др.) на точность определения температуры плазмы сорбционным методом;
г) разработать и программно реализовать математические методы для восстановления объемных распределений температуры и плотности плазмы по двумерным рентгеновским изображениям (в том числе и для случая сильно несимметричных распределений);
д) разработать математический инструментарий для корректного восстановления по экспериментальным данным спектра рентгеновского континуума и функции распределения электронов по энергии;
е) разработать программное обеспечение для оперативного расчета: спектрального состава эмитируемого плазмой излучения; интегральных коэффициентов пропускания фильтров; оптимального подбора фильтров в соответствии с требованиями конкретного диагностического метода и спектральным составом рентгеновского излучения плазмы.
Научная новизна работы.
Проведены комплексные исследования процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с мишенями из малоплотных
(110 мг/см3) пористых материалов 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. Помимо хорошо изученных материалов (агар и вспененный полистирол) были исследованы особенности взаимодействия лазерного излучения с высокооднородными мишенями из триацетата целлюлозы (ТАЦ), имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов.
Установлено, что конверсионная эффективность для мишеней из пористых материалов существенно (в 2 3 раза) больше, чем для твердотельных мишеней близкого химического состава и зависит от микроструктуры образца – для мишеней из ТАЦ она на 20 30 % выше, чем для мишеней из агара и вспененного полистирола.
Обнаружено, что при облучении образцов из ТАЦ в статистически достоверном количестве случаев образуются крупномасштабные струйные образования, предложен механизм их появления.
Проведен детальный анализ различных факторов, влияющих на точность абсолютных рентгеновских измерений (в том числе ранее неизвестных или не учитываемых) и на точность сорбционного метода.
Предложен и реализован метод восстановления функции распределения электронов по энергиям, регуляризация решения в котором достигается нестандартным методом.
Практическая значимость работы.
Проведенные комплексные исследования процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с мишенями из малоплотных
пористых материалов показывают перспективность использования таких материалов в качестве компонента мишеней ЛТС.
Исследовано влияние на параметры и поведение образующейся плазмы плотности и микроструктуры пористых сред, а также наличия примесей с высоким Z. Это позволяет оптимизировать параметры мишени в зависимости от конкретных практических применений.
Проведенные с малоплотными средами эксперименты показали возможность варьирования в широких пределах параметров рентгеновского излучения лазерно-плазменных источников, что делает привлекательным использование таких сред для различных приложений, отличных от ЛТС.
Показано, что не учитываемые ранее источники погрешностей могут привести к ошибкам абсолютных рентгеновских измерений вплоть до порядка величины и к ошибкам измерения температуры плазмы сорбционным методом до нескольких сотен процентов.
Составлена обширная база данных по интегральным коэффициентам пропускания фильтров (для эмиссии из плазмы различного химического состава), что позволяет легко оптимизировать для конкретных целей параметры диагностической аппаратуры и повысить точность абсолютных измерений.
Широкий набор расчетных кривых позволяет оперативно определять параметры плазмы по непрерывному и линейчатому рентгеновскому излучению.
Защищаемые положения.
Созданные программные инструменты позволяют повысить точность измерений коэффициентов конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское. Для мишеней твердотельной плотности конверсия составляет: 23 % (мишени из органики), 57 % (мишени из алюминия) и 1025 % (мишени из материалов с большим Z: Y, Cu, Ni, Fe и др.).
Конверсионная эффективность для мишеней из пористых материалов в 2 3 раза больше, чем для твердотельных мишеней близкого химического состава и зависит от микроструктуры образца – для мишеней из триацетата целлюлозы (ТАЦ), имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов, она на 20 30 % выше, чем для мишеней из агара и вспененного полистирола.
При облучении образцов из ТАЦ в статистически достоверном количестве случаев возникают крупномасштабные струйные образования.
Тепловое переизлучение фильтров сильно влияет на показания термопарных рентгеновских калориметров, что учитывается рассчитанными корректирующими поправками.
Созданные модели и инструменты для вычисления интегральных коэффициентов пропускания произвольных фильтров и проведенный анализ источников ошибок и границ применимости используемых расчетных методов к конкретным условиям экспериментов на установке «Мишень», существенно повысили корректность измерений.
Созданные базы данных для расчета параметров плазмы по линейчатому излучению позволили использовать для измерений одновременно несколько спектральных линий, что существенно повысило достоверность получаемых результатов.
Реализованный метод восстановления функции распределения электронов по энергиям позволяет не прибегать к методу регуляризации Тихонова.
Разработанные и программно реализованные математические методы для восстановления по рентгеновским изображениям пространственных распределений температуры и плотности плазмы позволяют исследовать сложные структуры в плазменных образованиях.
Разработанная многоканальная система сбора информации с рентгеновских и оптических детекторов, включающая в себя 8-канальный АЦП с эффективным динамическим диапазоном 107 и 12-канальные стробируемые интеграторы с мультиплексорами, позволяет одновременно использовать до 96 разнотипных детекторов с длительностью сигнала от 1 мкс до 1 с.
Личный вклад автора.
Автором была сконструирована, изготовлена и внедрена в эксперимент эффективная многоканальная автоматизированная система сбора данных с рентгеновских и оптических датчиков различного типа. Была введена в действие аппаратура для измерений рентгеновского излучения с временным разрешением. Были разработаны коды для расчета ионизационного состава плазмы различного химического состава, спектров ее рентгеновского излучения и интегральных коэффициентов пропускания РИ различными фильтрами. Созданы широкие базы данных для определения параметров плазмы рентгеноспектральными методами.
Результаты, касающиеся взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами, получены в составе научно-исследовательского коллектива установки «Мишень» ГНЦ РФ ТРИНИТИ, где автор отвечал за калориметрическую часть измерений (и рентгеновских и оптических), обработку и анализ полученных с помощью рентгеновских диагностик данных (в том числе полученных со спектральным, временным и пространственным разрешением).
Апробация работы.
Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях:
Научно-техническая конференция молодых ученых «Проблемы преобразования энергии», Москва 1983;
IV Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986;
IV и VI Харитоновские тематические научные чтения. Международные конференции, Саров 2002 и 2006 г.г.;
XXIX, XXX, XXXI, XXXIII, XXXIV, XXXVI Звенигородские конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2002, 2003, 2004, 2006, 2007, 2009 г.г.);
30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., 7-11 July 2003, St. Petersburg;
XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter, Roma, Italy, 6-10 September, 2004;
29th European Conference on Laser Interaction with Matter (Madrid, Spain, June 11-16, 2006);
Fifth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications. September 9-14, 2007, Kobe, Japan;
XXX European Conference on Laser Interaction with Matter, Darmstadt, Germany, August 31-September 5, 2008;
VI International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA), 6-11 September 2009 (San-Francisсo, USA).
Публикации.
Основные материалы диссертации опубликованы в виде 18 статей в российских и международных научных журналах и сборниках, 2 препринтов, также в виде материалов и тезисов докладов перечисленных выше конференций.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, всего 203 страницы, 80 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 155 наименований.
