Введение к работе
1.1. Актуальность работы
Настоящая работа посвящена развитию спектроскопических методов исследования вещества, находящегося в экстремальных условиях - при сверхвысоких температурах и давлениях Такие условия осуществляются в астрофизических объектах В лаборатории они стали достижимыми с середины 60-х годов прошлого столетия благодаря развитию термоядерных исследований, лазерной и ускорительной техники Вещество (плазма), находящееся в экстремальных условиях, является ярким источником рентгеновского излучения, которое несет в себе информацию как о параметрах плазмы, так и о протекающих в ней физических процессах
Рентгеновская спектроскопия многозарядных ионов с середины прошлого века начала использоваться для изучения разреженной высокотемпературной плазмы солнечной короны или получаемой на установках с магнитным удержанием (см, например, [1-10]) В середине 60-х годов прошлого века становится очень актуальным новый лабораторный плазменный источник - лазерная плазма В отличие от астрофизической плазмы и плазмы токамаков, лазерная плазма обладает высокой плотностью, и для ее исследования потребовалось развитие и обобщение созданных ранее методов рентгеноспектральной диагностики Это было сделано в 1960-80Х годах в работах ряда исследователей, среди которых следует отметить теоретические работы, выполненные в Физическом институте им П Н Лебедева группами Л А Вайнштейна и А В Виноградова, в Институте спектроскопии группой У И Сафроновой и экспериментальные работы группы В.А Бойко (см, например, [11-14])
Развитие лазерной техники и других методов создания плазмы привело к появлению в 80-х годах прошлого столетия фактически нового плазменного объекта - короткоживущей плотной плазмы Главным образом, это плазма, нагреваемая пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, и плазма, создаваемая в сверхбыстрых электрических разрядах типа Х-пинч Такая короткоживущая плазма стала чрезвычайно активно применяться для самых разнообразных физических исследований (см, например, [15-25]), в том числе и таких важных, как инерциальный термоядерный синтез, создание рентгеновских лазеров, рентгенолитография, рентгенография медико-биологических объектов и др Особенности этого нового объекта, такие как малое время жизни, сверхвысокая плотность, неравноеесность энергетических функций распределения электронов и ионов, возбуждение сильных осциллирующих электрических полей, потребовали дальнейшего развития и модификации традиционных методов рентгеновской
спектроскопии, связанных с учетом не только его высокой плотности, но и целого ряда других эффектов Такое обобщение и было сделано в настоящей работе
1.2. Цель работы
Целью работы является теоретическое исследование влияния основных особенностей короткоживущей плазмы на излучаемые ей спектры рентгеновского излучения и создание на этой основе рентгеноспектральних методов диагностики короткоживущей плотной плазмы
1.3. Научная новизна работы
Научная новизна работы заключается в том, в ней впервые
- Проведены систематические расчеты кинетических и энергетических
релаксационных характеристик многозарядных ионов с заполненной внешней
оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке (Н-, Не-, Li-,
Na- и Ne-подобные ионы) и для ионов с одним электроном во внешней оболочке
предложены их аналитические аппроксимации
Обнаружен и объяснен эффект рекомбинационного охлаждения плазмы
Предложены и использованы рентгеноспектральные методы, позволяющие проводить диагностику лазерной плазмы с нестационарным ионизационным состоянием
- Изучено влияние высокоэнерлэтичных электронов на излучательные
рентгеновские спектры короткоживущей плазмы, обусловленные переходами
оптического электрона в К- и L-оболочки, и показано, что адекватное теоретическое
описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой пике- и фемтосекундными
лазерными импульсами, а также образующейся в плазме Х-пинчей, требует учета
наличия в такой плазме горячих электронов
Построена физическая модель, позволяющая рассчитывать и интерпретировать рентгеновские спектры кластерных мишеней, нагреваемых фемтосекундными лазерными импульсами в режиме, когда длительность лазерного предимпульса сопоставима с временем жизни нагретого кластера
- Показано, что в случае плазмы кластерных мишеней влияние быстрых ионов
на профили излучаемых рентгеновских спектральных линий зависит от значения
оптической толщины плазмы на свободно-связанных и свободно-свободных
переходах При существенной оптической толщине в этом случае может возникать
асимметрия наблюдаемых профилей рентгеновских спектральных линий
- Идентифицированы в эмиссионных спектрах лазерной плазмы
рентгеновские лазерные и плазменные сателлиты, появление которых обусловлено
взаимодействием ионов с осциллирующими электромагнитными полями
Наблюдение лазерных и плазменных сателлитов использовано для диагностики
плазмы и прецизионных измерений положения метастабильных уровней многозарядных ионов
- Показано, что лаэерно-индуцированные переходы могут заметно
сказываться на кинетике возбуждения обычных спектральных линий за счет
уменьшения времени жизни метастабильных состояний
- Методы рентгеновской спектроскопии использованы для диагностики
сверхплотной лазерной плазмы и плазмы, образующейся при быстрых
электрических разрядах в геометрии Х-пинча Показано, что при взаимодействии
сверхкоротких лазерных импульсов умеренно высокого (до 10*) контраста с
твердотельными или кластерными мишенями возможно получение плазмы с
плотностью, превышающей критическую, но заметно меньшей твердотельного
значения При использовании аэрогельных мишеней с зернами, прозрачными для
нагревающего лазерного излучения, зарегистрирована наноплазма с плотностью
выше твердотельной
1.4 Научная и практическая значимость результатов
Развитые в работе методы ренттеноспектральной диагностики были использованы для исследования короткоживущей плотной плазмы, создаваемой на лазерных установках в Троицком Институте инновационных и термоядерных исследований, в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (г Королев Моек обл), во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (Менделеево Моек обл), в Институте Макса Борна (Германия), Институте физики плазмы и лазерного микросинтеза (Польша), в Институте оптоэлектроники военно-технической академии (Польша), в Центре новых энергетических технологий (Фраскати, Италия), в Ливерморской и Лос-Аламоской национальных лабораториях (США), в Исследовательском центре Сакле (Франция), в Университете Бордо (Франция), Центре сверхбыстрой оптики Мичиганского университета (США) и на установках типа Х-пинч в Физическом институте им П Н Лебедева РАН и в Корнельском университете (США)
Результаты работы могут быть использованы в таких актуальных и практически значимых исследованиях как инерциальный термоядерный синтез, создание мощных источников когерентного и некогерентного рентгеновского излучения и создания инжекторов многозарядных ионов для тяжелоионных ускорителей
Результаты, полученные в диссертации, могут быть рекомендованы для использования в Объединенном институте высоких температур РАН, Троицком институте термоядерных и инновационных исследований, Институте общей физики РАН, Физическом институте РАН, Институте спектроскопии РАН, ВНИИ экспериментальной физики (Саров), Институте теоретической и экспериментальной физики, ВНИИ технической физики (Снежинск)
1 5 Научная достоверность и обоснованность результатов
Практически все основные результаты и выводы работы сопоставлены с результатами экспериментальных исследований, проведенных на различных установках по созданию короткоживущей плотной плазмы Хорошее качественное и количественное согласие теоретических результатов с экспериментальными подтверждает их научную достоверность и обоснованность
1.6 На защиту выносятся
1 Установленные в результате теоретических исследований основные особенности
короткоживущей плотной плазмы, влияющие на ее излучательные свойства, и
модели, позволяющие учитывать эти особенности при расчете ее радиационных
свойств
1 1 Кинетические модели, позволяющие в рамках квазистационарного приближения проводить расчеты релаксационных характеристик многозарядных ионов в классической идеальной плазме, и результаты систематических расчетов для многозарядных ионов с заполненной внешней оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке,
1 2 Вывод о том, что адекватное теоретическое описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, а также образующейся в плазме Х-пинчей, требует учета неравновесности электронной функции распределения,
1 3 Эффект влияния лаэерно-индуцированных переходов на кинетику
возбуждения обычных спектральных линий за счет уменьшения времени жизни
некоторых метастабильных состояний,
14 Эффект возникновения асимметрии профилей рентгеновских спектральных линий, излучаемых кластерной плазмой
2 Рентгеноспектральные методы диагностики короткоживущей плотной плазмы и
результаты их использования для короткоживущей лазерной плазмы и плазмы X-
пинчей
21 Рентгеноспектральные методы, позволяющие проводить диагностику короткоживущей плазмы с нестационарным ионизационным состоянием,
2 2 Рентгеноспектральный метод обнаружения и оценки относительного
числа горячих электронов по относительной структуре сателлитных линий в К-
спектрах многозарядных ионов,
2 3 Результаты рентгеноспектральной диагностики быстрых ионов в короткоживущей лазерной плазме твердотельных и кластерных мишеней,
2 4 Идентификация в эмиссионных спектрах лазерной плазмы рентгеновских лазерных и плазменных сателлитов, появление которых обусловлено взаимодействием ионов с осциллирующими электромагнитными полями, и их
использование для диагностики плазмы и прецизионных измерений положения метастабильных уровней многозарядных ионов,
2 5 Методы рентгенослектральной диагностики сверхплотной плазмы и результаты их использования для короткоживущей лазерной плазмы и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-пинча
1.7 Публикации и апробация работы
Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати Список основных научных публикаций по теме диссертации составляет 57 наименований
Основные результаты работы докладывались автором как на научных семинарах в ИОФ РАН, ФИ РАН, ТРИНИТИ, ВНИИФТРИ, ИТФ, ИТЭФ, Ливерморской национальной лаборатории (США), Лаборатории "Филлипс" военно-воздушных сил (США), Институте Макса Планка (Германия), Институте физики плазмы и лазерного микросинтеза (Польша), Институте прикладной физики и вычислительной математики (Китай), Университете Бордо (Франция), Исследовательском центре Сакле (Франция), Национальном институте наук синтеза (Япония), так и на всероссийских и международных конференциях, в том числе на Всесоюзных совещаниях "Спектроскопия многозарядных ионов в плазме" Ткибули 1986, 1987, Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Джантуган, 1989, Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1983, Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекающих плазменных процессов" Гродно, 1986, V Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы, Минск, 1990, школе "Многозарядные ионы в плазме" Ташкент, 1989, международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применение" Самарканд 1990, II всесоюзном семинаре по атомной спектроскопии и XI Всесоюзной конференции по теории атомов и атомных спектров, Суздаль, 1991, XI Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» Звенигород, 2005, V Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», Москва, 2006, 4-ом Международном научном семинаре «Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах» Москва 2007, 4th International Colloquium on X-ray Lasers, Williamsburg, Virginia, 1994, 25th European Group for Atomic Spectroscopy Conference, France, 1993, 21 European Conferences on Laser Intention with Matter, Poland, 1992, 6-7№ Conferences of Radiative Properties of Hot Dense Matter, Sarasota, 1994, Santa Barbara, 1996, Annual Conference SPIE-95, San Diego, 1995, 10-th APS' Conference on Atomic Processes in Plasmas, San Francisco, 1996, 7th International Conference on Mulbphoton Processes, Garmnh-Partenkirchen, 1996, International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA 97) Garthersburg, 1997, The Fifth Italian-Russian Symposium on Laser Physics and Technologies (ITARUS), Moscow 2003,
2-3^ Workshop Complex Plasmas and their Interaction with Electromagnetic Radiation, Moscow 2004, 2005
1 8. Личный вклад автора
Основные результаты диссертационной работы получены лично автором или под его непосредственным руководством
Практически все теоретические результаты, полученные в настоящей работе, были использованы при интерпретации рентгеновских спектров, излучаемых плотной короткоживущей плазмой при самых различных условиях ее создания Соответствующие экспериментальные исследования были проведены группами С А Пикуза (ФИ РАН) и А Я Фаенова (ВНИИФТРИ, ОИВТ РАН) на установках в различных исследовательских организациях, что и нашло отражение в публикациях
1.9. Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из Введения, пяти Глав, Заключения и Списка цитированной литературы Общий объем диссертации составляет 326 страниц, включая 15 таблиц и 109 рисунков Библ 280 наименований
