ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 163-168
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
ДИАГНОСТИКА БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ОБЛУЧЕНИЮ МАЛОПЛОТНЫХ СРЕД НА УСТАНОВКЕ "МИШЕНЬ"
© 2004 г. А. Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, О. Л. Дедова, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондратов, М. И. Пергамент, В. М. Петряков,
И. К. Фасахов, Г. М. Янковский
ГНЦ РФ " Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 24.07.2003 г.
Приводятся и обсуждаются новые результаты, полученные на установке "Мишень" в экспериментах по лазерному облучению низкоплотных пористых материалов. Для анализа физических процессов в пористых средах с различной микроструктурой и плотностью 1-30 мг/см3, облучаемых лазерным пучком (к = 1.054 мкм, т = 3 нс, I = 1013-1014 Вт/см2), использовался широкий набор оптических и рентгеновских диагностических средств. В зависимости от средней плотности, толщины и микроструктуры мишеней, а также угла падения лазерного пучка на образец, исследовались особенности поглощения и рассеяния лазерного излучения, а также процесса энергопереноса в пористых средах. Обнаружено существенное влияние микроструктуры (хаотической или квазиупорядоченной) материала на процесс образования и динамику плазмы, образующейся внутри облучаемых образцов, моделирующих компоненты перспективных мишеней, которые используются в исследованиях лазерного термоядерного синтеза.
1. ВВЕДЕНИЕ
Взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными (1-100 мг/см3) объемно-структурированными средами представляет в настоящее время большой интерес [1-4]. Изучение поглощения лазерного излучения и механизмов энергопереноса в малоплотных средах открывает новые возможности решения ряда фундаментальных проблем физики высоких плотностей энергии, включая лазерный термоядерный синтез (ЛТС), радиационную гидродинамику, изучение уравнения состояния веществ в условиях экстремальных нагрузок, моделирование в лабораторных условиях астрофизических явлений. Следует отметить определенную специфику исследований плазмы, образующейся при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом: малое время жизни (единицы нс), небольшие размеры (сотни мкм), высокие плотности, неоднородность и нестационарность. В этих условиях получение достоверной научной информации возможно лишь с помощью набора диагностических методик, позволяющих получать взаимодополняющие экспериментальные данные с использованием аппаратуры, обеспечивающей проведение измерений с чрезвычайно высоким временным и пространственным разрешением. На установке "Мишень" в ГНЦ РФ "ТРИНИТИ" использовался комплекс оптических и рентгеновских методов диагностики [5-8], позволивший получить достаточно полную информацию о процессах, проте-
кающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с пористыми малоплотными материалами различной внутренней структуры.
2. УСЛОВИЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС УСТАНОВКИ "МИШЕНЬ"
Экспериментальные исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с малолот-ными средами проводились при следующих условиях: длина волны излучения 1.054 мкм; энергия лазерного импульса до 100 Дж; длительность лазерного импульса ~3 нс при фронте нарастания 0.3 нс; энергетический контраст не хуже 106; излучение фокусировалось на плоскую мишень линзой с относительным отверстием 1:10; при диаметре фокального пятна ~250 мкм средняя плотность светового потока на поверхности облучаемой мишени составляла ~5 х 1013 Вт/см2. В вакуумной камере взаимодействия устанавливались плоские мишени толщиной 100-1000 мкм, изготовленные из агара [(С12Н1809)„] и вспененного полистирола [(СН)„] со средней плотностью в диапазоне 1-30 мг/см3. Агар представляет собой хаотическую структуру из нитей и пленок твердотельной плотности, в то время как полистирол имеет ква-зиупорядоченную пленочную структуру. На рис. 1 приведены фотографии, демонстрирующие структуры агара и вспененного полистирола.
163
4*
Рентгеновские методики, входящие в диагностический комплекс установки "Мишень", обеспечивают: интегральные во времени калориметрические измерения в диапазоне длин волн 0.5-1.5 нм; построение изображений плазмы камерами-обскурами за различными фильтрами; регистрацию рентгеновской эмиссии плазмы вакуумными диодами с временным разрешением ~0.5 не; измерения рентгеновских спектров плазмы в диапазоне длин волн 0.5-2 нм; анализ рентгеновского свечения плазмы с пространственно-временным и спектрально-временным разрешением с помощью электронно-оптической камеры. Оптические методы включают в себя: многокадровое теневое фотографирование образующейся плазмы (время экспозиции отдельного кадра ~0.3 нс, длина волны зондирующего излучения X = 0.53 мкм, пространственное разрешение ~30 мкм); регистрацию электронно-оптической камерой "Агат-СФ" временного хода свечения тыльной поверхности облучаемой мишени в диапазоне длин волн 400-700 нм с пространственным разрешением ~30 мкм и временным разрешением 50 пс; измерения отраженного, рассеиваемого под различными углами и прошедшего сквозь мишень лазерного излучения; интегральные и с разрешением во времени спектральные измерения излучения плазмы в апертуру фокусирующей линзы в окрестностях частот 2ю0 и 3а>о/2 (ю0 - рабочая частота лазера).
3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Ранее в [5-8] было показано, что поглощение лазерного излучения при взаимодействии с пористой малоплотной средой носит объемный характер. В результате поглощения и переноса энергии внутри пористой мишени формируется довольно протяженный слой высокотемпературной плазмы. Например, в случае облучения мишени из агара со средней плотностью 1 мг/см3 глубина этого слоя (вдоль направления лазерного пучка)
составляет 400-500 мкм, а для мишени с плотностью 10 мг/см3 она уменьшается до 100-150 мкм. Длительность рентгеновского импульса, регистрируемого вакуумными диодами, составляет 3-4 нс, то есть практически совпадает с длительностью лазерного импульса. Электронная температура плазмы, определенная методом фильтров в предположении максвелловского распределения электронов по скоростям, для мишеней из агара составляет 0.8-1 кэВ, несколько уменьшаясь по направлению в глубь мишени. (Ранее в [9] было показано, что при параметрах облучения мишеней, реализующихся на нашей установке, температура надтепловой электронной компоненты составляет ~5 кэВ, а относительное содержание горячих электронов ~10-5. Погрешность в определении электронной температуры основной части плазмы методом фильтров в таких условиях не превышает 10% [10].) Рентгеноспектральными методами было подтверждено такое значение электронной температуры плазмы и была оценена ионная температура, которая в 1.5-2 раза превышала электронную [11, 12].
Обратимся теперь к сравнению экспериментальных результатов, полученных при лазерном облучении мишеней из агара и вспененного полистирола равной плотности (=10 мг/см3). На рис. 2 представлены типичные изображения (в рентгеновских лучах) образовавшейся в этих экспериментах плазмы, зарегистрированные за фильтрами из алюминия толщиной 1.5 мкм. Как видно, при облучении пенных сред с квазиупорядоченной структурой размеры горячей области внутри мишени (вдоль направления лазерного пучка) оказываются в 2-3 раза большими, чем при облучении агара с хаотической структурой из нитей и пленок.
Разительное отличие наблюдается также и в величине скорости энергопереноса в глубь малоплотных мишеней при облучении образцов из агара и вспененного полистирола. Данные о процессе энергопереноса были получены путем регистрации свечения тыльной поверхности мише-
(а)
лазерный пучок
\7
500 мкм
I_I
пористый образец
(б)
Рис. 2. Типичные рентгеновские обскурограммы, зарегистрированные в экспериментах по облучению образцов с плотностью 10 мг/см3 и толщиной 200 мкм из вспененного полистирола (а) и агара (б). На тыльной поверхности мишеней была нанесена фольга из никеля толщиной 0.6 мкм.
Почернение
3.5 г
3.0 -
2.5 -
2.0 -
1.5 - 1
1.0 -
0.5 1
..нал .л аМ
0 2
(а)
8 10 12 14 0
(б)
8 10
12 14 г, нс
Рис. 3. Денситограммы сигналов электронно-оптической камеры, регистрировавшей свечение (в видимом диапазоне длин волн) тыльной поверхности облучаемых мишеней из вспененного полистирола (а) и агара (б). Средняя плотность образцов составляла -10 мг/см3, а толщина -200 мкм. На тыльную поверхность мишеней была нанесена никелевая фольга толщиной 0.6 мкм.
4
6
2
4
6
ней в оптическом диапазоне длин волн и многокадрового теневого фотографирования (к = 0.53 мкм) ускоряемой части мишеней. На рис. 3 и 4 представлены экспериментальные данные, полученные с помощью этих диагностических методов.
Как видно, свечение тыльной поверхности образца из вспененного полистирола начинается на 3-ей нс после начала лазерного облучения (рис. 3), на 4-ой нс уже заметно движение тыльной поверхности мишени (рис. 4). При использовании же агара свечение тыльной поверхности начинает регистрироваться лишь через ~7 нс после начала облучения. В качестве иллюстрации для демонстрации ускорения тыльной поверхности мишени из агара приведены кадры, полученные на 4-ой нс и 14-ой нс. Анализ этих кадров совместно с кадрами, полученными в других экспериментах, показывает, что движение тыльной поверхности началось через 8-9 нс после начала лазерного облучения. Измерения, проведенные этими методами с образцами разной толщины, позволили определить скорости энергопереноса в пенистой среде и в агаре с одинаковой средней плотностью 10 мг/см3, которые оказались равными соответственно (3-4) х 107 см/с и (7-8) х 106 см/с.
Интересными представляются и результаты измерений со спектрально-временным разрешением излучения плазмы на второй гармонике рабочей частоты лазера (к = 0.53 мкм), полученные в экспериментах с полистиролом и агаром. На рис. 5 представлены типичные временные развертки второй гармоники, полученные в экспериментах по облучению лазерным пучком образца с пенной структурой (а) и образца из агара (б). Поскольку генерация второй гармоники происходит только в областях
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.