ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2013, том 39, № 8, с. 752-758
^ ЛАЗЕРНАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^
ПЛАЗМА
УДК 533.9
ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ СВОЙСТВА МИКРОГЕТЕРОГЕННОЙ ПЛАЗМЫ, ОБРАЗОВАННОЙ ПРИ ОБЛУЧЕНИИ МИШЕНИ ИЗ ПОЛИМЕРНОГО АЭРОГЕЛЯ МОЩНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ 500 пс
© 2013 г. Н. Г. Борисенко, Ю. А. Меркульев, А. С. Орехов, С. Чаурасия*, С. Трипати*, Д. С. Мунда*, Л. Дж. Дарешвар*, В. Г. Пименов**, Е. Е. Шевелева**
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия * Отделение лазерной и нейтронной физики Центра атомных исследований им. Баба, Мумбаи-85, Индия ** Институт органической химии им. Д.Н. Зелинского РАН, Москва, Россия e-mail: orekhov@sci.lebedev.ru Поступила в редакцию 24.05.2012 г. Окончательный вариант получен 23.01.2013 г.
Исследовались свойства микрогетерогенной плазмы с начала ее образования под воздействием на мишень из полимерного аэрогеля мощного (1014 Вт/см3) короткого (0.5 нс) греющего лазерного импульса с длиной волны 1.064 мкм. Обнаружено, что сквозь плазму, в которой еще не закончились процессы выравнивания плотности и температуры, проходит небольшая часть падающего лазерного излучения, даже при плотности мишени заметно выше критической. Наблюдаемая в такой плазме интенсификация (по отношению к плазме из более плотных пен и сплошных пленок) процессов тепломассопереноса в продольном и поперечном к лазерному лучу направлениях также может быть связана с исходной микрогетерогенностью твердой мишени. Замена небольшой (10% по массе) доли полимера на добавку из наночастиц меди приводит к почти двукратному увеличению интенсивности рентгеновского излучения из плазмы.
DOI: 10.7868/S0367292113080039
1. ВВЕДЕНИЕ
Около 20 лет назад были начаты теоретические и экспериментальные исследования [1—5] плазмы из малоплотных структурированных веществ — полимерных пен. Развернутые комплексы диагностик [5, 6, 8] позволили накопить детальную информацию о протекающих процессах, а также о константах переноса энергии в такой плазме. За прошедшее время были как усовершенствованы приборы для диагностики плазмы и лазерные установки, так и разработана технология изготовления продвинутых мишеней — полимерных аэрогелей. Мы специально ввели в оборот этот термин [7] для органических веществ, зачастую без всякого различия называемых пенами наряду с другими твердыми материалами пониженной плотности, такими как ультрадисперсные металлы, графитизированные и композитные материалы. Однако различие в изготовлении и свойствах значительно, особенно, если помимо плотности в мишени существенны тонкая структура, однородность и воспроизводимость на длительной временной шкале. Такие мишени представляют собой трехмерную полимерную сетку с микронными расстояниями
между волокнами и со средним диаметром волокон около 50 нм [8—10]. Благодаря развитию мишеней и диагностической аппаратуры удалось обнаружить пропускание лазерного излучения сквозь плазму в начальный момент времени и связанный с этим прогрев металлической фольги-подложки, расположенной после полимерного слоя на оптическом пути лазера [10—12]. В приведенных работах утверждалось, что причиной такого пропускания могут являться существенные флуктуации плотности и температуры в турбулентной плазме в начале действия лазерного импульса.
Но к началу экспериментов, описываемых в данной статье, было неясно, в чем заключалось расхождение в выводах первых экспериментов [3, 5], показавших пропускание лазерного излучения сквозь плазму менее 0.5% в пределах точности аппаратуры, и недавних экспериментов [11, 12], в которых пропускание на уровне 1—5% было зафиксировано у лазерного импульса меньшей длительности и длины волны, а также более высокой интенсивности на уровне 5 х 1014 Вт/см2. Для проведения экспериментов была выбрана лазерная
E3
E2
16 Дж, 300-800 пс 1064 нм
5 рентгеновских диодов, накрытых фильтрами с разным спектром пропускания в диапозоне 0.8—8.3 кэВ
два зеленых 532 нм лазерных импульса с различной задержкой
Рис. 1. Схема экспериментальной установки.
неодимовая установка с длительностью импульса 0.5 нс и потоком на мишени 1014 Вт/см2.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты выполнены на лазерной установке в Центре атомных исследований им. Баба. На выходе лазера можно получать вспышки до 16 Дж каждые 20 минут. Излучение на основной длине волны 1.064 мкм собирается в фокусное пятно диаметром около 100 мкм. Схема эксперимента показана на рис. 1.
Измерение энергетического баланса осуществлялось четырьмя калориметрами (E1-E4). Первый калориметр, обозначенный E1, использовался для контроля энергии греющего пучка, второй, E2, для измерения энергии излучения, рассеянной в обратном направлении от мишени (фиксираванные доли излучения направлялись на эти калориметры полупроницаемой пластинкой BS), третий, E3, измерял энергию излучения, рассеянного под углом в пространство, и четвертый, E4, помещался за мишенью для измерения доли греющего излучения, прошедшего через мишень. Перед мишенью размещались пять чувствительных к рентгеновскому излучению фотодиодов, прикрытых фильтрами с различними спектрами пропускания.
Для измерения параметров эмитируемых ионов использовались два ионных коллектора. Один коллектор IC1 располагался на расстоянии
54.7 см перед мишенью, а другой IC2 — на расстоянии 55 см от мишени. Также использовалась система оптической задержки для формирования двух лазерных пучков небольшой энергии, имеющих фиксированную задержку относительно лазерного импульса. Дополнительная линия оптических элементов применялась для изменения величины задержки от 2 до 9 нс. Описанные пучки с длиной волны X = 0.532 нм затем использовались для регистрации теневых картин разлета плазмы (shadowgraphy).
В экспериментах облучали специально приготовленные мишени в виде малоплотных полимерных слоев, в том числе с электронной плотностью, близкой к критической при полной ионизации. Применялись мишени из чистых полимеров и полимеров с примесью наночастиц металлов (меди). Мишени были изготовлены из триацетата целлюлозы (ТАЦ — C12H16O8) с плотностями 2, 4, 7, 10, 20, 30 и 50 мг/см3. Реализована структура аэрогеля в виде трехмерной сетки, с расстоянием между нитями 1—2 мкм и с диаметром нитей около 0.04—0.07 мкм (рис. 2). Отличительной особенностью данных полимерных слоев ТАЦ является то, что при существенном изменении плотности от 2 мг/см3 до 50 мг/см3 структура сохраняет вид трехмерной сетки. Уменьшается лишь расстояние между нитями, от 1.8—1.9 мкм до 0.5 мкм, и увеличивается толщина нитей от 0.03 до 0.8 нм. Также в эксперименте использовались мишени из ТАЦ с примесью 10 весовых процентов металла (Cu) в
Егт/Е1пс 0.018 - ■ 0.016- ■ \ 0.014 0.012 -0.010 0.008
0.006
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 линейная масса, мг/см2
Рис. 2. Вид сетки из триацетата целлюлозы (ТАЦ) на сканирующем электронном микроскопе. Длина масштабной линии — 1 мкм.
виде наночастиц со средним диаметром 50 нм. Плотность мишени с добавками составляла около 7 мг/см3, а толщина варьировалась от 100 до 1000 мкм. При добавлении наночастиц меди структура 3D сетки оставалась неизменной.
Применялись два типа мишеней: двухслойные (из полимерного аэрогеля и алюминиевой фольги толщиной 5 мкм) и однослойные (из слоя полимерного аэрогеля, тонкого сплошного полимерного слоя толщиной 10 мкм или А1 фольги толщиной 0.8, 2, 5, 10 и 20 мкм).
Поскольку энергия в лазерном выстреле случайным образом варьировалась в интервале от 7 до 12 Дж, то при обработке данных полученные экспериментальные значения (отраженная и прошедшая лазерная энергия, интенсивность рентгеновского излучения) приводились к стандартной энергии 10 Дж.
Представленные ниже данные являются средними значениями для мишеней одинаковой плотности и толщины. Разброс относительно средних значений не превышал 15%. Доля энергии лазерного излучения, отраженной от плазмы в телесный угол падающего луча, в большинстве опытов была менее 10%, в редких случаях — до 17%. В малоплотных слоях как с докритической плотностью, так и с надкритической, поглощалось около 80% падающего лазерного излучения (с учетом нелинейного рассеяния и излучения в мягком рентгеновском диапазоне).
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Экспериментально доказано существование эффекта пропускания энергии в малоплотном веществе. Доля прошедшей энергии Ег составляла
Рис. 3. Зависимость прошедшей лазерной энергии Е1г/Е1пс от погонной плотности полимерного аэрогеля (толщина аэрогеля 0.9—1.0 мм при переменной плотности).
от нескольких десятых долей процентов до единиц процентов (см. рис. 3 и 4) падающего излучения Е1пс, что может негативно сказаться на эффективности термоядерных мишеней, разрушив криогенные слои. Эти результаты несколько ниже (0.3—1.8%), чем в работах, в которых они были впервые обнаружены [11, 12], что, по-видимому, связано с большей длиной волны лазера и в 4—
7 раз меньшей интенсивностью лазерного излучения. Сильное пропускание (до 4%) при малой толщине мишени (рис. 4) связано по-видимому, с взаимодействием лазерного излучения с полностью сформировавшейся плазмой. Данные результаты не опровергают результаты более ран-
Е1т/ЕШс —■— 2 мг/см3
0 0.5 1.0
толщина, мм
Рис. 4. Зависимость прошедшей лазерной энергии Ег/Е1пс от толщины аэрогеля для разных плотностей мишени.
4-гау, отн. ед. 800
600 400 200 0
\
- фильтр В10 фильтр А1 5 мкм
10 20 30 40 50 плотность, мг/см3
Рис. 5. Зависимость интенсивности рентгеновского излучения от плотности полимера (ТАЦ) однослойной мишени.
!х-гау, отн. ед.
103
102
101
100
5 6 Е, кэВ
Рис. 6. Зависимость интенсивности рентгеновского излучения от граничной энергии для разного состава материала мишени.
них экспериментов [3, 5], так как последние выполнялись при длительности лазерного импульса 2.5 нс, а описанный здесь эффект связан с пропусканием лазерного излучения сквозь плазму в начальный момент действия лазера. Это должно было увеличивать пропускание в старых опытах на 0.1—0.2%, что в несколько раз ниже чувствительности аппаратуры. В нескольких работах других лабораторий [13, 14] приводились свидетельства о пропускании лазерного излучения сквозь негомогенную плазму, но такой эффек
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.