ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010, том 36, № 5, с. 459-462
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^
ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9
О ВОЗМОЖНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ДИНАМИКИ СЖАТИЯ КАПСУЛ С DT-ГАЗОМ В МИШЕНЯХ НЕПРЯМОГО ОБЛУЧЕНИЯ
© 2010 г. А. Г. Кравченко, Д. Н. Литвин, В. В. Мисько, А. В. Сеник, К. В. Стародубцев, Г. В. Тачаев
Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, Саров, Нижегородская обл., Россия Поступила в редакцию 17.07.2009 г.
В экспериментах по сжатию микрокапсул с БТ-газом, проводимых на мощной лазерной установке Искра-5, зарегистрирована пространственно-временная структура области сжатия с помощью фотохронографической регистрации изображения мишени в собственном излучении видимого спектра. Полученные данные согласуются с результатами рентгеновских методик, задействованных в этих экспериментах, и расчетов.
ВВЕДЕНИЕ
Одной из основных задач диагностики плазмы в экспериментах по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) является регистрация процесса сжатия капсулы, содержащей термоядерное горючее [1]. Эти измерения позволяют определять скорость схождения оболочки и запасаемую в ней энергию, конечный размер и форму сжатого ядра, его степень сжатия, симметрию, наличие не-устойчивостей. Обычно для этих целей используется фотохронографическая регистрация изображения мишени в собственном рентгеновском излучении [2].
В серии таких экспериментов авторами была сделана попытка исследования динамики сжатия стеклянной оболочки с БТ-газом альтернативной методикой, заключающейся в регистрации изображения мишени в собственном излучении видимого диапазона X = (0.4—0.5) мкм. Методика отличается от рентгеновских измерений простотой и лучшим пространственным разрешением.
1. СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТА
Эксперименты проводились на 12-канальной лазерной установке "Искра-5" с суммарной энергией на мишени Е = 2500 Дж на длине волны X = 0.66 мкм. Длительность импульса составляла ?05 = 0.5 нс. Использовалась так называемая мишень непрямого (рентгеновского) облучения, в которой стеклянная капсула с БТ-газом помещена в центр бокса-конвертора с отверстиями для ввода лазерного излучения, рис. 1. Лазерные пучки, вводимые в отверстия под определенными углами, не касаясь капсулы, облучают внутреннюю поверхность бокса. Часть лазерной энергии пре-
образуется в рентгеновское излучение, которое с высокой степенью симметрии облучает капсулу, вызывая сжатие БТ-газа. Оптическая схема методики измерений приведена на рис. 2.
В экспериментах проводилась регистрация излучения видимого диапазона из капсулы с БТ-га-зом с помощью электронно-оптического фотохронографа с щелевой разверткой (стрик-каме-ры) [3]. Изображение капсулы через одно из отверстий ввода лазерного излучения в бокс-конвертор с 12-ти кратным увеличением фокусировалось объективом на вход стрик-камеры. В качестве метки времени с помощью световода на вход также вводился импульс лазерного излучения (ЛИ). Регистрация производилась в оптическом диапазоне X = (0.4—0.5) мкм, спектральная селекция и ослабление сигнала осуществлялись комбинацией светофильтров типа СС, СЗС, ЖЗС, ЖС и НС. Пространственное разрешение методики, составляло 10 мкм, погрешность определения временных интервалов не более 15 пс, динамический диапазон регистрации составлял не менее 200.
Рис. 1. Мишень непрямого облучения.
лазерная метка
|световод
стрик-камера ^ светофильтробъектив
отверстие, ввода ЛИ
мишень-
д мишень
--------------о--------
капсула с БТ-газом
щель стрик-камеры
Рис. 2. Оптическая схема измерений.
2. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
В экспериментах использовались боксы-конверторы с внутренними поверхностями из золота, меди и магния, характеризующиеся разными коэффициентами конверсии лазерного излучения в рентгеновское. В опытах с конверторами из золота и меди был зарегистрирован нейтронный выход ~5 х 108 и 108 частиц/имп, соответственно. В опытах с конвертором из магния при пороге регистрации 104 частиц/имп нейтронный выход зарегистрирован не был.
На рис. 3 приведены результаты регистрации динамики сжатия БТ-газа в мишени с конвертором из золота. Слева от рабочей фотохронограммы приведен статический кадр (рис. 3а) с изображением отверстия ввода лазерного излучения и центральной капсулой, полученный с экрана стрик-камеры при оптической настройке схемы.
На рабочей фотохронограмме (рис. 3б) видно свечение отверстия и свечение внешней стороны бокса-конвертора под отверстием, вызванное частичным промахом лазерного пучка при его вводе внутрь бокса. В начальный момент времени светится все отверстие. С небольшой задержкой появляется более интенсивно светящаяся область сжатия БТ-газа, находящаяся в геометрическом центре центральной капсулы.
Результаты фотометрирования изображения отверстия по направлению временной развертки (рис. 3г) дают сигнал, который можно разделить на три составляющие.
— Первая составляющая — свечение всей площади отверстия, ее начало соответствует приходу лазерного импульса.
— Вторая составляющая соответствует образованию сжатой области БТ-газа. Ее длительность на полувысоте равна 0.42 нс, задержка относительно момента прихода лазерного импульса — 0.80 нс.
— Третья составляющая соответствует моменту генерации нейтронов. По времени она смещена к
концу второй составляющей, ее длительность — 0.10 нс, задержка относительно момента прихода лазерного импульса — 1.06 нс. На рис. 3в приведено увеличенное полутоновое изображение сжатой области (составляющие 2 и 3 на графике рис. 3г). На изображении видно, что внутри области сжатия имеется керн. Результат фотометри-рования области сжатия по пространственной оси представлен на рис. 3д: размер области сжатия составил 050 мкм, размер керна — 020 мкм.
Результаты регистрации динамики сжатия БТ-газа в мишени с конвертором из магния приведены на рис. 4. В этом эксперименте нейтронный выход отсутствовал. Фотохронограмма отличается от полученных в экспериментах с конверторами из золота и меди тем, что выраженной области сжатия БТ-газа нет.
Полученные описываемой методикой результаты коррелируют с результатами измерений нейтронного выхода и динамикой сжатия БТ-газа, одновременно исследуемой в этих экспериментах с помощью фотохронографических методик, основанных на регистрации рентгеновского излучения плазмы [2]: наличие нейтронного выхода и выраженной области сжатия БТ-газа в экспериментах с конверторами из золота и меди, и их отсутствие в экспериментах с конвертором из магния.
Кроме того, полученная пространственно-временная динамика свечения центральной части капсулы совпадает с расчетной динамикой сжатия БТ-топлива. Расчетно-теоретический анализ опытов с конвертором из золота показал [1], что в сжатом состоянии центральная часть БТ-газа должна иметь размер ~15 мкм и быть разогретой до температуры выше 1 кэВ (условие генерации нейтронов). При этом интервал времени от момента прихода лазерного излучения на мишень до момента генерации нейтронов должен составлять ~1 нс, время генерации — порядка 100 пс. Эти данные соответствуют полученным описываемой методикой.
О ВОЗМОЖНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ В ОПТИЧЕСКОМ ДИАПАЗОНЕ ДИНАМИКИ
461
(а) отверстие ввода ЛИ \
: - капсула : - ^ с БТ-газом
щель стрик-камеры
0123456789 10
г, нс
(в)
20 мкм
интенсивность, отсчеты ПЗС 16000 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
интенсивность, отсчеты ПЗС
г0-5 = 100 пс
16000 15000 14000 13000 12000 11000 10000 9000 8000
3.0 3.5 г, нс
0.6
Я, мм
Рис. 3. Результаты регистрации динамики сжатия БТ-газа в опыте с золотым конвертором. а — Настроечный кадр на экране стрик-камеры с условным положением щели регистратора; б — рабочая фотохронограмма; в — увеличенное изображение области сжатия БТ-газа; г — временная пропись хронограммы по входному отверстию бокса; д — пространственная пропись хронограммы по центру области сжатия.
г
Была проведена попытка спектрального анализа регистрируемого излучения путем изменения ширины регистрируемого спектра, выделяемой набором цветных оптических стекол. Исследования показали, что основная часть излучения лежит в спектральном диапазоне 0.4—0.5 мкм. Отметим, что в указанный диапазон попадает излуче-
ние бальмеровской серии БТ-газа (к = 0.486 мкм, 0.434 мкм и 0.410 мкм).
3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Основываясь на применяемых теоретических моделях, в видимом излучении возможно регистрировать только свечение плазменной короны
начальный размер центральной капсулы
J_I_I_I_I_I_I_I_I_I_1_
0123456789 10
нс
Рис. 4. Результаты регистрации сжатия БТ-газа в
опыте с конвертором из магния.
оболочки мишени в области до критической поверхности с электронной концентрацией пс = 4 х х 1021 см-3. Максимально сжатая область БТ-га-за, где происходит генерация нейтронов, имеет электронную концентрацию п > 1023 см-3. Таким образом, источником света, наблюдаемым нашей методикой, должна являться в основном критическая поверхность, окружающая сжимающееся ядро. Сам процесс сжатия экранирован этой поверхностью и недоступен в оптике.
Однако описываемой методикой были получены результаты исследования процессов, происходящих внутри мишени, которые хорошо совпадали с данными рентгеновских и нейтронных измерений.
Наблюдение сжатия мишени в оптическом излучении, вероятно, доступно вследствие того, что
по мере распространения ударной волны обжатия к центру, происходит нарастание уширения и смещения линий излучения. Наружные слои плазмы оказываются оптически тонкими для части уширенного линейчатого излучения DT-газа из внутренних, сильнее обжатых и разогретых слоев. Таким образом, используя излучение баль-меровской серии водорода, можно зарегистрировать поведение сжатой области плазмы. В работах [4, 5] приведены теоретические и экспериментальные методы оптических исследований подобных процессов в неравновесных плазменных образованиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Получены регистрации с пространственным и временным разрешением в спектральном диапазоне Кк = (0.4—0.5) мкм процесса сжатия капсул с DT-газом в рентгеновских боксах-конверторах. По наличию сжатой области, ее размеру, положению и моменту достижения максим
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.