Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов, страница 2

Наиболее существенным представляется в этой связивозможность использования метода оценки средней энергии горячего электронного компонента при экспресс -диагностике и контроле экспериментов по взаимодействию ФЛИ сплазмой.Стремительное развитие фемтосекундных лазерных технологий и создание фемтосекундных систем настольного типа с частотой повторения до нескольких кГц и интенсивностью сфокусированного пучка свыше 100 ПВт/см2 позволяет рассматривать полученные результаты как основу для практического применения эффекта возбуждения низкоэнергетических ядерных уровней в плазме.Развитые методы и подходы могут найти широкий спектр применений в таких областях как физика плазмы и ядерная физика, в том числе для решения следующих задач,носящих прикладной и фундаментальный характер:• диагностика плотной горячей лазерной плазмы;• создание квазимонохроматических и широкополосных источников рентгеновского излучения пикосекундной длительности;• создание квазимонохроматических источников корпускулярного излученияпикосекундной длительности – протонов, нейтронов, α-частиц и т.п.;• диагностика и спектроскопия низкоэнергетических ядерных уровней стабильных изотопов и близко расположенных ядерных уровней метастабильных изомерных состояний;• исследование процессов внутренней конверсии и иных каналов распада всильно ионизованных атомах;• возбуждение и распад метастабильных ядерных уровней при низкоэнергетическом возбуждении как способ получения положительного энергетическоговыхода или создания инверсии населенности на ядерных переходах.• разделение изотопов, обладающих низкоэнергетическими ядерными уровнями.1.2.3.4.Защищаемые положенияСозданный комплекс методик и алгоритмов позволяет проводить исследования горячего электронного компонента плазмы, создаваемой фемтосекундным лазернымимпульсом интенсивностью в 0,5-50 ПВт/см2 и энергией менее 1 мДж, на основеизмерения и анализа электронных, рентгеновских и ионных спектров плазмы;Средняя энергия горячего электронного компонента в каждой экспериментальнойреализации может быть получена по измерению выхода жесткого рентгеновскогоизлучения из плазмы ФЛИ в двух спектральных интервалах;Модификация свойств приповерхностного слоя мишени обеспечивает управлениесвойствами плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью порядка 10 ПВт/см2, без изменения параметров лазерного излучения: температурой теплового и горячего электронного компонентов, эффективностью конверсии в рентгеновское излучение плазмы в диапазоне энергий квантов 0,1–0,5 кэВи свыше 5 кэВ;В плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом интенсивностью порядка 10 ПВт/см2, реализуются условия, обеспечивающие возбуждение низкоэнергетических ядерных переходов с эффективностью, достаточной для эксперимен-5тальной регистрации эффекта по наблюдению гамма-распада этих уровней;5.

Основной вклад в возбуждение ядерных уровней с энергией свыше 1 кэВ в плазмеФЛИ вносит горячий электронный компонент плазмы. На процесс возбуждения ираспада низкоэнергетических ядерных уровней в плазме ФЛИ существенное влияние оказывает динамика параметров плазмы;6. Передний фронт ионного тока плазмы, образуемой фемтосекундным лазерным импульсом при воздействии на твердотельную мишень при вакууме до 10-5 Тор, формируется ионами водорода, углерода и кислорода, присутствующими в приповерхностном слое мишени. Эффективная очистка поверхности мишени к моменту формирования плазмы фемтосекундным лазерным импульсом может быть обеспеченанагревом поверхности лазерным импульсом, опережающим фемтосекундный лазерный импульс менее, чем на 1 мс;7. При давлении остаточного газа в камере взаимодействия 10-5 Тор расширение, остывание и рекомбинация плазмы ФЛИ при интенсивности порядка 1016 Вт/см2 приводят к формированию отрицательных ионов для атомов, имеющих энергию сродства к электрону свыше 0,1 эВ.

Энергетический спектр отрицательных ионов совпадает с энергетическим спектром положительных однократно заряженных ионовтого же элемента.Апробация работы и публикацииОсновные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: XIV-XVII Конференциях покогерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991; Санкт Петербург 1995; Москва 1998;Минск 2001), Квантовая электроника и лазеры (Балтимор, 1990), Высокоскоростнаяфотография, фотоника и метрология быстропротекающих процессов (Москва, 1991), Лазерные технологии (Прага, 1995; 1999), IX и X Международные симпозиумы посверхбыстрым процессам в спектроскопии (Триест, 1995; Тарту 1997), Фемтохимия(Лозанна, 1995), X и XI Конференции по сверхбыстрым явлениям (Сан-Диего, 1996;Гармиш-Парстенкирхен, 1998), 2 и 3 Международные симпозиумы по современным проблемам лазерной физики (Новосибирск, 1997, 2000), Первое совещание поиндуцированной гамма-эмиссии (Предиал, 1997), Международная конференция посверхсильным полям в плазме (Варенна, 1997; Варенна 2001), Германо-российскийлазерный симпозиум (Мюнхен, 1998), 7-11 Международные симпозиумы по лазернойфизике (Берлин, 1998; Бордо, 2000; Москва, 2001; Братислава, 2002, Гамбург, 2003),Применение сверхсильных световых полей и коротковолновых источников VIII (Потсдам,1999), 2-6 Итало-российские симпозиумы по сверхбыстрой оптической физике (Москва,1999; Палермо, 2000; Санкт-Петербург, 2001; Москва, 2002, 2003), Сверхинтенсивныелазеры и их применение (Элоунда, 1999; Пиза, 2000), X и XI Конференция «Оптика лазеров» (Санкт-Петербург, 2000, 2003), Вторая международная конференция«Фундаментальные проблемы лазерной физики» (Саратов, 2000), Конференция по лазерам и электрооптике (Сан-Франциско, 2000; Балтимор, 2002), Рентгеновская оптика 2001(Нижний Новгород, 2001), 4е и 5е Совещание AFOSR по изомерным ядрам (Туссон, 2001,Гамбург, 2003), Лазерные и лазерно-информационные технологии (Суздаль, 2001), Международная конференция по квантовой электронике (Москва, 2002), Взаимодействие сверхсильных световых полей с веществом (Хайяма, 2002), Международная конференция «Излучение большой энергии и вещество» (Варенна, 2003).По теме диссертации опубликована 61 работа в реферируемых научных изданиях, втом числе 39 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и 22 статьи в сборниках и трудах конференций, а также более 60 тезисов докладов.6Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, двух частей (в составе четырех глав) и заключения.

Работа изложена на 292 страницах, включает 109 рисунков, 10 таблиц и списки литературы (по частям, общее число ссылок 404, включая пересекающиеся).Личный вклад автораВсе изложенные в диссертации оригинальные результаты получены автором, либопри его непосредственном участии. Автором осуществлялся выбор направлений, объектови методов исследования, разработка методик измерений и обработки результатов, постановка экспериментов и их проведение.СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо введении обсуждается актуальность темы исследований, приводятся цель, задачи, научная новизна, практическая ценность работы и защищаемые положения, даетсякраткая аннотация содержания глав.В первой части описывается созданный аппаратно-программный комплекс, включающий как ряд программных пакетов для моделирования взаимодействия ФЛИ с плазмой (глава 1), так и набор методик исследования горячей плотной плазмы ФЛИ (глава 2).Кроме того во второй главе приведены результаты экспериментов по исследованию взаимодействия ФЛИ с плазмой, формируемой на плоских твердотельных мишенях.Исследование взаимодействия лазерного излучения с плазмой было начато в 60хгодах 20-го века.

Был создан целый ряд методов оптической, рентгеновской и корпускулярной диагностики лазерной плазмы, а также развиты подходы к модельному описаниюформирования и динамики плазмы, создаваемой лазерным импульсом. В целом эти методы и подходы могут быть использованы и при исследовании взаимодействия ФЛИ с горячей плотной плазмой, однако специфика процессов, протекающих при таком взаимодействии, требует уточнения, адаптации и развития как экспериментальных методик, так итеоретических моделей и численных схем.Нами был реализован комплексный подход к созданию методов и средств диагностики, в котором сочетались 1) разработка и реализация экспериментальных методов регистрации малых потоков регистрируемого излучения; 2) разработка программных алгоритмов обработки экспериментальных данных; и 3) численное моделирование процессов,протекающих в плазме.Поскольку в данной работе в основном рассматриваются задачи, связанные с формированием и эволюцией плазмы при воздействии фемтосекундных лазерных импульсовс интенсивностью 1-100 ПВт/см2, в главе 1 проводится описание процессов, протекающихв этом режиме взаимодействия, и обсуждаются основные характеристики плазмы и выделены основные свойства плазмы ФЛИ, определяющие выбор наиболее эффективных методов диагностики плазмы ФЛИ при умеренных интенсивностях ФЛИ:• экстремально высокие скорости плазменных процессов и малое время существования горячей плотной плазмы (менее 1 пс);• высокая плотность электронов плазмы на временах порядка длительностиФЛИ, превышающая плотность твердого тела ~ 5х1022 см-3;• высокая температура термодинамически равновесной части электронов плазмы– до 500 эВ (107 К) при I~10 ПВт/см2 и эффективная генерация мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов свыше 100 эВ;• существенное поглощение энергии надтепловыми электронами плазмы с «температурой» свыше 3 кэВ (более 1%), повышение роли этих электронов с ростом интенсивности ФЛИ и генерация жесткого рентгеновского излучения с7энергиями квантов от 1 кэВ и выше;эффективное ускорение ионов плазмы тепловым и горячим электроннымикомпонентами до скоростей свыше 107 см/с.Для описания взаимодействия ФЛИ с плазмой был создан, на основе известных из литературы моделей взаимодействия лазерного импульса с плазмой, компьютерный код,учитывающий специфику плазмы ФЛИ.

Соответствующая система одномерных нестационарных уравнений в частных производных описывает процессы, происходящие в плоской мишени, на поверхность которой падает равномерно распределенный поток лазерного излучения. Полная система уравнений состоит из нескольких групп. Первая, газодинамическая группа описывает перераспределение вещества в пространстве. Вторая группауравнений описывает перенос энергии, а также перераспределение энергии между компонентами плазмы. Третья группа уравнений связана с расчетом ионизационного составаплазмы, то есть распределения ионов по кратностям ионизации, а также по основным ивозбужденным состояниям.

Четвертая группа уравнений описывает отражение и поглощение ФЛИ на границе раздела плазма–вакуум. Последняя, пятая группа уравнений описывает различные вторичные процессы, вклад которых в общий энергетический балансмал: генерацию рентгеновского излучения, нейтронов, горячих электронов и др. Применение рассматриваемой системы уравнений подразумевает идеальность плазмы в смыслеее невырожденности, электронейтральности, малости энергии межчастичного взаимодействия по сравнению с тепловой энергией, а также максвелловского распределения электронов и ионов по энергиям.

Не останавливаясь подробно на этом вопросе, отметим, чтовысокая температура плазмы ФЛИ обеспечивает ее невырожденность, а высокая плотность – электронейтральность и быструю термализацию поглощаемой лазерной энергии.Модели, описываемые подобными системами уравнений, неоднократно использовались для изучения процессов, протекающих в плазме, создаваемой лазерными импульсаминано– и субнаносекундной длительности. Характерной особенностью плазмы ФЛИ являются предельно малые времена протекающих в ней процессов и предельно высокие пространственные градиенты различных физических величин, что требует специальных мер иалгоритмов при создании численных схем. Минимальная длительность импульса ФЛИ внашей модели определяется применимостью уравнений для огибающей и составляет порядка 20–50 фс. Ограничение на максимальную длительность импульса ФЛИ связано свозможным развитием гидродинамических неустойчивостей на масштабах времен, существенно превышающих 1 пс, а максимальное время, на котором наша модель применимадля описания динамики параметров плазмы, ограничивается 5–10 пс, что связано с необходимостью учета ионизации и рекомбинации через возбужденные состояния в плазмемалой плотности.В модель не включен процесс генерации горячих электронов и связанные с этим процессы ускорения ионов и генерации жесткого рентгеновского излучения.