Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов, страница 3

С точки зренияэнергетического баланса, такое пренебрежение вполне оправданно. При необходимостиучета горячих электронов (например, для оценки эффективности возбуждения низкоэнергетических ядерных уровней) нами использовался феноменологический подход, при котором в каждой счетной ячейке число и энергия горячих электронов определялась интенсивностью светового поля по эмпирическим соотношениям.Таким образом, созданная одномерная одножидкостная двухтемпературная гидродинамическая модель с нестационарной кинетикой ионизации и ограниченным тепловымпотоком позволяет моделировать динамику формирования и эволюции плазмы на временах до 5–10 пс при воздействии ФЛИ с длительностью от 50 фс до 1 пс и интенсивностьюот 0,2 ПВт/см2 до 50 ПВт/см2.•8Поскольку ряд экспериментальных задач и методик требует моделирования разлетаплазмы на больших, вплоть до нескольких сотен наносекунд, временах, нами была построена соответствующая одномерная модель, имевшая ряд особенностей по сравнению сизвестными из литературы: в качестве начальных условий модели использовались пространственно-временные профили параметров плазмы, получаемые с помощью модели,описанной выше, на начальной стадии разлета плазма предполагалась плотной (вплоть дотвердотельной), горячей (до сотен эВ) с высокой кратностью ионизации Z>>1 и большимградиентом электронной и ионной плотности; учитывалось наличие остаточного газа иформирование ударных волн на фронте разлетающейся плазмы.

Расчет кинетики ионизации и рекомбинации проводился нами на основе уравнения среднего заряда с учетом ионизации и рекомбинации из возбужденных состояний. Данная модель позволяла моделировать динамику разлета плазмы на временах до сотен наносекунд.Диагностика плазмы, создаваемой сверхкоротким лазерным импульсом, обладает рядом специфических особенностей, определяющих необходимость развития существующих и создания новых методов оценивания параметров плазмы. В первую очередь это определяется малой энергией лазерного импульса, создающего плазму.

Так, для полученияинтенсивности свыше 10 ПВт/см2 при длительности импульса 100 фс и фокусировке в 2–3дифракционных предела достаточно энергии всего в 100 мкДж. Для сравнения, при использовании лазерных импульсов длительностью 100 пс энергия импульса, обеспечивающая ту же интенсивность на мишени, возрастает до 0,1–1 Дж. Это означает, что корпускулярные и фотонные потоки, излучаемые плазмой, достаточно малы и, с диагностическойточки зрения, возникают проблемы при регистрации слабых сигналов.Большая часть экспериментов, описываемых в диссертации, была выполнена с использованием лазерной системы сверхсильного светового поля, созданной под общим руководством С.А.

Ахманова и В.М. Гордиенко. Эта установка использовалась в двух режимах, которые в дальнейшем для краткости называются DYE и ЭКСИМЕР-ФС. Фокусировка излучения системы DYE производилась специальным объективом, обеспечивающим уменьшение аберраций в области 610 нм, в том числе связанных с малой длительностью и широким спектром ФЛИ. Предельное измеренное пятно фокусировки составило3 мкм.

В случае излучения системы ЭКСИМЕР-ФС на длине волны 308 нм существеннаядисперсия кварца и других материалов в УФ области спектра вынуждает использовать дляфокусировки тонкие плоско-выпуклые линзы с отношением фокусного расстояния к световой апертуре не менее 10. Таким образом, в этом случае нам не удалось получить фокусировку в пятно, меньшее 10 мкм в диаметре.Энергетический контраст ФЛИ в обоих случаях измерялся как отношение энергииФЛИ к энергии спонтанной генерации усилителей, попадающей в приемник при закрытомвпрыске ФЛИ. Длительность лазерного импульса системы DYE оценивалась по автокорреляционной функции второго порядка и составила τ ∼ 200±50 фс.

Длительность УФимпульса системы ЭКСИМЕР-ФС согласно оценкам не превышает 600±100 фс, при этомосновной вклад в удлинение ФЛИ вносит эффект, связанный с дисперсией фазовых скоростей при прохождении УФ-излучения через фокусирующую линзу.Часть экспериментов по исследованию влияния длительности, длины волны и интенсивности на генерацию горячих электронов проводилась на лазерной системе TWINKLEна неодимовом стекле с длительностью импульса 200 фс, либо 1 пс на длине волны 1,06,0,53 и 0,35 мкм (Вильнюсский университет).

Часть экспериментов по наблюдению гаммараспада низколежащих ядерных уровней была поставлена с применением лазерной системы на неодимовом стекле, созданной в Институте квантовой оптики и нелинейной спектроскопии Макса-Борна в Берлине (система MBI). Длительность ФЛИ в данном случае9непосредственно в процессе экспериментов не контролировалась и составляла около 1 пс.Фокусировка излучения на мишень проводилась с помощью внеосевого параболическогозеркала, что обеспечивало фокусировку излучения в пятно диаметром до 3 мкм.Энергия, длительностьобъективфильтрыСпектрометрс энергетическимразрешением10-5 ТоррШД1мишеньШД2Стрик-камераМногослойноезеркалоДетекторω, 2ωВремя-пролетныйспектрометрДифракционнаярешеткаRS232МикропроцессорныйблокПЭВМРис.1.

Общая схема комплекса диагностики плазмыПроведение экспериментов с использованием системы сверхсильного светового полятребует создания эффективной системы автоматизации, обеспечивающей контроль и измерение параметров системы в каждом лазерном импульсе, а также съем и обработку экспериментальных данных для большого числа детекторов различного типа. Для выполнения описанных задач под руководством диссертанта была создана система автоматизацииэксперимента на базе персонального компьютера. Созданная система автоматизации является распределенной, в смысле распределения различных функций между двумя процессорами: процессором персонального компьютера и процессором внешнего блока сопряжения с аппаратурой ВЕ51.Общая схема созданного диагностического комплекса представлена на рис.1.

Излуче-10ние фокусируется на мишень, находящуюся в камере взаимодействия с давлением остаточного газа не хуже 10-5 Тор. Смещение мишени осуществляется по двум координатам спомощью шаговых двигателей. Для измерения выхода мягкого рентгеновского излученияиз плазмы используются pin диоды (с многослойными рентгеновскими зеркалами в качестве спектрально-селективных элементов), а жесткого – детекторы на основе ФЭУ сосцинтиллятором NaJ(Tl) и наборами фильтров. Измерение временных характеристикрентгеновского излучения производится с помощью стрик-камеры с открытым электронно-оптическим преобразователем.

Ионные и электронные токи плазмы измеряются с помощью время-пролетных спектрометров (один из них с электростатическим анализатором). Оптический сигнал, отраженный от плазмы, регистрируется с помощью дифракционной решетки и детектора. Управление экспериментом и обработка данных осуществляется с помощью системы автоматизации и управления.Для тестирования созданного программного пакета проводилось сравнение результатов моделирования и экспериментальных данных по свечению плазмы в мягком рентгеновском диапазоне. Измеренияпроводились с использованиемX, отн.ед.излучения лазерной системы0,1ЭКСИМЕР-ФС с помощьюрентгеновских p-i-n диодов.Спектральный диапазон реги0,014страции определялся полосойпропусканиямногослойныхрентгеновских зеркал.1E-31Результаты моделиро56вания представлены на рис.21E-4для двух начальных условий:взаимодействия лазерного им2пульса с изначально резкой31E-5«прямоугольной»границей0,112веществаисграницей,экспоI, ПВт/смненциально спадающей в ваРис.2.

Экспериментальные и расчетные зависимости куум, что соответствует автоконверсии рентгеновского излучения η от интенсив- модельному решению задачиности I для Н-подобных ионов (λ=4,86 нм ¡, 2, 5), Не- об изотермическом истеченииподобных ионов (λ=6,03 нм „, 1, 4), в области фото- плазмы в вакуум. Введениерекомбинационного спектра (λ=4,52 нм (z), 3, 6) при такой границы учитываетпрямоугольной (1-3) и экспоненциальной (4-6) границе предварительный нагрев мишени спонтанным излучениемвещества при le ∼ 1 мкм.эксимерных усилителей (вэксперименте энергетический контраст субпикосекундного импульса к энергии спонтанного излучения составлял ~ 100).

Характерный масштаб предварительного разлета мишени le может быть оценен как произведение скорости разлета плазмы при интенсивностиI ~ 1 ГВт/см2 Vs ~ 105 см/с на длительность импульса спонтанного излучения τs ~ 1–5 нc.Очевидно лучшее совпадение расчетных и экспериментальных зависимостей для последней модели.Как отмечалось выше, важной особенностью плазмы ФЛИ является эффективная генерация горячих электронов. Экспериментальная реализация диагностики горячего электронного компонента может быть связана с прямой регистрацией электронного спектра11плазмы; регистрацией жесткого рентгеновского излучения плазмы; и регистрацией энергетического спектра ионов, ускоряемых на границе плазма вакуум.Для измерения спектра электронов плазмы нами был использован специальный спектрометр с энергетическим разделением заряженных частиц в поле цилиндрического конденсатора (см. рис.1.). Регистрация частиц на выходе спектрометра производилась с помощью шевронной микро-канальной пластины.

К пластинам конденсатора прикладывалось напряжение, изменением значенияNh(Е)которого можно было управлять среднейэнергией регистрируемых частиц.Измерение тока детектора с времен100ным разрешением до 10 нс обеспечивалоодновременную реализацию времяпролетныхиэнергоразрешающих10измерений. Измеряя величину временипролета при известном напряжении наанализирующем конденсаторе, с помощью этого спектрометра можно1оценить как энергию частицы, так и03691215отношение массы к заряду.E, кэВСпектр электронов плазмы ФЛИРис.3.

Электронный спектр плазмы ФЛИ.мишениSi,полученныйсиспользованием лазерной системы DYE при I ~ 20 ПВт/см2, представлен на рис.3. Сплошная линия на рис.3 получена аппроксимацией экспериментальной зависимости с помощьюсуммы двух максвелловских распределений с температурами Te ~ 200 ±70 эВ иTh ~ 4 ±1 кэВ. Отношение концентраций двух электронных компонент составило 150 ±70.Таким образом, нами впервые прямым измерением подтверждено существованиедвух электронных компонент и измерен энергетический спектр электронов плазмы ФЛИпри умеренной интенсивности ФЛИ I ~ 20 ПВт/см2.Одним из наиболее эффективных и удобных методов диагностики горячего электронного компонента плазмы является анализ спектров ее жесткого рентгеновского излучения в диапазоне энергий квантов свыше 3 кэВ. Для измерения выхода жесткого рентгеновского излучения из плазмы нами был создан детектор на основе сцинтиллятора NaI(Tl)и ФЭУ-119.

Регистрация сигнала с детектора осуществлялась с помощью специально разработанного зарядо-чувствительного усилителя с 5 дискретными значениями коэффициента усиления и аналого-цифрового преобразователя. Созданный детектор обеспечиваллинейность отклика по амплитуде при одновременной регистрации от 1 до 106 квантов сэнергией порядка 8 кэВ (амплитуда сигнала зарядо-чувствительного усилителя не превышала 3 В).Нами были разработаны два метода прецизионной фокусировки: по эффективностигенерации второй гармоники на отражение от плазмы и по эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения. Практическая реализация последнего метода оказывается значительно проще, не требуя, в частности, никакой предварительной юстировки измерительного тракта. Таким образом, именно регистрация жесткого рентгеновского излучения и использовалась в дальнейшем для прецизионной фокусировки излучения на мишень.Зависимости выхода жесткого рентгеновского излучения Y из плазмы ФЛИ в различные спектральные диапазоны от интенсивности, длины волны, длительности и контраста лазерного излучения были получены с использованием лазерных систем DYE и12TWINKLE.