Диссертация (1097752), страница 24
Текст из файла (страница 24)
32 Зависимости пиковых значений интенсивностей импульсовнейтронов, образованных в ходе реакций фоторасщепления дейтроновFn(кривая 1) и в ходе DD-реакций FnD (кривая 2), от интенсивностилазерного импульса I0 при L = 2 мкм.Действительно, на рис. 32 приводятся зависимости пиковыхзначений интенсивностей импульсов нейтронов, образованных в ходереакций фоторасщепления дейтроновFnи в ходе DD-реакций FnD , отинтенсивности лазерного импульса I0. Как видно из рис. 32, при I0>5*1020 Вт/см2 пиковые значения интенсивности лазерно-плазменногонейтронного источника превышают величину 1019 нейтронов в секунду.Оценивая площадь нейтронного источника, как площадь лазерногопятна на мишени (10-5 см2) получим максимальную плотность потоканейтронов не менее 1024 с-1см-2, что на восемь порядков превосходитмаксимальныеплотностипотоковсуществующихнейтронныхисточников (по данным обзора [55]).181Отметим в заключение, что для получения в релятивистскойлазерной плазме нейтронных импульсов с рекордными значениямиинтенсивностииплотностипотоковнейтронов,нетребуетсянакладывать жесткие условия на величину контраста интенсивныхфемтосекундных лазерных импульсов – реакции фоторасщепления иядерного синтеза дейтронов будут эффективно идти в лазерной плазметолько после прихода основного фемтосекундного лазерного импульса.Образование предплазмы при воздействии на мишень лазерныхпредымпульсовбудетигратьположительнуюроль,увеличиваяпоглощение основного фемтосекундного лазерного импульса.3.4.4.
ВыводыПрипомощидвухмернойверсиирелятивистскогоэлектродинамического PIC- кода KARAT исследованы неупругиепроцессы, протекающие при воздействии интенсивных лазерныхимпульсов на мишени микронной толщины, состоящие из дейтеридапалладия с высоким содержанием дейтерия. В самосогласованномэлектродинамическомрасчетевзаимодействияфемтосекундноголазерного импульса с плазменной мишенью учитывались процессыгенерации гамма- квантов тормозного излучения при кулоновскомрассеянииускоренныхэлектронов наядрахпалладия,реакциифоторасщепления дейтронов гамма- квантами, реакции ядерного синтезадейтронов (DD- реакции).Исследованы свойства импульсов нейтронов, образующихся в ходереакций фоторасщепления дейтронов и DD- реакций.
Показано, чтодлительность импульса нейтронов, возникающих в ходе реакцийфоторасщепления дейтронов, определяется периодом времени, в течениекотороговмишениобразуютсягамма-квантысэнергией,превышающей порог реакции фоторасщепления (2.23 МэВ).182Длительность импульса нейтронов, возникающих в ходе DDреакций определяется временем «баллистического» пролета дейтронов,ускоренных световым давлением лазерного импульса на фронтальнойповерхности мишени, сквозь объем мишени.
Получена простаяаналитическая формула, количественно описывающая зависимостьдлительности этого нейтронного импульса от толщины мишени иинтенсивности лазерного импульса.Показано, что несмотря на относительно невысокий полный выход(6*106 нейтронов за импульс), из-за микронных размеров пятнаоблучениямишениисубпикосекунднойдлительностиимпульсанейтронов, его пиковая интенсивность достигает величин порядка 1019 с1, характерных для самых мощных из существующих нейтронныхисточников, а максимальная плотность потока нейтронов 1024 с-1см-2, навосемь порядков превосходит максимальные плотности потоковсуществующих нейтронных источников.1833.5.
Выводы Главы 3Проведено моделирование эмиссии нейтронов при воздействиифемтосекундных лазерных импульсов на мишени из дейтерированногополиэтилена в диапазоне энергий лазерного излучения 0.2 - 20 Дж.Продемонстрированавозможностьиобъясненмеханизмдвадцатикратного увеличения выхода нейтронов при использованиислоистых мишеней из дейтерированного полиэтилена, с оптимальнымиразмерами слоев и межслойными расстояниями порядка одногомикрона.Проведено моделирование генерации гамма-квантов тормозногоизлученияпринаклонномпадениифемтосекундноголазерногоимпульса с интенсивностью 1021 Вт/см2 на субмикронную мишень иззолота.
Показано, что в случае субмикронных металлических мишенейсредняя энергия гамма-квантов оказывается в десятки раз меньшесредней энергии электронов. Предложена простая аппроксимационнаяформула, устанавливающая взаимно-однозначное соответствие междусредней энергией электронов и средней энергией генерируемых имигамма-квантов.Проведеноплазменныхрассчетно-источниковтеоретическоекорпускулярногоисследованиеилазерно-электромагнитногоизлучения, возникающих при воздействии фемтосекундных лазерныхимпульсов с интенсивностью порядка 1021 Вт/см2 на мишени издейтерида палладия микронной толщины.
Учитывались процессыгенерации гамма- квантов тормозного излучения при кулоновскомрассеянииускоренныхэлектронов наядрахпалладия,реакциифоторасщепления дейтронов гамма- квантами, ядерные реакции синтезадейтронов. Получены максимальные значения плотностей потоковнейтронов до 1024 н/(с·см2), что на несколько порядков превышаетзначения, характерные для нейтронных источников не лазерных типов.184ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯИНТЕНСИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯТРЕХМИКРОННОГО ДИАПАЗОНА С ВОДОЙ4.1 Введение.Взаимодействию лазерного излучения с жидкой водой посвященомножество работ, в первой из которых [1] излучением рубиновоголазера облучалась вода, подкрашенная медным купоросом для созданияполосы поглощения. При этом наблюдался светогидравлическийэффект, заключающийся в сильном увеличении давления за счетвзрывного вскипания воды в области поглощения лазерной энергии,сопровождающийся выплескиванием воды из зоны облучения.После создания твердотельных лазеров трехмикронного диапазона[2-4] появилась возможность обеспечить за достаточно короткое время(~100 нс) весьма высокий энерговклад в объем чистой воды благодарясильной полосе поглощения в этой области длин волн (коэффициентпоглощения 10 4 см ).
При взаимодействии интенсивного лазерного излучения-1трехмикронного диапазона с водой ее тонкий поверхностный слойоказывается перегретым значительно выше температуры кипения(вплотьдоуровня,преимущественнонаприкоторомпарообразованиефлуктуационныхцентрах–происходиткритическихзародышах), распад которого сопровождается резким повышениемдавления вследствие процесса взрывного вскипания, который приопределенных условиях может быть периодически повторяющимся [510].
Из численного расчета, проведенного в работах [5,6] в рамкаходномерной тепловой модели, допускающей появление дополнительныхповерхностей раздела фаз, следует, что процесс периодическихвзрывных вскипаний может иметь место в наносекундном диапазоне185длительностейлазерныхимпульсовприусловии,чтовремязародышеобразования меньше 0,1 нс.Свойства воды в перегретом метастабильном состоянии могутзаметно отличаться от свойств в равновесном состоянии. В работах [1119] исследовались проявления подобного метастабильного состоянияпри воздействии на воду трехмикронного излучения, при этомнаблюдался ряд новых эффектов: увеличение пропускания воды сростом мощности трехмикронного излучения, заметное уменьшениепоказателя преломления в области прозрачности, генерация звуковыхимпульсов,втомчисле,субнаносекундных.Другимспособомдостижения сильно перегретого метастабильного состояния водыявляется облучение лазерными импульсами ближнего ИК- диапазонапоглощающей подложки, на поверхность которой нанесен слой воды,прозрачныйдлялазерногоизлучения.вскипания воды в этом случаеОсобенностивзрывногоэкспериментально и теоретическирассмотрены в работах [20-23].Недавно авторами [24] был обнаружен эффект генерированияэлектрических импульсов (сигналов)8 при воздействии на воду импульсагольмиевого YSGG:Cr3+:Yb3+:Ho3+ лазера на длине волны 2.92 мкм(энергия в импульсе ~ 10 мДж, длительность l ~ 150 нс, коэффициентпоглощения в воде 1.3 104 см-1) с интенсивностью ниже порогаплазмообразования.Вихэкспериментахкюветыдвухтипов,наполненные дистиллированной водой, помещались между обкладкаминезаряженного конденсатора и облучались лазерными импульсами.Кювета первого типа была предназначена для облучения воды сосвободной поверхностью, а кювета второго типа – для облучения воды взамкнутом объеме, где процесс поверхностного испарения воды8Помимо термина « электрический импульс» мы будем использовать эквивалентный термин«электрический сигнал», что связано с методом регистрации в эксперименте электического импульсав воде в виде сигнала на осциллографе.186невозможен.
При облучении воды в кюветах обоих типов, на обкладкахконденсатора регистрировалась разность потенциалов (электрическийсигнал) с амплитудой ~ 10 мВ.Авторы [24] объясняли генерирование электрических импульсов вводе следующим образом. При воздействии лазерного импульса на водупервоначальный нагрев воды происходит в тонком поверхностном слое(~ 1 мкм). Повышенная температура в перегретом слое сдвигаетконстанту диссоциационного равновесия воды в сторону ростаконцентрации ионов H+ и OH-. Продукты термической диссоциациидиффундируют из зоны нагрева с разной скоростью, причем ион H+движется с большей скоростью, чем ион OH-, т.е. происходит разделениезарядов.
В дальнейшем разделение зарядов тормозится возникшимэлектрическим полем и затем прекращается из-за остывания воды и,следовательно, рекомбинации ионов. В работе [24] были полученыоценочныезначенияамплитудыэлектрическогоимпульса,обусловленного диффузионным разделением заряда, U ~ 4 мВ, при этомподчеркивалсяпредварительныйхарактерпредложеннойинтерпретации. Однако возможности проведения более подробногоизучения обнаруженного эффекта в этой работе были ограниченымалымиамплитудамирегистрируемогоэлектрическогосигнала,обусловленными низкой энергией применявшегося в экспериментахлазера.В [25,26] были представлены результаты исследований эффектагенерирования электрического сигнала при взаимодействии с водой ирядомдругихполярныхжидкостеймощногонецепногоэлектроразрядного HF лазера, в спектре которого ( 2.6 3.1 мкм) такжеприсутствуютлиниисэкстремальнобольшими( 10 4см-1)коэффициентами поглощения в воде, а также СО2 - лазера с длинойволны 10.6 мкм (коэффициент поглощения в воде 980 см-1) при187интенсивностях излучения ниже порогов плазмообразования.
Высокаяпо сравнению с [24] энергия HF и СО2 лазеров позволила увеличитьрегистрируемый электрический сигнал более чем на 2 порядка, чтосущественно расширило возможности набора данных, необходимых дляинтерпретации наблюдаемого явления. При облучении импульсами HFи СО2 лазеров свободной поверхности воды, а также при облученииимпульсами HF лазера воды, поверхность которой закрываласьпрозрачной пластиной из плавленого кварца, были зарегистрированыэлектрические сигналы с амплитудами ~ 10 В и длительностями ~ 1 мс.Из других исследованных в [26] полярных гидроксилсодержащихжидкостей (спирты), заметный электрический сигнал наблюдался лишьпри облучении глицерина.В результате проведенных в [25-27] экспериментов былиполучены зависимости амплитуд электрического сигнала от энергиилазерного излучения, измерены пороги объемного взрывного вскипанияводы при тех же условиях фокусировки излучения, и установленаоднозначная связь эффекта генерирования электрических импульсов вводе с процессом объемного взрывного вскипания воды, как в случаесвободной, так и в случае зажатой поверхности.
На качественном уровненаблюдаемое явление было интерпретировано следующим образом. Вслучае облучения свободной поверхности электрический импульсгенерируется в результате объемного взрывного вскипания воды,сопровождающегосясбросом и разбрызгиванием ее перегретогоповерхностного слоя, разрушением электрического слоя на поверхностии разлетом электризованной паро-капельной смеси (баллоэлектрическийэффект).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
