ЧИСЛЕННОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ВВОДА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛОСТЬ ЧЕРЕЗ ОТВЕРСТИЕ.

С.Ю.Гуськов, Н.В. Змитренко^*, И.Г. Лебо, В.В. Никишин^*, В.Б. Розанов, В.Ф. Тишкин^*

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН
^* Институт математического моделирования РАН

    В ряде перспективных конструкций  термоядерных мишеней ( см. [1-4] ) предполагается вводить лазерное излучение через отверстия во внешней камере. Испарение внешний слоев может привести к “экранированию” рабочей мишени и снижению эффективности лазер-плазменного взаимодействия в такой микромишени. На основании двумерных численных расчетов, выполненных по прграмме “НАТСИ” ( см. [ 5 ] ),  исследуется эффективность ввода лазерной энергии в полость, и для заданных параметров мишени найдены оптимальные соотношения радиусов отверстия и лазерного пучка ( в предположении, что пучок имеет “гауссовое” в поперечном направлении распределение интенсивности ).

    Литература

1. W.J.Hogan. Fusion Energy Design, 9,401, 1989
2. А.В.Бессараб, В.А.Гайдаш и др. ЖЭТФ, 102, 1800, 1992
3. С.Ю.Гуськов, Н.В.Змитренко, В.Б.Розанов. ЖЭТФ, 108, 548, 1995
4. Н.Г.Басов, И.Г.Лебо и др. Квантовая электроника, 25, 327, 1998
5. I.Lebo, V.Nikishin, V.Rozanov, V.Tishkin. In Proceeding of 6-th Inter.Workshop on The Physics of Compressible Turbulent Mixing ( Marseille, June 1997, France ), p.312

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСФОРМАЦИИ ЭНЕРГИИ В ЛАЗЕР-ПЛАЗМЕННЫХ  ЭКСПЕРИМЕНТАХ С ПИКОСЕКУНДНОЙ ДЛИТЕЛЬНОСТЬЮ ИМПУЛЬСА

^*А.А. Андреев, В.Г. Бородин, В.В. Ильин, В.М. Комаров, В.А. Малинов, В.М. Мигель, Н.В. Никитин, А.В. Сердюков, А.В. Чарухчев, В.Н. Чернов

^*НИИ Лазерной Физики ВНЦ "ГОИ им. С.И.Вавилова", г. С.- Петербург, Россия
НИИ Комплексных Испытаний Оптико-Электронных Приборов и Систем,  г. Сосновый Бор, Ленинградской обл., Россия

    Представлены результаты экспериментов по измерению энергии и спектра рассеянного лазерного света при облучении плоских массивных мишеней импульсом пикосекундной длительности на установке "Прогресс-П". Лазерный канал обеспечивал энергию до 15 Дж при длительности импульса 1.4 пс. Фокусировка излучения на мишень осуществлялась с помощью осевого параболического зеркала с относительным отверстием f/1.1 и кружком рассеяния до 7 мкм, что позволяло обеспечить интенсивность на мишени до 10¹⁹ Вт/см². Контраст излучения по мощности за 10 пс до максимума импульса составлял не менее 10³. В диапазоне 10¹⁶ - 10¹⁹ Вт/см² измерены коэффициент отражения лазерного излучения, в том числе зеркальная и диффузная составляющие, а также коэффициент отражения в апертуру фокусирующего зеркала.  Проведено исследование спектра лазерного излучения, рассеянного в апертуру фокусирующего зеркала при интенсивности 10¹⁹ Вт/см² . Представлены результаты экспериментов по исследованию трансформации лазерной энергии в быстрые частицы. Дана интерпретация в рамках аналитической модели.
 
 
 
 

TRANSFORMATION OF ENERGY IN PICOSECOND LASER - PLASMA EXPERIMENTS

^*A.A. Andreev, V.G. Borodin, V.V. Ilyin, V.M. Komarov, V.A. Malinov, V.M. Migel, N.V. Nikitin, A.V. Serdukov, A.V. Charuhchev, V.N. Chernov

^*Institute of Laser Physics SC "S.I.Vavilov State Optical Insnitute", St.-Petersburg, Russia
Scientific Research Institute for Complex Testing, Sosnovy Bor, Russia

The results of experiments on measurement of energy and spectrum of laser light scattered from plane massive targets irradiated by picosecond laser pulse are represented. The experiments were carried out on the installation "Progress - P". The laser channel ensured energy up to 15 J at pulse duration of 1.3 - 2 ps. Focusing of a radiation on a target was carried out with the help of f/1.1 on axis parabolic mirror with dispersion circle up to 7 microns, that allowed to supply intensity on a target up to 10¹⁹ W/cm². The power contrast ratio before 10 ps upto  maximum of laser pulse was not less than 10³. In a range 10¹⁶ - 10¹⁹ W/cm² factor of reflection of a laser radiation, including specular and diffuse component, and also factor of reflection into the aperture of a focusing mirror are measured. The research of a spectrum of laser radiation, scattered in the aperture of a focusing mirror at intensities 10¹⁹ W/cm² is conducted. The experimental results on investigation of laser energy transformation into the fast particles are represented. The interpretation is given within the framework of an analytical model.

О НЕЙТРОННОМ ВЫХОДЕ В КОНИЧЕСКИХ МИШЕНЯХ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ПОДОГРЕВОМ ГОРЮЧЕГО.

Лебо И.Г.

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва

    В [1] обсуждалась возможность увеличения нейтронного выхода из ДТ-горючего в конических мишенях, облучаемых KrF-лазером за счет использования составного ( длинный плюс короткий ) лазерного импульса. В докладе представлены расчеты сжатия и термоядерного энерговыделения в конических мишенях, облучаемых составным лазерным импульсом. Длинный лазерный импульс ( t₁~ 100 нс ) имел треугольную временную форму и энергию 300 кДж, а короткий ( t₃- t₂ =10 пс ) - 20 кДж. Мишень представляла собой квазисферический золотой конус с радиусом R₀ и углом при вершине Q₀, ( параметры R₀, Q₀ варьировались в расчетах, R₀ = 0,9ё 1.3 см, Q₀ = p /10 ё p /4 ). Вблизи вершины конуса располагалась золотая область с начальным радиусом 0,1 см. Введение такой области потребовалось для того, чтобы эффективно учесть влияние деформации стенок и дна конической мишени на параметры сжатия. У основания конуса была расположена тонкая алюминиевая оболочка в виде сферического сегмента, с намороженным на внутреннюю поверхность ДТ-льдом ( либо ДТ-жидкостью удерживаемую в пористом слое пластика ). Масса алюминиевого слоя подбиралась таким образом, чтобы она полностью испарилась в процессе ускорения оболочки к центру. В случае пористой мишени, содержащей жидкое ДТ-горючее, вследствие развития неустойчивости Рэлея-Тейлора на стадии ускорения к центру более тяжелый материал пор “проваливался” по действием сил инерции, то есть выходил наружу и испарялся. Внутри конуса содержался ДТ-газ. Интенсивность излучения длинного импульса не зависела от угла, а у короткого имела “гауссовое” распределение”: q~ exp (-(q /q₀)²). Поток лазерной энергии второго импульса достигал критической поверхности, а далее проникал в глубь, поглощаясь по закону q ~ exp(-т r dr/ l ), где l , q₀ задавались в виде параметров, расстояние отсчитывалось от R_cr - радиуса с критической плотностью плазмы. Момент ввода короткого импульса t₂ соответствовал моменту максимального сжатия горючего за счет длинного импульса. К этому моменту плотность горючего составляла 1-10 г/см³, а температура T_i~1 кэВ.
    Дополнительный нагрев горючего позволил повысить нейтронный выход на порядок величины и достигнуть значений Y_n= (2ё 5)10¹⁶ .

    Литература.
    1. Зворыкин В.Д., Лебо И.Г., Розанов В.Б. КСФ ФИАН, 9-10,20, ( 1997 )

ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЮМИНИЯ ПРИ ЛАЗЕРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ УДАРНЫХ ВОЛН

И.К. КРАСЮК, П.П. ПАШИНИН, А.Ю. СЕМЕНОВ, ^*И.В. ЛОМОНОСОВ, ^**В.Е. ФОРТОВ, ^***D. BATANI, ^****M. KOENIG, A. BENUZZI

Институт общей физики РАН
^* Институт химической физики в Черноголовке РАН
^** Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий РАН
^***University of Milan, Dipartimento di Fisica, Milano, Italy
^****LULI, Ecole Polytechnique, Palaiseau, France

    В работе проведено исследование влияния предпрогрева мишени на точность определения характеристик ударной волны с применением оптического базисного метода, основанного на измерении разности времен выхода ударной волны на свободные поверхности ступенчатой мишени.
    УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА. Эксперименты выполнены с лазерным излучением длительностью 0.6 нс с длиной волны излучения 0.53 мкм и с интенсивностью на мишени до 10¹⁴ Вт/см². Давление на мишени- 6.8 Мбар. В опытах использованы ступенчатые мишени из алюминия с толщиной базы- 9.4 мкм и высотой ступени- 4 мкм при ширине переходной зоны около 2 мкм. Для измерения "цветовой" температуры вещества в волне разгрузки использован двухканальный пирометр.
    ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ. Для определения характеристик ударных волн на основе результатов экспериментальных измерений использован одномерный численный код с использованием уравнений гидродинамики в Лагранжевых переменных, дополненных термодинамически полным широкодиапазонным полуэмпирическим многофазным уравнением состояния алюминия. Для вычисления временного хода температуры вещества в волне разгрузки использован подход, основанный на вычислении спектральной яркости излучения слоя с известным пространственным распределением плотности вещества и температуры. Расчеты амплитудных и временных характеристик свечения вещества на свободной поверхности мишени с учетом ее предпрогрева выполнены в предположении, что нагрев мишени происходил в результате объемного выделения тепла с постоянной мощностью 1.7Ч10¹³ Вт/см³, что соответствует ожидаемому нагреву вещества перед фронтом ударной волны: 0.3 - 1 эВ. Результаты численных и аналитических расчетов показали, что прогрев приводит к образованию на свободной поверхности мишени слоя, в котором плотность меняется от 2.7 г/см³ до 1.2Ч10^-2 г/см³. Наличие этого слоя определяет длительность нарастания оптических сигналов, регистрируемых на тыльной стороне мишени.
    Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, проект N 97-02-16456.

E-mail: krasyuk@lpl.gpi.ru - И.К.КРАСЮК

Анализ формирования плазменного канала в газовой мишени, облучаемой лазером.

Красногоров И.В, Глазырин И.В., Диянков О.В., Кошелев С.В., ^*Феодорович Г., ^*Бартник А.

Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИТФ, Снежинск, Россия
^*Институт оптоэлектроники Военно-технической академии, Варшава, Польша

    Целью моделирования являлось изучение поведения газовой мишени, облучаемой лазером, и процесс образования плазменного канала. Для анализа процессов использовалось численное моделирование по программе MAG.
    При изучении процесса формирования плазмы анализировались два случая: 1) в нагреваемой области был газ, плотность которого выше критической плотности для данных параметров лазера (точка лазерного фокуса находилась на расстоянии 0.2мм от среза сопла); 2) область была заполнена газом с плотностью ниже критического значения (где расстояние между срезом сопла и точкой фокуса – 1мм).
    Динамика формирования плазмы в этих случаях сильно различается. Во втором случае обширная область прогревается на всю глубину газа – от места падения луча лазера до противоположной границы газа. Из-за распространения тепловой и ударной волн плазма расширяется в направлении, перпендикулярном фокусной линии лазера. В результате вдоль линии лазерного фокуса образуется почти однородный плазменный столб, что соответствует эксперименту с плотностью газа ниже критической.
    Моделирование показало, что в первом случае динамика плазмы имеет более сложный характер. В этом случае длина поглощения лазерного излучения ограничена, вследствии этого образующаяся под воздействием лазерного излучения область плазмы имеет небольшие размеры. Из-за меньшей области поглощения энергии плазма прогревается до более высоких температур (максимальная температура достигает 480эВ), чем во втором случае (соответствующая максимальная температура – 380эВ). Движение возникающей УВ должно быть сферическим, но скорость УВ, распространящейся вдоль направления лазерного импульса отличается от скорости перпендикулярной УВ. Т.к. скорость УВ приблизительно равна 10⁷ см/сек, то через 0.5нс перпендикулярная УВ покидает область поглощения лазера (фокальное пятно). Дальнейшее распространение УВ определяется давлением окружающего газа и магнитным давлением. Магнитное поле достигает значения около 1МГс. Из-за коэффициентов замагниченности перенос тепла ограничен, поэтому образуется область, окруженная стенками с острым профилем плотности. Максимальная плотность стенки существенно превышает критическое значение, в то время как плотность внутри области ниже критической. Энергия поглощается в небольшой области между стенками. При поглощении энергии и прогреве газа возникает абляция вещества в низкоплотную область. И, как следствие, появляется канал – небольшая горячая область у линии фокуса. Получающаяся в численном моделировании конфигурация плазмы соответствует наблюдаемой в экспериментах.

    Данная работа частично поддерживалась проектом МНТЦ №525.

СТАБИЛИЗАЦИЯ СЖАТИЯ  ЛАЙНЕРА

И.В.Глазырин, О.В.Диянков, С.В.Кошелев, И.В.Красногоров, А.Н.Слесарева

Российский Федеральный Ядерный Центр - ВНИИТФ

    В работе проведен численный анализ механизма подавления магнитогазодинамической (МГД) неустойчивости. Рассмотрены три различных способа, позволяющие уменьшить общий рост неустойчивости: использование двойного газового лайнера с тяжелой внутренней оболочкой и легкой внешней, имеющего плотность, распределенную вдоль радиуса по определенному закону [1]; вращение лайнера [2]; использование внешнего магнитног поля [3].
    Конфигурация лайнера и форма тока во всех приведенных выше подходах к изучению подавления неустойчивости брались из экспериментов, проводимых в Институте Сильноточной Электроники, Томск [1].
 2D численное МГД моделирование показывает, что использование для заданной формы тока специальным образом структурированной газовой нагрузки позволяет существенно подавить развитие МГД неустойчивости. Возможный механизм подавления неустойчивости: сжатие стабилизируется, когда ударная волна проходит по плотности, возрастающей к оси. Подавление неустойчивостей происходит из-за увеличения массы сжимаемого газа. В результате ускорение границы плазма-магнитное поле уменьшается, что приводит к более устойчивому сжатию (аналогия с неустойчивостью Релей-Тейлора).
    Для анализа механизма подавления неустойчивости во вращающемся лайнере сделаны следующие предположения: градиент магнитного поля в скин-слое, составляющем половину или треть радиуса, постоянен; центробежная сила пропорциональна плотности и квадрату угловой скорости; вращательный момент должен сохраняться; силы центробежного и магнитнго давлений должны быть равны.
    Среднее значение радиуса, вычисленное для заданных параметров лайнера и генератора, близко к 1D результатам. Моделирование показало, что существует оптимальная скорость вращения в смысле получения максимальной плотности.
    Неожиданно то, что вращение лайнера приводит к росту неустойчивостей. При задании возмущений в невращающемся лайнере максимальная плотность увеличивается приблизительно в 2 раза, во вращающемся лайнере плотность увеличивается в 5 раз.
    Использование внешнего магнитного поля позволяет подавить неустойчивость в случае, когда поле приобретает определенную форму и достигает оптимальной величины. Недостаток схемы состоит в том, что из-за потерь энергии на сжатие аксиальным магнитным полем уменьшается внутренняя энергия.
    Анализ показывает, что начальное аксиальное поле 1 или 2кГс стабилизирует сжатие лайнера, в то время как магнитное поле 0.5, 5кГс приводит к росту неустойчивостей. Поле больше 2кГс меньшает эффективность сжатия лайнера. Т.о. получили оптимальную величины для аксиального магнитного поля. Влияние аксиального поля развивается только на последней стадии сжатия, когда величины азимутального и аксиального полей становятся приблизительно равными. Потери на сжатие магнитного поля и вращение лайнера пренебрежимо малы из-за маленького значения начального поля.
    Данная работа частично поддерживалась проектом МНТЦ №525.

    REFERENCES.

1. R.B.Baksht, A.V.Fedunin, A.Yu.Labetsky, V.I.Oreshkin, A.G.Russkikh, A.V.Shishlov, Stability and K-shell Radiation of Z-pinch, AIP Conf. Proc.,Dense Z-pinches, Vol.409, pp.555-559 (1997).
2. J.H.Hammer, D.D.Ryutov. Generation of rotation and shear flow in an imploding liner. Beams96 proceedings, Prague, 1996, Vol.1, p.p. 178-181.
3. S.A.Sorokin and S.A.Chaikovsky, Proc. of the 3rd Int. Conf. on Dense Z-Pinches, AIP Conf. Proc. 299, 83 (1993).

ОСОБЕННОСТИ РЕАКТИВНОГО УСКОРЕНИЯ ПЕЛЛЕТ ИЗ ЗАМОРОЖЕННОГО ВОДОРОДА ИМПУЛЬСОМ СО₂-ЛАЗЕРА

Н.Н.Демченко, ^*А.Ф.Настоящий

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
^*ГНЦ РФ “Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований”, Троицк, Россия

    В работе обсуждаются физические условия в плазменной короне при реактивном ускорении льдинок из замороженного водорода импульсом лазера и вытекающие из этих условий требования к длине волны лазерного излучения, продолжительности импульса лазера и плотности мощности лазерного потока.
Как известно, в больших токамаках (и стеллараторах) реакторных размеров поддержание стационарного режима может быть обеспечено бесперебойной пеллет-инжекцией льдинок из замороженного водорода. Чтобы пеллета смогла достичь ценральных, наиболее горячих областей плазмы, она должна обладать достаточно высокой скоростью (для реактора типа ITER, с учетом разрушения пеллеты a-частицами, эта скорость должна быть свыше 30 км/с [1]).
    Вместе с тем, освоенные в настоящее время методы пеллет-инжекции - центрифуги и газовые пушки - не обеспечивают требуемой скорости. В то же время лазерные методы разгона пеллет, основанные на принципе реактивной тяги, способны обеспечить скорости свыше 100 км/с [2]. Однако, существуют определенные ограничения на выбор лазера, длительность его импульса излучения и плотность лазерного потока.
Эти ограничения вытекают из требования сохранить пеллету в конденсированном состоянии. Как известно, в опытах по ускорению плоских фольг коротким импульсом Nd-лазера ускоренная часть мишени превращается обычно в облако плотной низкотемпературной плазмы. Причиной тому являются, как правило, возникновение ударной волны и прогрев мишени излучением плазменной короны.
    В связи с тем, что критическая плотность электронов для СО₂-лазера на 2 порядка меньше, чем в случае Nd-лазера, мощность излучения короны в поле излучения СО₂-лазера примерно на 4 порядка меньше. При выборе в качестве рабочего интервала электронных температур в области 10-100 эВ, где излучение водородной плазмы минимально, его прогревающий эффект можно снизить до безопасного уровня. Возникновение ударной волны можно исключить посредством “мягкого” включения импульса лазера, когда время включения существенно превосходит характерное время распространения ударной волны в ускоряемой мишени.
    В представленной работе обсуждаются некоторые особенности ускорения пеллет из замороженного водорода для инжекции в токамаках и стеллараторах, и приводятся результаты численного исследования задачи с учетом уравнения фазового состояния замороженного водорода. Определены параметры лазерного излучения; найдены режимы лазерно-реактивного ускорения льдинок водорода, когда конденсированное состояние замороженного водорода (дейтерия, трития) сохраняется; численным путем исследованы распределения параметров плазмы в разлетающейся короне и найдены скорости ускоряемых пеллет.

    Литература

1. Nastoyashchii A.F., Morozov I.N., Hassanein A. Proc. 20-th SOFT (September 7-11, 1998; Marseille, France), vol.1, p.625-628.
2. Nastoyashchii A.F., Morozov I.N., Demchenko N.N. Proc. 4-th ISFNT (April 6-11, 1997; Tokyo, Japan). Fusion Engineering and Design (to be published), 1998.

ОБ ОДНОМ ТЕСТЕ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ТРЕХМЕРНОГО УРАВНЕНИЯ НЕЛИНЕЙНОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

И.Г.Лебо^*, И.В.Попов, В.Ф.Тишкин

Институт математического моделирования РАН
^* Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

    Разработана трехмерная программа “HEAT_3D” для решения нелинейного уравнения теплопроводности в декартовых координатах на нерегулярной разностной сетке. Программа тестировалась с помощью аналитического автомодельного решения уравнения теплопроводности , где поток тепла имел вид , а само решение , коэффициенты , C₁ и С₂ подбирались из начальных и граничных условий.
    Расчеты по программе “HEAT_3D” были сделаны на трехугольных сетках с различным числом узлов для различных типов граничных условий.
    Была показана сходимость численных решений к аналитическому и сделана оценка точности расчетов в зависимости от количества узлов разностной сетки и вида граничных условий.

Оптимизация спектра микропинчевого источника мягкого рентгеновского излучения для целей рентгеновской микроскопии и литографии

К.Т. Караев, А.Е. Гурей, Н.В. Калачёв, В.Я. Никулин, А.А. Рупасов, А.А. Тихомиров, Д.Н. Федин

Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН Ленинский пр., д. 53, Москва

    В работе изучался спектральный состав мягкого рентгеновского излучения (МРИ) и влияние его на качество рентгенолитографических изображений с целью разработки и создания на основе низкоиндуктивной вакуумной искры высокоэффективного источника МРИ для микроскопии и литографии.
    Исследования велись в наиболее подходящем для целей рентгеновской литографии и микроскопии диапазоне длин волн от 1,0 до 8,0 нм. В эксперименте использовался спектрограф с пропускающей дифракционной решеткой, представляющей собой периодическую структуру, образованную системой свободно подвешенных тонких проволочек. Экспериментальный спектр получался за один импульс. В качестве материалов электродов использовались сталь, титан, медь.
    Анализ восстановленного спектрального распределения излучения источника в диапазоне 1,0-8,0 нм и качества рентгенолитографических изображений показал, что:

• спектральный состав излучения при использовании электродов из Fe (сталь) имеет локальный максимум в диапазоне 0,8 – 1,3 нм, образованный излучением линий L-ионов в горячих точках (микропинчах). Контраст изображений, получаемых в процессе рентгенолитографии, достигает величины порядка 20-30;

• в случае Ti электродов локальный максимум излучения смещается в более мягкую область 1,5 - 2,5 нм. Несмотря на то, что в этом случае пространственное разрешение и контраст масок улучшается, однако эффективность использования излучения снижается примерно в 2 раза;

• при использовании Cu электродов (~ 0,6 – 1,0 нм) наблюдается некоторое ухудшение контраста и разрешения. Однако за счет меньшего поглощения МРИ время экспонирования резиста сокращается в ~1,5 раза.

ЧИСЛЕННОЕ  ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ АДДИТИВНОСТИ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК  НЕУСТОЙЧИВОСТИ РИХТМАЙЕРА-МЕШКОВА

Н.В. Змитренко, В.В. Никишин, Н.Г. Прончева, ^*В.Б. Розанов, В.Ф. Тишкин

Институт математического моделирования РАН, Москва, Россия
^*Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия

 В работе изложены результаты анализа так называемых "фундаментальных событий", т.е. простых (периодических или уединенных) двумерных возмущений и составленных из них структур. Показано, что такие характеристики сложной структуры как масса, импульс и циркуляция могут быть выражены через соответствующие величины для простых форм. Проанализированы зависимости скорости роста и циркуляции возмущения от времени и предложены теоретические модели для их объяснения.

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ РИХТМАЙЕРА-МЕШКОВА ПРИ НЕГАРМОНИЧЕСКОМ ВОЗМУЩЕНИИ КОНТАКТНОГО РАЗРЫВА

С.В. Сергеев, А.Н. Алешин, Е.В. Лазарева, С.Г. Зайцев

Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского, 117927 Россия, Москва, Ленинский пр. 19.
Тел. (095)955-3107, Факс. (095)954-4250, E-mail sgz@mazilin.msk.ru

Ключевые слова: неустойчивость Рихтмайера-Мешкова, многомодовое возмущение, ударная волна.

    Проведены экспериментальные исследования эволюции неустойчивости Рихтмайера-Мешкова на контактном разрыве, образованном негармоническими возмущениями синусоидальной формы, после прохождения через него ударной волны для двух комбинаций газов: He-Xe (число Атвуда At = 0.941, число Маха М₀ » 2.7) и Ar-Xe (At=0.533, М₀ » 3.5). Исходные контактные разрывы образовывались путем наклейки тонкой полимерной пленки на пластмассовую рамку соответствующей формы.
    Изучалось взаимное влияние возмущений, имеющих как одинаковую, так и разную величину параметра а₀/l (а₀, l — амплитуда и длина волны исходного возмущения, соответственно) [1]. Анализ полученных результатов показал, что взаимное влияние близкорасположенных возмущений приводит к тому, что амплитуда возмущения здесь примерно на 30% больше, чем в случае изолированного 2D возмущения, т.е. когда расстояние между соседними возмущениями превышает 3l )[1].
    Результаты обработки экспериментальных данных показывают, что для возмущения в виде суперпозиции двух возмущений l = 72 мм, а₀ = 10 мм (а₀/l» 0.14) и расположенного на его “вершине” гармонического возмущения синусоидальной формы с l = 12 мм, а₀ = 10 мм (а₀/l» 0.83) наблюдается заметное взаимное влияние составляющих его возмущений, выражающееся в том, что рост амплитуды такого возмущения меньше, чем любой из составляющих его частей. Эффект наблюдается как для пары Ar-Xe, так и для пары He-Xe, но в последнем случае он менее выражен из-за большого числа Атвуда.

    Литература

1. С.В. Сергеев, А.Н. Алешин, С.Г. Зайцев, Е.В. Лазарева. Экспериментальное исследование неустойчивости Рихтмайера-Мешкова на контактном разрыве с одним или несколькими возмущениями. Труды международной конференции “IV Забабахинские научные чтения”, Россия, 1995.

RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY EVOLUTION AT UNHARMONIC PERTURBATION OF AN INTERFACE.

S.V. Sergeev, A.N. Aleshin, E.V. Lazareva, S.G. Zaytsev

Krzhizhanovsky Power Engineering Institute, Leninsky pr. 19, Moscow, 117927, Russia
Tel. (095)955-3107, Fax. (095)954-4250, E-mail sgz@mazilin.msk.ru

Key words: Richtmyer-Meshkov instability, multimode perturbation, shock wave

    A series of shock tube experiments to study Richtmyer-Meshkov instability evolution for the case of unharmonic initial perturbation of sinusoidal shape with different wavelengths and amplitudes disturbed by shock passage was carried out for two couples of inert gases: He - Xe (the Atwood number At=0.941, the Mach number M₀» 2.7) and Ar - Xe (At=0.533, M₀» 3.5). The initial two-dimensional (2D) interfaces were modeled with a thin polymeric film, 1.5 - 3 mm thick, glued onto plastic frames.
    We studied reciprocal influence of perturbations which had both equal and different values of curvature a₀/l (a₀ and l are the initial perturbation amplitude and wavelength).
    Analysis of the experimental data indicated that the reciprocal influence of neighboring perturbations of the same initial curvature a₀/l has expressed in 30% perturbation growth as compared to the single 2D perturbation, i.e. if the distance between neighboring perturbations exceeds 3l [1].
    Results of the data processing indicate that significant reciprocal influence of the perturbations which had parts of different curvature a₀/l is observed in the case of the perturbation consisted of two parts: the lower part is a sinusoidal perturbation with wavelength l = 72 mm and amplitude a₀ = 10 mm, the upper part is a harmonic sinusoidal perturbation with wavelength l = 12 mm and amplitude a₀ = 10 mm (a₀/l = 0.83). This influence is expressed in deceleration of the perturbation growth rate as compared to the growth rates any of its parts. Such an effect is observed both for Ar - Xe and He-Xe couples, but it isn’t so evident in the latter case due to large value of the Atwood number.

    Reference

1. Sergeev S.V., Aleshin A.N., Lazareva E.V., Zaytsev S.G. Experimental Study Of Richtmyer-Meshkov Instability On Interface Consisted Of One Or Several Perturbations. Proceedings of The International Conference “IV Zababakhin Scientific Talks”, Snezhinsk, Russia, 1995.

ЛАЗЕР НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ДРАЙВЕР ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Е.Л. Салдин, Е.А. Шнейдмиллер, ^*М.В. Юрков

НПО Автоматических систем, Самара, Россия
^*Объединённый институт ядерных исследований, Дубна, Россия

    В докладе представлен анализ возможности использования лазера на  свободных электронах (ЛСЭ) в качестве энергетического драйвера для промышленного термоядерного реактора на основе инерциального термоядерного синтеза (ИТС). Подобная проблема интенсивно исследовалась около двух десятков лет назад специалистами США и Японии. Результаты этих исследований показали, что применение стандартной техники ЛСЭ требует разработки ускорителей с параметрами, которые вряд ли могут быть реализованы в обозримом будущем [1,2]. Окончательный итог этих исследований был подведен в работе [3], где было сказано, что применение ЛСЭ для инерциального термоядерного синтеза является технически невозможным. Основное ограничение определяется требованием на пиковую мощность электронного пучка.
    Последнее десятилетие было отмечено заметным прогрессом в развитии ускорительной техники, физики и техники ЛСЭ. Как результат, недавние исследования показали, что создание ЛСЭ для промышленного ИТС-реактора является возможным на современном уровне развития ускорительной техники и техники ЛСЭ [4,5,6]. Основной идеей, позволившей сделать прорыв в данном направлении, явилась идея суммирования мощности оптического излучения в многокаскадном ЛСЭ-усилителе. Были разработаны схемы ЛСЭ-усилителя, позволяющие получать уровень пиковой и средней мощности выходного излучения, требуемый для энергетического драйвера для промышленного ИТС-реактора. В качестве иллюстрации в работе показана возможность создания драйвера со следующими параметрами: длина волны излучения 0.5 мкм, энергия вспышки 4 МДж, частота повторения 10 Гц, полный КПД 10 %. Драйверный пучок для ЛСЭ-усилителя производится ускорительным комплексом, состоящим из четырех СВЧ-ускорителей с энергий 3 ГэВ, работающих на частоте СВЧ 500 МГц с частотой повторения 10 Гц и длительностью макроимпульса 0.3 мс. Особенностью предложенной схемы является то, что для ее реализации требуются СВЧ-ускорители с относительно малым средним током (порядка 4 А в среднем по макроимпульсу). В работе произведен детальный анализ технических проблем и оценка стоимости драйвера.

    Литература.

1. D. Prosnitz and L. Schlitt, Proc. SPIE, 1981, Vol. 270, p.102.
2. D. Prosnitz and R. Haas, Trans. Am. Nucl. Soc. 1984, Vol. 46, p. 188.
3. K. Imasaki, M. Yamanaka, M. Nakatsuka, K. Mima, S. Nakai and C. Yamanaka, Nucl. Instrum. and Methods 1992, Vol. A318, p. 20.
4. E.L. Saldin, V.P. Sarantsev, E.A. Schneidmiller, Yu. N. Ulyanov and M.V. Yurkov, Nucl. Instrum. and Methods 1995, Vol. A361, p. 317.
5. E.L. Saldin, E.A. Schneidmiller, Yu. N. Ulyanov and M.V. Yurkov, Nucl. Instrum. and Methods 1996, Vol. A378, p. 321.
6. E.L. Saldin, E.A. Schneidmiller, Yu. N. Ulyanov and M.V. Yurkov, Report at IAEA Technical Committee Meeting on Drivers and Ignition Facilities for Inertial Fusion (Osaka, Japan, March 10-14, 1997), Journal of Fusion Engineering and Design, in press.

ЭВОЛЮЦИЯ  ОБЛАСТИ  ПЕРЕМЕШИВАНИЯ  ГАЗОВ  РАЗНОЙ   ПЛОТНОСТИ,  ДВИЖУЩЕЙСЯ  УСКОРЕННО  И  ЗАМЕДЛЕННО.

C.Г. Зайцев¹, В.В. Кривец¹,  С.Н. Титов¹,  Е.И. Чеботарева¹, В.В. Никишин², В.Ф. Тишкин².

¹ Энергетический  институт им. Г.М.Кржижановского, 117927 ГСП-1 Москва  Ленинский пр. 19,
Тел.  (095) 955 31 07  Факс (095) 954 42 50
E-mail  sgz@ mazilin. msk.ru

² Институт математического моделирования  РАН, 125047  Москва Миусская пл. 4а
Тел.(095) 250 79 86  Факс (095)  972 07 23

    В работе дается одномерная  модель движения области  перемешивания двух газов разной плотности  в установке ИУ-03.
    Приводятся экспериментальные результаты возбуждения и развития турбу-лентности для названной  области,  движущейся ускоренно в результате  взаимо-действия с падающей волной  сжатия  и  замедленно в результате  взаимодействия  с отраженной  волной сжатия. Результаты измерения  плотности  и  толщины об-ласти перемешивания сопоставляются  с данными одномерной модели.
    Описываются двухмерные численные расчеты возбуждения и развития неус-тойчивости Рэлея-Тэйлора в процессе ускоренного движения области  перемеши-вания.
 
 
 
 

EVOLUTION OF MIXING REGION OF GASES OF DIFFERENT DENSITIES DURING ITS ACCELERATED OR DECELERATED MOTION.

S.G. Zaytsev¹, V.V. Krivets¹, S.N. Titov¹, E.I. Chebotareva¹, V.V. Nikishin², V.F. Tishkin².

¹ Krzhizhanovsky Power Engineering Institute, Leninsky pr. 19, Moscow, 117927, Russia
Tel. (095)955-3107, Fax. (095)954-4250,
E-mail sgz@mazilin.msk.ru

² Institute of Mathematical Modeling, Miusskaya pl. 4a, Moscow, 125047, Russia
Tel.(095) 250 79 86,  Fax (095)  972 07 23

    One-dimensional model for motion of the mixing region of gases of different densities in the setup IU-03 is given in the paper.
    The experimental results on excitation and development of the mixing region moving eigher with acceleration under influence of the incident compression wave or with deceleration under influence of the reflected compression wave are presented. Experimentally obtained density and thickness distributions within the mixing region are compared with those for the one-dimensional model.
    Two-dimensional numerical simulations of the Rayleigh-Taylor instability excitation and development during the accelerated motion of the mixing region are described.

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДВУХ-ПУЧКОВОГО ИНДУКЦИОННОГО ЛИНЕЙНОГО УСКОРИТЕЛЯ КАК ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ДРАЙВЕРА ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕРМОЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

Г.В. Долбилов

Объединённый институт ядерных исследований, Дубна, Россия

    В докладе обсуждаются проблемы, связанные с использованием 2-х пучкового метода ускорения в линейном индукционном ускорителе (ЛИУ) для получения пучков ионов с энергией в импульсе порядка нескольких МДж и длительностью импульса около 10 нс. Возможность получения высоких ускоряющих градиентов в 2-х пучковом ЛИУ ( до 50 МВ/м при b_ion® 1 ) позволяет сократить длину ускорителя до нескольких километров при кинетической энергии ускоренных тяжелых ионов порядка 100 ГэВ. ЛИУ, использующий 2-х пучковый метод ускорения, позволяет осуществлять компрессию  длительности макроимпульсов ионного тока [1]. Это обстоятельство удачно сочетается с разработанной ранее для ЛИУ техникой сжатия во времени энергии импульсов ускоряющего напряжения. В работе приводится описание 2-х пучкового ЛИУ и оценка его стоимости.

Литература.

1.  G.V. Dolbilov, «High Current Induction Linacs at JINR and Perspective of Their Application for Acceleration of Ion», Presented at Workshop on Space Charge Dominated Beam Physics for Heavy Ion Fusion, (RIKEN Workshop), Wako-shi, Saitama, JAPAN, 10-12 December 1998

ИЗМЕРЕНИЕ  g-ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫХ ДЕТЕКТОРОВ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА СТИЛЬБЕНА

В.С. Беляев, А.П. Матафонов

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского космического агентства, Королев Московской области, Россия

    Для исследования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме была разработана методика измерения g-излучения из лазерной плазмы с использованием двух сцинтилляционных детекторов на основе кристалла стильбена и техники совпадений, позволяющей дискриминировать фон.
    Измерение g-излучения проводилось из лазерной плазмы, которая создавалась на мишенях из бериллия толщиной 1,8 мм одиночным импульсом излучения Nd-glass лазера со следующими параметрами: энергия импульса - 1 Дж, длина волны 1,06 мкм, длительность импульса 1 пикосекунда. Лазерное излучение фокусировалось на мишень с помощью линзы с фокусным расстоянием 15 см в пятно диаметром 100 мкм, обеспечивая интенсивность падающего излучения 10¹⁶ Вт/см².
    Сцинтилляционные детекторы с кристаллами стильбена в виде дисков с диаметрами 5 см и 6,3 см располагались на расстоянии 2 и 10 см от мишени соответственно под углом 90 градусов к падающему лазерному излучению. Детекторы располагались вне вакуумной камеры (давление в камере 0,01 Торр) в кожухе из алюминия толщиной 1,5 мм. Детекторы располагались вплотную к окнам вакуумной камеры из алюминия толщиной 2 мм. Такая защита из алюминия с суммарной толщиной 3,5 мм позволяла устранить рентгеновское излучение с энергией квантов меньше 10 кэВ.
    Использовались два метода регистрации  g-квантов - с помощью схемы совпадений и с помощью двухканального осциллографа с памятью С8-14. К осциллографу С8-14 был пристыкован супервидикон ЛИ-704, работа которого управлялась через КРЕЙТ-КАМАК вычислительной машиной IBM PC. Комплекс аппаратуры из осциллографа С8-14, супервидикона ЛИ-704, КРЕЙТ-КАМАК и IBM PC позволял регистрировать сигналы с обоих детекторов, запоминать эти сигналы, вводить их в компьютер и проводить математическую обработку. Перед первым детектором располагались фильтры из свинца толщиной 1,2 мм и алюминия толщиной до 30 мм. Второй детектор использовался для мониторинга рентгеновского и  g-излучения в каждом эксперименте. Использование фильтров из Pb и Al перед первым детектором позволило выделить единичные  g-кванты и измерить максимальную энергию  g-квантов, которая составила 100 KэВ. Также была проведена оценка максимальной энергии g-квантов по измерению поглощения  g-излучения в фильтрах из свинца и алюминия, которая также составила величину 100 KэВ.

ОБРАЗОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ВО ВНУТРЕННЕЙ ПОЛОСТИ МИШЕНИ.

С. Ю. Гуськов, И. Я. Доскач

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН. Москва. Россия.

    Представлено аналитическое решение самосогласованной задачи о волне поперечной разгрузки плоского слоя вещества за фронтом продольной волны нелинейной теплопроводности [1] в зависимости от параметров двумерного источника энергии, геометрии и структуры границ слоя. Найдены условия эффективного нагрева вещества во внутренней полости мишени импульсным источником энергии, которые состоят в превышении скорости продольной волны теплопроводности скорости поперечной волны разгрузки вещества через отверстие для ввода пучка, а также в превышении времени “сквозной разгрузки” слоя нагреваемого вещества длительности источника.
    Найдены количественные характеристики режимов нагрева малоплотного внутреннего поглотителя мишени типа “лазерный парник” [2] лазерным импульсом с интенсивностью 10¹⁴ – 10¹⁵ Вт/см², отвечающих быстрому ( за время меньшее длительности импульса ) поперечному выравниванию неоднородностей нагрева плазмы электронной теплопроводностью при относительно низких потерях энергии за счёт разлёта плазмы через вводное отверстие, не превосходящих 25%.
    Показана возможность образования термоядерной плазмы в плоском слоя вещества, ограниченном стенками из вещества тяжёлых элементов, при воздействии на него через отверстие в одной из стенок короткого лазерного импульса с длительностью в несколько долей наносекунды и интенсивностью около 10¹⁸ Вт/см². В таком режиме воздействия лазерного пучка на мишень, содержащую слой вещества (CD)_n , можно ожидать выход DD-нейтронов от 10¹⁰ при энергии лазерного импульса E_L ~ 10² Дж до 10¹³ при E_L ~ 10⁴ Дж, а выход DТ-нейтронов при воздействии на мишень, содержащую слой вещества (ВеDТ), от 5Ч10¹² при E_L ~ 10² Дж до 5Ч10¹⁴ при E_L ~ 10⁴ Дж.
    Работа выполнена при поддержке Гранта Российского Фонда Фундаментальных Исследований 97-02-16797.

    Литература.
 

1. Гуськов С.Ю., Доскач И.Я. Квантовая электроника 1998, 25, 1111.
2. Гуськов С.Ю., Змитренко Н.В., Розанов В.Б. ЖЭТФ 1995,108, 548.