ПЕННОЖИДКОСТНАЯ СТРУКТУРА КЕРНОВ ВЗРЫВАЮЩИХСЯ ПРОВОЛОЧЕК В Z - И X-ПИНЧАХ

С.Ю. Гуськов, Г.В. Иваненков, С.А. Пикуз, Т.А. Шелковенко, Д.Б. Гринли^*, Я.С. Димант^*, Д.Б. Синарс^*, Д.А. Хаммер^*

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Корнельский университет, Итака, США

    Приводятся результаты экспериментов по исследованию структуры  взрывающихся проволочек в Z- и X-пинчах методом многокадрового теневого рентгеновского зондирования.
    Эксперименты были выполнены для двух типов разряда: затухающего синусоидального с периодом 1.3 мкс с амплитудой тока 4.5 кА, и трапецеидального с длительностью импульса 100 нс и амплитудой тока до 220 кА. Теневые изображения были получены  для проволочек из Mg, Al, Ti, Fe, Ni, нихрома, Cu, латуни, Mo ,Pd, Ag, Ta, W, Pt, Au с начальными диаметрами от 7.5 мкм (W) до 46 мкм (Mg), а также титана с никелевым покрытием.
 В сильноточных разрядах для тяжелых элементов, начиная с никеля, наблюдалась как плазменная корона, так и плотный керн с резкой границей и перепадом плотностей 1-2 порядка. Для легких элементов был виден только плотный керн. Во всех случаях наблюдалась тонкая структура керна и развитие нестабильностей границы керн-корона. Внутренность керна представляла собой пенообразную жидкостно-паровую смесь, при этом наблюдался выход пузырей на поверхность и выбросы пара.
    В слаботочных разрядах наблюдались аналогичные явления, но для развития процесса требовалось большее время. При этом процесс удалось проследить до фазы разрушения керна и превращения его в газокапельный канал.
    Развитие пенножидкостной фазы и структуры керна зависит от материала проволочки, амплитуды и скорости нарастания тока. Приводятся оценки параметров керна в этом состоянии.

ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ МИШЕНИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПЛАЗМЕ.

А.И. Громов, С.Ю. Гуськов., Ю.А. Меркульев.

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

    Обсуждаются физические принципы работы и технология изготовления  цилиндрических мишеней  для исследования радиационных процессов в высокотемпературной  плазме.
    Мишени могут быть использованы в экспериментах, моделирующих  отдельные аспекты работы рентгеновских мишеней непрямого действия  лазерного и ионного термоядерного синтеза [ 1,2, ], а также в экспериментах  по исследованию имплозии в цилиндрических системах  при переносе энергии радиационной волной [ 3 ].
    Представлена технология изготовления цилиндрических мишеней из меди  с радиусом от 0.3 до 2мм, длиной  до 5 мм и толщинами стенки 4-50мкм,основанная на нанесении металла на полый цилиндр из полипараксилилена с субмикронной толщиной стенки. Разработанная технология  обеспечивает  разнотолщинность мишени не более 5%.
    Обсуждаются различные варианты мишеней на основе полых цилиндров, в том числе, имеющих одну или несколько поперечных перегородок, расположенных в заданных областях цилиндра, снабжённых диагностическими отверстиями, заполненных  малоплотным пористым веществом и другие.
    Рассматриваются многослойные комбинированные  среды внутри мишени в виде слоёв пен и ультрадисперсных порошков  металлов, анализируются требования к подобным средам [ 4,5 ].
    Работа выполнена при поддержке гранта  РФФИ  97-02-16727.

    Литература

1. Nuccols J. Physics Today. 1982, v 9, p 25.
2. Ватулин В и др. Тезисы докладов XXV Конференции  по физике плазмы и УТС. Звенигород, 1998. стр. 103.
3. Гуськов С.Ю., Феоктистов  Л.П. Письма в ЖЭТФ, 1997, N 66, стр 783.
4. Borisenko N.G., Gromov A.I., Merkul’ev Yu., Mitrofanov A.V, ‘’ Important  target  characteristic to perform microheterogeneous  plasma in a laser shot’’  Proc the 11th Target Fabrication Specialist Meeting. Orcas , USA, 1996, Th8.
5. Rozanov V.B.,  Demchenko N.N., Gus’kov.S.Yu., Gromov A.I.., Lebo I.G., Merkul’ev et al . ‘’ Physical  processes in Green house target: Experimental results, Physical models, Numerical simulations.’’Рroc XXV ECLIM, Formia, Italy, 1998, Mo/02/3/I.

МОНИТОРИНГ ОСОБОТОНКОСТЕННЫХ И МАЛОПЛОТНЫХ МИШЕНЕЙ  ЛТС.

Н.Г.Борисенко, А.И.Громов, Ю.А.Меркульев

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

    Одним из ключевых подходов к решению проблемы лазерного термоядерного синтеза является использование сложных, многослойных мишеней, в том числе мишеней с малоплотными слоями, позволяющими более эффективно использовать возможности  существующих установок  и получить ряд интересных результатов  на будущих установках [1,2]. Точность изготовления и контроля  мишеней прямо влияет на конечные результаты экспериментов ЛТС, в этой связи важны  надёжные, прецизионные методы паспортизации мишеней. При разработке, изготовлении и контроле мишеней преодолены ряд трудностей, связанных с микроколичествами используемых веществ.
    Проведены калибровки предложенного колорометрического ( цветового) метода  определения толщины стенки и разнотолщинности особотонкостенных стеклянных оболочек, которые могут быть использованы и в качестве сердечника  сложной мишени, сделано сравнение этого метода с уже существующими методиками контроля.
    Калибровочные методы контроля плотности и толщины, а также флуктуации плотности мишеней со слоем малоплотного металла или пластика развиты с применением методов электронной микроскопии, оптического обычного и лазерного излучения, микрорадиографии    [1,2,3].

    Литература.

1. Borisenko N.G., Merkul’ev Yu,A and Gromov A.I. ‘’Microheterogeneous targets - a new challenge in target  technology, plasma  physics, and laser interaction with matter.’’ Journal of Moscow Physical Society, 1994, v.4, No3, pp 247-273.
2. Gromov A.I., Merkul’ev Yu.A. ‘’Diagnostic laser targets. ’’Proceeding of the Lebedev Physica Institute’’ Nova Science Publishers, 1996, vol. 200, pp 57-71.
3. Borisenko N.G., Gromov A.I., Gus’kov S.Yu., Merkul’ev Yu.A., Mitrofanov A.V.  ‘’Preparation and control of some low-density media for ICF  targets.’’ Proc of the XXV  ECLIM, Formia, Italy, 1998, MO/P/8.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕРМОЯДЕРНОГО ГОРЕНИЯ ЛАЗЕРНЫХ МИШЕНЕЙ ТИПИЧНЫХ ДЛЯ ГИБРИДНЫХ РЕАКТОРОВ.

¹А.А. Андреев,²О.Б. Выговский,³С.Ю. Гуськов, ²Д. В. Ильин, ³И.Г. Лебо, ²А. А. Левковский, ³В.Б. Розанов, ²В.Е. Шерман.

¹Оптический институт им.С.И.Вавилова, С-Петербург, Россия.
²СПбИМаш (ВТУЗ-ЛМЗ), Санкт-Петербург, Россия.
³Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва Россия.

    Известно [1], что прямое инициирование ( “fast ignition”) искрового поджига мишени за счёт формирования дополнительным коротким импульсом высокотемпературного игнитора позволяет значительно снизить требования к энергетике основного драйвера.
    Настоящая работа посвящена математическому моделированию термоядерного горения мишеней, типичных для гибридного реактора (рR > 1г/см² ) [2]. Коэффициенты термоядерного усиления по энергии G для сферических лазерных мишеней рассчитывались с помощью пакета программ ТЕРА [3], в основе которого лежит прямое статистическое моделирование кинетики быстрых термоядерных частиц и жесткого ренгеновского излучения методом Монте-Карло на каждом временном шаге нестационарной разностной схемы решения уравнений гидродинамики сплошной cреды. На первом этапе расчёты производились для модельных однородных мишеней с центральным изобарным игнитором. Начальные параметры мишени и игнитора варьировались в широких пределах [1,3], от небольших игниторов характерных для прямого инициирования, до случая объемного зажигания.
    Показано, что если параметры однородной мишени таковы. что объемный поджиг не происходит (G~1), существуют критические параметры игнитора, при достижении которых в мишени успевает сформироваться волна термоядерного горения за время меньшее времени разлета. Игниторы, с параметрами ниже критических практически не влияют на эффективность горения мишени. При превышении критических параметров игнитора термоядерная вспышка приводит к эффективному горению лазерной мишени (G ~100), причем термоядерное энерговыделение практически не зависит от дальнейшего увеличения параметров игнитора вплоть до объёмного поджига мишени. Коэффициент усиления мишени как при объемном, так и при искровом поджиге с хорошей точностью описывается асимптотическим выражением G ~ 370 (рR)^2/3 / Т , но наличие искрового поджига дает возможность значительно расширить допустимые области параметров мишеней.
    Установлено, что промежуточные коэффициенты усиления 1<G<100 достигаются в относительно узкой области параметров игнитора вблизи критических, когда время распространения волны термоядерного горения порядка времени разлета мишени. Горение мишени при этом неустойчиво в том смысле, что малые вариации параметров игнитора приводят к большим, почти скачкообразным, изменениям коэффициента усиления. Получены значения критических параметров игнитора (зависимость размер - температура) при различных параметрах лазерных мишеней.

    Литература.

1. Gus’kov S.Yu., Feoktistov L.P., v.13, 396, 1992; Tabak et al., Ph. Plasmas v.1, 1626, 1994.
2. Басов Н.Г., Белоусов Н.И., Гришунин П.А. и др., Квант. электр., т. 14, 2068, 1987.
3. Левковский А. А., автореферат докт. дисс., ИПМ РАН, Москва, 1991.
4. Гуськов С. Ю., Левковский А. А., Розанов В. Б и др., ЖЭТФ, т. 106, 1069, 1994.

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ Z-ПИНЧА ПРИ СИЛЬНОТОЧНОМ ВЗРЫВЕ ТОНКОЙ ПРОВОЛОЧКИ.

¹С.Ю. Гуськов, ¹Г.В. Иваненков, ¹А.Р. Мингалеев, ¹С.А. Пикуз, ¹Т.А. Шелковенко,  ²В.В. Никишин, ¹В.Б. Розанов, ²В.Ф. Тишкин, ³Д. Хаммер.

¹Физический  институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
²Институт математического моделирования РАН, Москва, Россия
³Laboratory of plasma studies, Cornell University, USA.

    Представлены результаты лабораторных и численных экспериментов по изучению влияния гидродинамических неустойчивостей на сжатие плазмы при сильноточном взрыве тонких металлических проволочек.
    Эксперименты по исследованию структуры разряда выполнялись  по методу многокадрового теневого рентгеновского фотографирования  с высоким временным и пространственным разрешениями (~1 нс и ~1 мкм) и использовали X-пинчи в качестве ярких миниатюрных источнтков излучения [1].
    Численное моделирование проводилось по двумерной гидродинамической программе “NUTCY”[2] на стадии сжатия Z-пинча, следующей за выходом ударной волны на границу корональной плазмы с холодным плотным керном. Расчёты показали, что формирование пинча в этих условиях сопровождается быстрым развитием гидродинамических неустойчивостей с инкрементами роста амплитуды возмущения от нескольких десятых до нескольких сотых обратных наносекунд, что находится в хорошем согласии с теоретической моделью [3]. Развитие гидродинамических неустойчивостей приводит к значительным неоднородностям распределения параметров плазмы, размеры которых сравнимы с поперечными масштабами пинча. Качественное и колличественное согласие результатов численного моделирования и экспериментов позволяют считать, что развитие гидродинамических неустойчивостей может быть основной причиной наблюдаемого в эксперименте микропинчевания плазмы с образованием областей яркого свечения в мягком рентгеновском диапазоне.

    Литература.

1. Иваненков Г.В., Мингалеев А.Р.,. Новикова Т.А и др. ЖТФ,1995,  65 (4) , 40.
2. Никишин В.В.,  Тишкин В.Ф., .Попов И.В,  Фаворский А.П. Математическое моделирование,  1995.7(5).
3. Гуськов С.Ю., Иваненков Г.В., Мингалеев А.Р. и др. Письма в ЖЭТФ, 1998, 67 (8), 531.

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЛАЗМЕННЫХ ТЕЧЕНИЙ ВО ВНУТРЕННИХ ПОЛОСТЯХ ЛАЗЕРНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ МИШЕНЕЙ ПРЯМОГО И НЕПРЯМОГО СЖАТИЯ.

¹В.А. Гасилов, ²С.Ю. Гуськов, ¹А.Ю. Круковский, ¹Т.П. Новикова , ²В.Б. Розанов.

¹Институт математического моделирования РАН. Москва. Россия.
²Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН. Москва. Россия.

    Работа посвящена численному моделированию и теоретическому исследованию свойств плазменных потоков, образующихся во внутренних полостях термоядерных мишеней при воздействии мощного лазерного излучения.
    По одномерной и двумерной версиям комплекса программ “РАЗРЯД”[1], предназначенного для расчёта магнитной газодинамики излучающей плазмы, числено моделировалось: образование лазерной плазмы на внутренней поверхности цилиндрического конвертора лазерной термоядерной мишени непрямого сжатия [2], при наличие внутри конвертора малоплотного вещества и воздействии внешнего магнитного поля; образование плазмы во внутреннем малоплотном поглотителе мишени “лазерный парник”[3] при воздействии лазерного пучка через вводное отверстие.
    Проведённые на основании численных расчётов исследования возможностей сдерживания внутренней абляции плазмы конвертора и повышения тем самым эффективности преобразования лазерного излучения в рентгеновское показали, что при воздействии лазерного излучения с интенсивностью 10¹⁴ Вт/см² наполнение конвертора из алюминия веществом лёгких элементов с докритической плотностью r = 10^-3 г/см³ (с плотностью меньшей, чем плотность плазмы, соответствуюшая плазменному резонанасу для длины волны воздействующего излучения) снижает скорость разлёта плазмы в 3-4 раза, а наличие магнитного поля с напряжённостью 1 МГс - в 2-3 раза.
    Расчёты мишени “лазерный парник” при интенсивности излучения лазерного пучка 10^14-15 Вт/см² продемонстрировали: рапространение сверхзвуковой волны электронной теплопроводности в поглотителе докритичесчкой плотности в течение достаточно длительного периода времени ~1 нс, необходимого для выравнивания неоднородностей нагрева мишени сравнительно небольшим числом лазерных пучков - 6-8; умеренные потери энергии < 50 % при вытекании вещества поглотителя через вводное отверстие.
    Обсуждаются ряд наравлений развития численных методов расчёта многомерных течений, в частности, методов, основанных на схемах повышенного порядка аппроксимации по пространственным переменным в областях гладкости на этапе учёта конвективных потоков тепла.

    Литература.

1. Гасилов В.А., Круковский А.Ю., Оточин А.А.. Программный пакет для расчёта двумерных осесимметричных течений радиационной газовой динамики. Препринт ИММ 162, 1990. Gasilov V.A., Gus’kov S.Yu., Krukovskii A.Yu. et al. J. of Rissian Laser Research, 1997, 18, 515.
2. Nuckols J., Physics Today, 1982, 9, 25.
3. Гуськов С.Ю., Змитренко Н.В., Розанов В.Б. ЖЭТФ, 1995, 108, 548.

ФОРМИРОВАНИЕ КРИОМИШЕНЕЙ С ТОЛСТЫМ СЛОЕМ ТОПЛИВА

И.В. Александрова, ^*Г.Д. Баранов, ^**А.А. Белолипецкий, ^***В.П. Веселов, ^*В.И. Листратов, Е.Р. Корешева, А.И. Никитенко, И.Е. Осипов, ^****Л.А. Ривкис, ^*И.Д. Тимофеев, С.М. Толоконников, ^*****Л.С. Ягужинский

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Государственное предприятие “Красная Звезда”, Москва, Россия
^**Вычислительный Центр РАН, Москва, Россия
^***НПО им.С.А.Лавочкина, Москва, Россия
^****ГНЦ РФ ВНИИ Неорганических Материалов им. А.А.Бочвара, Москва, Россия
^*****МГУ, Институт физико-химической биологии им.А.Н.Белозерского, Москва, Россия

    В докладе представлены результаты, полученные при выполнении проекта МНТЦ №512 “Разработка устройства для формирования криомишеней с толстым слоем топлива”, а именно:

• результаты математического моделирования режимов заполнения микросфер газообразным топливом до давлений 1000 атм, а также формирования внутри заполненных микросфер криогенного слоя топлива
• установка для заполнения полимерных и стеклянных микросфер газообразными изотопами водорода до давлений 1000 атм
• результаты экспериментальных исследований по формированию криогенного слоя
• прототип устройства для формирования криомишеней с толстым слоем топлива .

    Литература.

1. И.В.Александрова, А.А.Белолипецкий. Математическая модель для описания процесса заполнения полимерных оболочек газообразным топливом (неидеальный газ). Труды 25 Европейской конференции по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Формиа, Италия, 4-8 мая 1998); Laser and Particle Beams 1998 (в публикации)
2. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Применение бесподвесных мишеней в ЛТС. Труды 25 Европейской конференции по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Формиа, Италия, 4-8 мая 1998); Laser and Particle Beams 1998 (в публикации)
3. И.Е.Осипов, Е.Р.Корешева. Реализация режима с постоянным градиентом давления для заполнения полимерных и стеклянных микросфер изотопами водорода до высоких давлений. Труды Международного Совещания по Технологии Микросфер-Микрокапсул и Лазерных Мишеней (Москва, Россия, 2-6 Июня, 1997); Труды 25 Европейской конференции по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Формиа, Италия, 4-8 мая 1998)
4. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, О.Н.Крохин, И.Е.Осипов. Быстрые низко-температурные методы формирования твердого криослоя. Журнал Московского Физического Общества, вып.7 стр.213-228, 1997

НОВЫЙ ВЗГЛЯД НА НАНОСЕКУНДНЫЙ ВЗРЫВ ПРОВОЛОЧЕК.

С.А. Пикуз

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

    Обсуждаются последние результаты исследований наносекундного взрыва как одиночных проволочек, так и многопроволочных нагрузок, основанные на данных, полученных методом многокадрового теневого рентгеновского зондирования. Использование в качестве источника X-пинча позволило существенно расширить возможности метода и достичь пространственного разрешения порядка 1 микрона при времени экспозиции меньшем 0.5 нс в диапазоне длин волн 1-5 ангстрем.
    Эксперименты были выполнены в широком диапазоне параметров разряда (от единиц до сотен килоампер) для проволочек из различных материалов (от Mg до Au) в конфигурациях Z- и X-пинча. Удалось проследить эволюцию проволочек от твердого начального состояния до образования гетерогенной структуры плотный керн - корона или плазменного канала, а также наблюдать процесс формирования перетяжки в пинче. Экспериментально доказано существование квазистационарного жидкостно-пенного состояния керна и исследована его тонкая структура. Наличие керна должно существенным образом влиять на процессы взрыва и пинчевания как одиночных проволочек так и многопроволочных нагрузок.
    Полученные данные позволили сформулировать модель наносекундного взрыва проволочки, объясняющую многие результаты, полученные в различных экспериментах. Показано, например, что струйная структура предвестника, формирующегося при разрядах через цилиндрические многопроволочные нагрузки, объяснявшаяся ранее только развитием Рэлей-Тейлоровской неустойчивости, инициируется истечением пара из остовов проволочек.

ИССЛЕДОВАНИЕ  ПЕРЕТЯЖКИ Х-ПИНЧА МЕТОДОМ РЕНТГЕНОВСКОГО ЗОНДИРОВАНИЯ

С.А. Пикуз, Т.А. Шелковенко, Я.С. Димант^*, Д.Б. Синарс^*, Д.А. Хаммер^*

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Корнельский университет, Итака, США

    Используя методику прямого рентгеновского зондирования исследовался процесс образования перетяжки и минидиода в Х-пинча во временном интервале 25 нс до и 25 нс после максимального сжатия, в том числе близко к моменту излучения рентгена из горячей точки. Приведены как результаты специальных экспериментов по исследованию динамики вольфрамового Х-пинча, так и экспериментов, в которых исследовалась динамика  Х-пинчей из Мо проволочек, используемых в качестве точечного  источника рентгеновского излучения при зондирования плазмы. Для этого два Мо Х-пинча помещались параллельно между выходными электродами сильноточного генератора ХР Корнельского университета с током 450 кА и длительностью импульса 100 нс. Излучение каждого Х-пинча длительностью 0,4 - 1 нс использовалось как для просвечивания Х-пинча из W проволочек, помещаемого в цепь обратного тока, так и для получения изображений друг друга. Размер горячей точки Мо Х-пинчей очень мал и пространственное разрешение метода близко к 1 микрону. Использование Мо проволочек разного диаметра позволяло получать два изображения с задержкой между ними 4 - 20 нс, при одинаковых проволочках  задержка составляла  0,5 - 2 нс, что дало возможность исследовать тонкую структуру перетяжки Х-пинча  непосредственно перед рентгеновской вспышкой и сразу же после нее.
    Одновременная регистрация изображений от двух Х-пинчей и сетки из тонких проволочек на одной пленке позволило локализовать положение горячих точек в перетяжке Х-пинча с точностью в пределах 10 микрон.
    Последовательно во времени наблюдалось формирование структур, подобных первичной перетяжке, но меньшего размера, вплоть до образования разрыва.

Получение изображений методом проекционной рентгеновской литографии

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

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

    В работе реализован метод проекционной рентгеновской литографии.
    Появление новых мощных источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ), а также рентгенооптических элементов, в том числе зонных пластинок, многослойных отражающих покрытий с высоким коэффициентом отражения и рентгеновских зеркал на их основе, стимулирует развитие методов проекционной рентгеновской литографии. При этом выбор длины волны МРИ является наиболее важным, так как оптические характеристики и поглощение материалов (многослойные зеркала, материалы шаблона и резиста) зависят от длины волны МРИ, также как и дифракционное разрешение метода. В проекционной системе, кроме того, должны приниматься во внимание оптическая аберрация и глубина резкости.
    К достоинствам предложенного метода проекционной рентгеновской литографии можно отнести:

1. более высокую производительность за счет большой эффективности использования излучения источника;
2. меньшую стоимость шаблонов, т.к. не требуется формирование элементов с субмикронными размерами;
3. отсутствие проблем поверхностного повреждения резиста и шаблона;
4. возможность получать пространственное разрешение  ~ 0,01 - 0,1 мкм;
5. менее жесткие требования к геометрическому размеру источника МРИ.

1. из-за поглощения на больших длинах волн (> 4,0 нм), резист может экспонироваться на недостаточную глубину; ограничено использование возможного количества оптических элементов;
2. трудности размещения в вакуумной камере оптико-механической системы.

ВЫСОКОГРАДИЕНТНОЕ УСКОРЕНИЯ ЧАСТИЦ И ГЕНЕРАЦИЯ МОЩНОГО ВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КИЛЬВАТЕРНЫХ ПОЛЕЙ В ПЛАЗМЕ (ОБЗОР)

И.Н. Онищенко

ННЦ Харьковский Физико-технический Институт, ул. Академическая 1, Харьков 310108, Украина

    Сделан обзор исследований по кильватерным полям, возбуждаемым в плазме электронным сгустком или их последовательностью и волной биения лазеров или коротким лазерным импульсом, как средства для разработки ускорителей нового поколения и для развития новых принципов ВЧ-генерации. Рассмотрены состояние и перспективы теоретических и экспериментальных исследований. Представлены последние достижения в лабораториях мира. Обсуждаются выполненные и планируемые исследовательские работы в ННЦ ХФТИ.
 
 
 

HIGH-GRADIENT ACCELERATION AND HF-POWER GENERATION USING PLASMA WAKEFIELDS (OVERVIEW)

I.N. Onishchenko

NSC  Kharkov Institute of Physics & Technology, Academic 1, Kharkov  310108, Ukraine

    Wake fields, excited in plasma by a short electron bunch or a train of bunches and by laser beat-wave or a short laser pulse, are reviewed as a tools for elaboration of accelerators of new generation and for development of new principles of HF-generation. The state of art and perspectives of theoretical and experimental  investigations are considered. The recent achievements in the laboratories of the world are represented. The researching works performed in NSC KIPT and planned in the future are discussed.

ТОМОГРАФИЯ  КРИОГЕННОЙ МИШЕНИ

И.В. Александрова, ^*А.А. Белолипецкий, ^*В.И. Голов, Е.Р. Корешева, ^**Е.В. Макеева, И.Е. Осипов, Т.П. Тимашева, ^**В.И. Щербаков

Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Вычислительный Центр РАН,  Москва, Россия
^**Московский Государственный Университет им. Ломоносов,  Москва, Россия

    Перспективы ускоренного развития исследований по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) во многом определяются возможностью достоверного анализа результатов лазерного эксперимента, что в свою очередь зависит от возможности точно и однозначно определить параметры пространственных микрообъектов, таких, например, как криогенная мишень и лазерная термоядерная плазма. Актуальность задачи создания надежной системы диагностики в исследованиях по ЛТС стимулирует появление таких методов и технологий, развитие которых позволит получить пространственную реконструкцию микрообъекта с требуемой степенью точности.
    Проведенный анализ показал,  что дальнейший прогресс в решении этой задачи связан с развитием нового направления в области диагностики термоядерной мишени, основанного на томографических методах обработки информации [1,2]. Основной проблемой при таком подходе является выбор схемы сканирования и создание математического алгоритма, позволяющего по измерению средних (интегральных) значений величин, характеризующих взаимодействие зондирующего излучения и материала мишени, определить ее локальные параметры, а именно: отклонение от сферичности и концентричности оболочки и слоя, однородность по массе оболочки и слоя, локальные неоднородности на поверхности оболочки и слоя. Точность восстановления локальных характеристик зависит от как схемы сканирования, так и используемого алгоритма.
    В статье рассматривается проблема создания оптимальной схемы сканирования, совместимой со структурой микрообъекта, и соответствующего ей высокоразрешающего алгоритма для минимизации ошибки восстановления. При сканировании микрообъекта предлагается перейти к квазиоднородной геометрии [3]. В области создания высокоразрешающего алгоритма начата работа по симметризации стандартного алгоритма свертки и обратной проекции (FBP-алгоритм). Численные эксперименты по тестированию стандартного и симметризованного FBP-алгоритма  показали, что разрешение последнего в 4 раза выше[1]. Начата работа по созданию пороговых алгоритмов [3]. В частности, рассмотрена много параметрическая задача о прохождении зондирующего луча через криогенную мишень. На ее основе предложены критерии, позволяющие отбраковывать некачественные мишени.

    Литература.

1. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов, В.И.Голов, В.И.Щербаков. Труды 25-ой Европейской конференции по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Формиа, Италия, 4-8 мая 1998 г.); Laser and Particle Beams 1998 (в публикации).
2. И.В.Александрова, Т.П.Тимашева, Э.И.Вайнберг, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов. Труды 25-ой Европейской конференции по Взаимодействию Лазерного Излучения с Веществом (Формиа, Италия, 4-8 мая 1998 г.).
3. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов, В.И.Голов, Е.А.Макеева. Препринт ФИАН №25, Москва-1998.
4. И.В.Александрова, Е.Р.Корешева, И.Е.Осипов, А.А.Белолипецкий, В.И.Голов, Е.А.Макеева. Препринт ФИАН №25, Москва-1998

ОБРАТНО ТОРМОЗНОЙ НАГРЕВ ЭЛЕКТРОНОВ ПРИ ФОКУСИРОВКЕ В ГАЗЕ СВЕРХМОЩНОГО И  СВЕРХКОРОТКОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА

Майоров С. А.

Институт Общей физики РАН,  г.Москва,  Россия

    При фокусировке сверхкороткого лазерного импульса в газе из-за многофотонной ионизации атомов образуется плазма многозарядных ионов. Одна из причин разогрева электронов - столкновительная релаксация направленного движения в тепловое за счет их упругих столкновений с ионами. Обратно тормозной нагрев электронов в поле лазерного излучения пропорционален их частоте столкновений [1]. Но сверхбыстрая фотоионизация газа и периодичность движения электронов в лазерном поле приводит к некоторым отличи-ям в характеристиках электрон - ионных столкновений.
    Во-первых, при мгновенной фотоионизации флуктуации плотности атомов в газе становятся флуктуациями плотности ионов. Их характерный размер обусловлен длиной свободного пробега атомов в газе (т.е. газокинетическим сечением), и за время действия лазерного импульса они, как правило, не успевают релаксировать до размера плазменных флуктуаций, т.е. радиуса Дебая. Для определения частоты кулоновских столкновений прямолинейно движущихся частиц в качестве верхнего значения  параметра обрезания кулоновских сечений необходимо использовать либо длину волны лазерного излучения, либо длину свободного пробега атомов в газе (наименьшую из них). Длина свободного пробега атомов в газе определяет размер некомпенсированных флуктуаций плотности ионов. Длина волны лазерного излучения является  «длиной свободного пробега» (участка прямолинейного движения) электрона и при отсутствии экранирования также является фактором обрезания кулоновских сечений [2].
    Во-вторых, при периодическом движении в поле лазерного излучения электрон испытывает периодические возмущения со стороны далеких ионов. В таком случае модуль суммы поперечного возмущения импульса движения электрона равен сумме модулей приращения импульса в однократном столкновении. Диссипация энергии поступательного движения в тепловое при этом будет пропорциональна квадрату времени (числу периодов осцилляций электрического поля). При некоррелированных столкновениях складываются квадраты приращения импульса и диссипация кинетической энергии пропорциональна времени. Отклонение от периодичности из-за теплового движения и возникающее при острой фокусировке разделение зарядов уменьшают этот эффект.
    Отмеченное влияние газодинамических флуктуаций плотности и периодичность (недиффузионность) столкновений могут приводить к значительному увеличению эффективности столкновительного нагрева плазмы, образуемой сверхкоротким лазерным излучением в газе. Например, для эксперимента на неоне [3] при полной ионизации атомов с плотностью 10¹⁹ см^-3  рассеяние на газодинамических флуктуациях увеличивает скорость нагрева на 100% при температуре 100 эВ и на 40 % при 1000 эВ.
    Для подавления сильного разогрева может использоваться предварительная ионизация газа, она же может приводить к эффективному охлаждению горячего ядра  плазменного сгустка за счет электронной теплопроводности в окружающую холодную плазму [4].

    Литература

1. Jones R.D. and Lee K. // Phys. Fluids, 25(12), p.2307(1982)
2. Коган В.И. // ДАН СССР, 135 (6), c.1374(1960).
3. Blyth W.J., Preston S.G. et al. // Phys. Rev. Lett., 74, №4, p.554(1995).
4. Майоров С.А. //  Краткие сообщения по физике ФИАН, №8, с.3(1998).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОГОВ ПРОБОЯ ГЕЛИЯ В БЕССЕЛЕВОМ ЛАЗЕРНОМ ПУЧКЕ

Андреев Н.Е., Бычков С.С., Горлов С.В., Марголин Л.Я., Марин М.Ю., Плешанов И.В., Пятницкий Л.Н., Ситников С.Ф., Тальвирский А.Д.

Институт высоких температур РАН, Москва, Россия.

    В бесселевом пучке лазерного излучения интенсивность можно представить в виде где, J_m(r) - функция Бесселя порядка m, g - угол наклона лучей к оптической оси, I_in(r) - радиальный профиль интенсивности исходного пучка, k=2p/l- волновой вектор излучения. В большенстве случаев на начальном участке фокальной области это распределение является возрастающей функцией, поэтому минимальное расстояние z₀ от формирователя до искры определяет минимальную интенсивность при которой имеет место пробой, т.е. порог пробоя: I_th = I(z₀). В итоге, измерение порога пробоя I_th сводится к определению расстояния z₀.
    При проведении экспериментов греющее излучение (1,06мкм, 5нс, I_in~ 3Ч 10⁸ Вт/см²) фокусировалось аксиконом (m = 0, g= 11°) в газовакуумную камеру с гелием. Изображение искры регистрировалось фотокамерой с открытым затвором, распределение I_in(r) измерялось камерой на ПЗС-матрице, соединенной с ЭВМ.
    Измерялись зависимости z₀(1/I_in(0)). Результаты апроксимировались линейной функцией, по параметрам которой определен диапазон значений I_th=(13ё 6,8)Ч10¹² Вт/см² для давлений от 0,6атм до 1атм. Зависимость I_th(p) соответствовала функции I_th ~ p^1,2.
    Измеренные значения пороговой интенсивности находятся в удовлетворительном согласии с расчетными данными, полученными в предположении лавинного механизма оптического пробоя гелия в условиях эксперимента.

ГЕНЕРАТОР РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ ИМПУЛЬСНОЙ ТЕРМОЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ С ПОМОЩЬЮ СВЕРХБЫСТРОГО ЛАЙНЕРА, БАЗИРУЮЩЕЕСЯ НА 500 МДж ИНДУКТИВНОМ НАКОПИТЕЛЕ.

Э.А. Азизов, Е.В. Грабовский, А.П. Лотоцкий, С.Л. Недосеев, В.П. Смирнов,  В.А. Ягнов, Е.П. Велихов^*, В.А. Глухих^**, В.К. Кучинский^**, О.П. Печерский^**

ТРИНИТИ, г. Троицк Московской области, Россия.
^*РНЦ "Курчатовский Институт", Москва, Россия.
^**НИИЭФА им. Д.В. Ефремова, Санкт-Петербург, Россия.

    В ТРИНИТИ на установке "Ангара-5-1" развивается программа исследований имплозии быстрых лайнеров. Основная цель программы - создание высокоинтенсивных источников мягкого рентгеновского излучения для ИТС и фундаментальных исследований. Была предложена концепция двойного лайнера для облучения термоядерных мишеней. в динамическом хольрауме. После завершения первого цикла основных эксперментов усилия были направлены на исследование начальной стадии образования лайнерной плазмы, включая предыонизацию лайнера, неустойчивости и перенос магнитного поля. Были исследованы газовые лайнеры, многопроволочные сборки и лайнеры из пены низкой плотности с целью изучения условий компактного сжатия лайнера.
    Группа ученых из ТРИНИТИ, НИИЭФА, ВНИИЭФ, ВНИИТФ, ИВТАН, лабораторий в Томске и Екатеринбурге разработали концепцию комплекса "Байкал" как наиболее реальный путь для получения импульсного генератора с током в многие десятки мегаампер. Проект базируется на использовании существующей энергетической инфраструктуры Токамака Т-14 в ТРИНИТИ. Его 900 МДж индуктивный накопитель питается четырмя электромашинными генераторами с полным энергозапасом 4 ГДж. Генераторы питают в течение 6 сек током 150 кА первичные обмотки 32-секционного индуктивного накопителя ТИН-900, накапливая в нем 900 МДж. Затем ТИН-900 отсоединяется от генераторов и закорачивается механическим коммутатором. Вторичная обмотка накопителя имеет также 32 секции, причем каждая секция генерирует примерно 1 МА тока. Через системы утроения тока энергия направляется в трансформирующий индуктивный накопитель ИН-2, имеющий 16 групп коммутации, затем его первичная обмотка также закорачивается. Передача энергии во вторичную обмотку ИН-2, соединенную с вауумным индуктивным накопителем, происходит примерно 100 мсек., затем группа синхронизованных размыкателей обеспечивают быструю передачу тока (2 мкс) в последний каскад обострения тока.
    Два вида последнего каскада анализируются в настоящее время. Первый вариант является обострителем тока, базирующимся на группе плазменных эрозионных размыкателей, обеспечивающим токовый импульс 50 МА, 100 нс в нагрузке. Рассматриваются также иные схемы последних каскадов обострения.

О МЕХАНИЗМЕ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ЭЛЕКТРОНОВ МОЩНЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ

П.А. Поляков

МГУ им. М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия

    Известно, что при взаимодействии мощного фемтосекундного лазерного импульса с твердотельной мишенью возникают высокоэнергетические электроны. Так в экспериментальной работе [1] при воздействие на алюминиевую мишень лазерным импульсом интенсивностью 10¹⁶ Вт/см²  и длительностью 600 фс были зарегистрированы электроны с энергией до 100 кэВ. Причины ускорения электронов до таких энергий неизвестны. Одной из наиболее убедительных гипотез является механизм связанный с развитием в лазерной анизотропной плазме вейбелевской неустойчивости [2]. В данной работе предлагается другой механизм, связанный с резонансной раскачкой электронных потоков электромагнитным полем лазерного импульса в субмикронных трещинах, дефектах или поверхностных неоднородностях. Численное моделирование методом крупных частиц показало, что наличие незначительных трещин всего в сотни атомных слоев может привести к эффективному резонансному ускорению в них электронных потоков. В частности, при конкретном численном моделировании для интенсивности лазерного импульса 10¹⁷ Вт/см²  и длины волны порядка 1мкм, при наличие в твердотельной мишени полости толщиной 0,025 мкм была обнаружена генерация высокоэнергетических электронных сгустков с энергией более 60 кэВ за время порядка 10 фс.
    Работа поддержана проектом МНТЦ № 856.

    Литература.

1. Beliaev V.S., Matafonov A.P. XVI International Conference on Coherent and Nonlinear Optics. Moscow, Russia, 1998, p. 305.
2. Арефьев В.И., Беляев В.С. ДАН, 1996, Т.384, вып. 3, стр. 318-322.

ОБ АБЛЯЦИОННОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ РТ-НЕУСТОЙЧИВОСТИ В МОДЕЛИ ОБОЛОЧКИ ИЗ НЕСЖИМАЕМОЙ ЖИДКОСТИ.

И.Г. Лебо, В.Б. Розанов, Р.В. Степанов.

Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН. 117924, Москва, Ленинский проспект, 53.
E-mail: stepanov@neur.lpi.msk.su

    В работе рассматривается влияние абляции на развитие малых возмущений формы границ оболочки из несжимаемой жидкости на линейной стадии, в рамках предложенной ранее модели [1]. Численные расчеты показывают, что на развитие возмущений существенное влияние оказывает нестационарность фонового течения, возникающая из-за сферичности геометрии и наличия абляции. Это приводит к тому, что отмечавшаяся во многих работах (см., например, [2]) абсолютная стабилизация коротковолновых мод возмущений, вообще говоря, не имеет места. Тем не менее, расчеты свидетельствуют в пользу существования верхней границы мгновенного инкремента неустойчивости. Найденное в приближении толстой оболочки аналитическое решение имеет вид известной формулы Боднера-Такабе, но с иным коэффициентом при абляционном слагаемом. Дисперсионные кривые для возмущений, развивающихся в оболочке с низким аспектным отношением, качественно согласуются с этой зависимостью.
    Для замыкания модели применялась модель квазистационарной короны (см. [3]). По результатам этих расчетов выработаны рекомендации для спектра начальных амплитуд возмущений.

    Литература.

1. I.G. Lebo, V.B. Rozanov, Laser and Particle Beams, v. 12, N3, p.379,1994.
2. H. Takabe, L. Montierth, R.L. Morse, Phys. Fluids, 26, p.2299, 1983.
3. J. Limpouch, I. Lebo, V. Rozanov, Sov. Physics - Lebedev Inst. Reports, Allertion Press Inc., New York, 1987, N11.

ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ С-300

П.И.Блинов, Ю.Г.Калинин, И.Н.Павлов, А.С.Черненко, А.Ю.Шашков

РНЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия

    Восьмимодульный ускоритель С-300 с током до 4 МА и временем нарастания тока 100 нс, который может иметь своей нагрузкой как газовый лайнер, так и конденсированный Z-пинч, был оборудован следующим набором оптических диагностик: 1) - лазерный диагностический комплекс, 2) - щелевая хронография собственного свечения плазмы в видимой области спектра, 3) - кадровые световые ЭОПы.
    Лазерный комплекс на основе импульсного YAG-Nd - лазера генерировал три зондирующих плазму луча с интервалами между ними в 25 нс. Параметры каждого: длина волны - 532 нм, энергия - 25 мДж, длительность импульса - 10 нс. Приемная часть комплекса позволяла получать теневые или шлирен - снимки плазмы с регистрацией различных градиентов концентрации по величине и по направлению.
    Хронография собственного свечения плазмы проводилась камерой СФЭР-6.01 при длительностях разверток 210 нс и 320 нс, временное разрешение составляло менее 3 нс. На времяанализирующую щель прибора световодом подавалось излучение от первого зондирующего плазму лазерного луча, что позволяло с хорошей точностью синхронизировать щелевую развертку с электротехническими параметрами ускорителя.
    Три кадровых световых двух-трехкаскадных ЭОПа с экспозицией 3 нс и интервалом между кадрами 15 нс регистрировали изображение плазмы в собственном свечении даже таких слабо излучающих объектов, как гелиевые и водородные лайнеры с малыми концентрациями газа.
    С помощью этих методик на ускорителе С-300 была исследована динамика плазмы конденсированных Z-пинчей и различных газовых лайнеров, в т. ч. и при создании гетерогенной лайнерной структуры.

ОБЗОР ПЕРСПЕКТИВ ПРИМЕНЕНИЯ МИКРОВЗРЫВОВ СУПЕРПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ В КОСМОНАВТИКЕ XXI ВЕКА

В.А. Белоконь

Академия Космонавтики, РАЕН, МГУ, Москва, Россия

    Зажигание термоядерного топлива (~10¹¹ Дж/г), требующее температур порядка 5-10 кэВ для ДТ смеси и 30-50 кэВ для смеси дейтерия с легким изотопом гелий-три, приводит к эффективному сгоранию в режиме "инерциального термояда", если топливо сжато до r = 100-1000 г/см³. Здесь речь идет о приемлемых для КЛА и иных систем микровзрывах, масштаб которых оценивается соотношениями У_дж~10¹³/r²_дт~ 10¹⁵/r²_д-не³ , откуда получается ограничение снизу на плотность при ограничении сверху на энерговыделение, равное в типичном случае 10⁹ Дж. Именно контролируемое достижение суперплотности является нынешней главной проблемой микровзрывного термояда. Такие организации как Лос-Аламос и Ливермор планируют решить проблему создания и испытания "мишеней" или "таблеток" суперплотного сжатия с помощью твердотельного лазера, способного выстреливать один МДж света за две наносекунды при фокусировке до 10¹⁵ Вт/см², причем мощность эта хорошо программируется во времени. В 2002-2005 гг. там, а также в аналогичном комплексе, стоимостью более миллиарда долл., под Тулузой (Франция), должны быть получены микровзрывы энергии 10-50 МДж. Лазеры маштаба 5-10 и более Мдж/10нс позволят в 2005-2010 гг. достигнуть энергии микровзрывов 500-5000 МДж. Скорость разлета 10-100 миллиграмм такой плазмы - до 1000 км/сек, или ~100 км/сек, если - по Годдарду - подмешивать нейтральную среду для большей тяги при меньшем удельном импульсе. Пока они планируют моделирование ядерных взрывов.
    Компоновка КЛА с лазерно-термоядерным движителем, или с бортовой энергетикой на той же основе, предложена автором в 70-е годы и с 1981 года обсуждалась в ЦАГИ, фирме В.П. Глушко, МГУ и на чтениях КЭЦ. Детали схем такого класса были закрыты в США до 1974-83 гг. и ныне отчасти опубликованы. При плановом развитии этого направления первый микровзрывной КЛА США может стартовать к Марсу в 2017 году, его прогнозируемая масса составит ок. 5000 т с 10-15 астронавтами на борту. Острота проблемы радиационной опасности, несомненной при использовании тритий-дейтериевой смеси, 60-70% энергии взрыва которой выделяется в виде нейтронов, снимается применением "более тугоплавкой" смеси дейтерия с гелием-3, дающей при взрыве лишь - ~5% энергии в нейтронах. Менее горючая гелиевая "таблетка" может эффективно поджигаться с помощью метода т.н. "Быстрого запала", предложенного в Ливерморе несколько лет назад н детально разрабатываемого рядом центров, в т. ч. у нас.
    Кроме компактных, ок. 5 мм, термоядерных мишеней под суперлазеры, микровзрывы могут обеспечиваться н иными схемами сжатия, в т. ч. нашей схемой типа "захлопываемая книга", опубликованной в 1974-83 гг., требующей не более чем 10¹² Вт/см² от лазеров или других воздействий, в т.ч. рельсотронов.
    Микровзрывы суперплотной плазмы обеспечат не только очень высокий удельный импульс для КЛА и достаточную тягу для крупных систем межпланетного или даже более дальнего класса. Они дадут питание дли лунных и марсианских поселений (благо гелия-3 на Луне предостаточно), их уникальная, до 10^17-22 Ватт, мгновенная мощность перспективна для накачки не менее уникальных, лазеров и т. п. систем. Подобные импульсные источники позволят осуществлять эффективную проходку пород Луны н Марса, а в более отдаленном будущем даже реализовать прогнозы создания генераторов когерентного гравитациионного излучения, т. е. осуществлять непосредственное воздействие на структуру пространства-времени.