ГИДРОДИНАМИКА ПЛАЗМЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ ГАЗА КОРОТКИМ, МОЩНЫМ ЛАЗЕРНЫМ
ИМПУЛЬСОМ.

Н.Е. Андреев, М.В. Чеготов

Научно - исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института Высоких Температур РАН, 127412, Москва, Россия

    Построена гидродинамическая модель взаимодействия короткого, мощного лазерного импульса с газами умеренных плотностей, в которой последовательно учтены как процессы туннельной ионизации, так и релятивистское движение электронов, возникающих при ионизации газа в релятивистски сильном поле импульса. На основе построенной модели снимаются противоречия между теорией и экспериментом, которые являются, по нашему мнению, следствием упрощенной точки зрения на процесс ионизации и его результаты. При рассмотрении остаточной энергии электронов лишь как средней энергии, приходящейся на один электрон после прохождения импульса, в большом количестве случаев теряется значительная часть информации о реальном распределении электронов по энергиям. Процесс ионизации многоэлектронных атомов представляет собой многоэтапный процесс последовательного «обдирания» электронов с ионов различной кратности ионизации. Это означает, что свободные электроны появляются группами в результате ионизации соответствующих ионов, обладающих своим потенциалом ионизации, и поэтому различные группы электронов характеризуются разными температурами, причем последняя тем выше, чем выше потенциал ионизации. Время установления единой для всех групп электронов температуры (термализация электронов) определяется частотой электрон - электронных кулоновских столкновений и существенно зависит от температуры вновь появившейся группы электронов. Это время может быть весьма значительным, приводя к разделению электронных групп по различающимся температурам. В зависимости от конкретных условий эксперимента, а также от измеряемых величин, в результатах эксперимента могут проявляться либо группы холодных электронов, либо группы горячих электронов, появившихся при ионизации «глубоких» электронных оболочек, либо, при достаточно длительных измерениях, средняя температура электронных групп.

МНОГОФОТОННЫЙ И СТОЛКНОВИТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМЫ ИОНИЗАЦИИ КАК ПРИЧИНЫ РАЗВИТИЯ ИОНИЗАЦИОННОЙ ЛАВИНЫ.

Н.Е. Андреев, В.П. Силин^*, М.В. Чеготов

 Научно - исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института Высоких Температур РАН, 127412, Москва, Россия
^*Физический Институт им. П.Н. Лебедева РАН, 117924, Москва, Россия

    Исследуется эволюция во времени степени ионизации газообразного азота при давлении Р ~ 0.01ё0.1 атм, подвергающегося действию двух лазерных импульсов с пиковой интенсивностью менее или порядка 10¹⁴ Вт/см² и длительностью порядка 50 пс каждый, различающихся длинами волн излучения l: для одного импульса l = 1.06 mм, для другого - l = 0.53 mм. Время задержки t одного импульса по отношению к другому менялось и составляло величину вплоть до 500 пс. Найдено, что результирующая степень ионизации газа оказывается существенно асимметричной функцией очередности следования импульсов: если первым следует импульс второй гармоники, то результирующая степень ионизации оказывается существенно больше (более чем на порядок), чем в условиях, когда первым на газ падает импульс первой гармоники. Кроме того величина степени ионизации оказывается максимальной тогда, когда временная задержка между импульсами достаточно велика. Такие результаты обусловлены совместным действием двух механизмов ионизации, - многофотонного и ионизации электронным ударом (столкновительного). Если первым следует импульс второй гармоники, то многофотонная ионизация создает достаточно большое количество свободных электронов для развития лавинной ионизации, обусловленной столкновительным механизмом. При этом количество созданных многофотонной ионизацией «затравочных» для развития лавинной столкновительной ионизации свободных электронов тем больше, чем больше время запаздывания t в условиях, когда последнее меньше характерных времен пространственной диффузии электронов и рекомбинации. Подчеркнем, что результирующая степень ионизации при условии, когда первым на газ падает импульс второй гармоники, составляла величину близкую к 1, если учитывалась многофотонная ионизация, и оказывалась менее 0.01, если учитывалась лишь естественная «фоновая» ионизация (в отсутствие многофотонной ионизации).

ОСТАТОЧНАЯ ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРОНОВ В УСЛОВИЯХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА НА СРАВНИТЕЛЬНО БОЛЬШИЕ РАССТОЯНИЯ.

М.В. Чеготов

Научно - исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института Высоких Температур РАН, 127412, Москва, Россия

Исследуется явление остаточной энергии [1,2] при распространении интенсивного, короткого лазерного импульса на сравнительно большие расстояния. Показано, что с увеличением глубины проникновения импульса в плазму величина остаточной энергии увеличивается. Такое увеличение обусловлено укручением временного профиля лазерного импульса в той его области, где происходит ионизация. Укручение , в свою очередь, является следствием “выедания” энергии импульса по мере его проникновения вглубь вещества [3]. В результате такого воздействия лазерного импульса на вещество газ свободных электронов, родившихся в результате ионизации, после ухода импульса обладает температурой Т_е, неоднородной вдоль направления распространения лазерного излучения. Исследуется величина градиента Т_е в зависимости от параметров газа и лазерного излучения.

    Литература.

1. B.M.Penetrante, J.N. Bardsley, Phys. Rev. A, 43, 3100, (1991).
2. N.E. Andreev, М.V. Chegotov, M.E. Veisman, B. He, J. Zhang, Non-adiabatic energy deposition from the short intense laser pulse to the ionizing gas. Труды ICONO'98, Москва, 29 июня - 3 июля 1998 г.
3. М.В. Чеготов Процессы ионизации как причина деформации временного профиля короткого, мощного лазерного импульса, Изв. РАН, Сер. Физическая, в печати.

ЗАВИСЯЩАЯ ОТ ВРЕМЕНИ ВЕРОЯТНОСТЬ ИОНИЗАЦИИ И ГЕНЕРАЦИЯ ГАРМОНИК В ПРОЦЕССЕ ИОНИЗАЦИИ.

Н.Е. Андреев, М.В. Чеготов

Научно - исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института Высоких Температур РАН, 127412, Москва, Россия

    Исследовано возбуждение гармоник лазерного излучения, которые возникают в процессе ионизации вещества ультракоротким лазерным импульсом. Обсуждаемый механизм генерации гармоник в ходе ионизации принципиально отличается от предложенных ранее (см., например, [1,2]), имеющих столкновительный характер. В основе исследуемого механизма лежит то обстоятельство, что в условиях ультракоротких, интенсивных лазерных импульсов с длиной волны излучения порядка 1 мкм ионизация атома или иона происходит при достаточно больших интенсивностях, так что параметр Келдыша g <1 и процесс ионизации оказывается туннельным. В ходе такой ионизации время жизни связанного состояния электрона в атоме (ионе) оказывается меньше периода осцилляций лазерного поля. Вследствие этого имеет смысл рассматривать вероятность ионизации как функцию величины осциллирующего электрического поля лазерного импульса в данный момент времени. В свою очередь такая зависимость от времени вероятности ионизации приводит к скачкообразной временной зависимости нарастающей в ходе ионизации плотности электронов. В результате осцилляторная зависимость электрического поля от времени в электрическом токе свободных электронов в ионизующемся веществе оказывается модулированной скачкообразной временной зависимостью плотности электронов. Именно эта быстрая модуляция и является причиной возбуждения гармоник частоты лазерного излучения. Исследована зависимость амплитуд этих гармоник от времени.

    Литература.

1. Silin V.P. About the coherent bremsstrahlung harmonics creation in laser plasmas. In Proc. Of ICONO'98, June 29- July 3, 1998, Moscow, Russia.
2. Taranukhin V.D. Generation of coherent X-ray radiation by atoms in superstrong laser fields: fundamental restrictions, optimizations and ultimate possibilities. In Proc. Of ICONO'98, June 29- July 3, 1998, Moscow, Russia.

ТОМСОНОВСКОЕ РАССЕЯНИЕ В ПЛАЗМЕ, СОЗДАВАЕМОЙ КОРОТКИМ, ИНТЕНСИВНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ.

М.В. Чеготов

Научно - исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий Объединенного Института Высоких Температур РАН, 127412, Москва, Россия

Теоретически исследуются спектры томсоновского рассеяния в плазме, создаваемой ионизацией газа интенсивным (интенсивность больше или порядка 10¹⁶ Вт/см²) коротким (длительностью менее или порядка 100 фс) лазерным импульсом. Важной особенностью такой плазмы, формирующейся в результате ионизации вещества, состоящего из многоэлектронных атомов, является многокомпонентность ее электронной подсистемы [1]. Последовательная ионизация электронных оболочек атомов вещества приводит к появлению групп электронов с различным распределением по скоростям. В частности, в зависимости от начальной плотности ионизуемого газа, интенсивности и длительности лазерного импульса, а также в зависимости от методики проведения эксперимента в спектрах томсоновского рассеяния может проявляться анизотропия этих распределений, а также то обстоятельство, что температура различных электронных групп разная. На основе построенной теоретической модели проводится анализ экспериментальных данных.

    Литература.

1. Андреев Н.Е., Чеготов М.В., Вейсман М.Е., Аугусте Т., Д'Оливейра П., Халин С., Моно П., Фаенов А.Я., Пикуз Т.А., Магунов А.И., Скобелев И.Ю., Розмей Ф.Б., Романовский М.Ю. Не адиабатический нагрев плазмы, создаваемой ионизацией газа коротким мощным лазерным импульсом. Письма в ЖЭТФ. 1998, Т. 68, вып.7, стр. 566.

О влиянии электронных плазменных волн с релятивистской фазовой скоростью на вынужденное комбинационное рассеяние назад коротких лазерных импульсов в плазме.

Н.Е.Андреев, С.Ю.Калмыков

Научно-исследовательский центр теплофизики импульсных воздействий РАН, 127412 Москва, Ижорская ул. 13/19

    Исследованы спектральные характеристики вынужденного комбинационного рассеяния назад (ВКРН) коротких лазерных импульсов в разреженной плазме, в которой возбуждена электронная плазменная волна с релятивистской фазовой скоростью (так называемая релятивистская плазменная волна, или РПВ). В присутствии заданной свободной слабонелинейной РПВ исследовано ВКРН как конвективная в системе импульса неустойчивость в режимах слабой [a₀ < (w_pe/w₀)^1/2]и сильной [a₀ > (w_pe/w₀)^1/2]связи [a₀ =еЕ₀ /(m_ew₀c) – нормированная амплитуда электрического поля лазерного импульса, w_pe = (4pe²n₀ / m_e)^1/2  – электроннаяплазменная частота, связанная с фоновой плотностью n₀, w₀ – характерная частота лазерного импульса, w_pe<< w₀для разреженной плазмы].Показано, что влиянием нелинейности РПВ на процесс ВКРН можно пренебречь при условии, что амплитудаdn₀возмущения плотности в РПВмала сравнительно с n₀(w_pe/w₀)^1/2. Дисперсионный анализ, выполненныйпри соблюдении последнего требования, показал, что в режиме слабой связи ВКРН может испытывать значительное подавление, если dn₀ /n₀ > w_pe /w₀.Показано, что тепловая поправка к частоте рассеивающих плазменных волн сохраняет эффект подавления, хотя и делает его менее выраженным. В пределе сильной связи ВКРН не испытывает подавления при dn₀ /n₀ <(w_pe/w₀)^1/2. Численное моделирование ВКРН заданного лазерного импульса в присутствии заданной релятивистской плазменной волны подтверждает результаты аналитической теории.

О БЕССТОЛКНОВИТЕЛЬНОМ НАГРЕВЕ ГАЗОВ МОЩНЫМИ ИОНИЗУЮЩИМИ ЛАЗЕРНЫМИ ИМПУЛЬСАМИ.

Н.Е.Андреев^*, М.Е.Вейсман^*, М.В.Чеготов^*,С.П.Гореславский^**

^*НИЦ ТИВ ОИВТ РАН, 127412, Москва, Ижорская 13/19,
^**МИФИ, 115409, Москва, Каширское ш. 31.

    Исследован бесстолкновительный нагрев легких газов короткими (t^p < 1 ps) мощными, релятивистски сильными ионизующими лазерными импульсами (интенсивности I⁰ = 10¹⁵ё 10¹⁹ Вт/см²) эллиптической поляризации.
    Выведены формулы для средних по электронному ансамблю импульса и энергии электронов, родившихся в результате ионизации газа лазерным импульсом. Показано, что энергия и импульс электронов в поле лазерного излучения слагаются из сильноосциллирующих составляющих Q_van и Р_van, исчезающих после прохождения лазерного импульса (при t ®) и слабоосциллирующих составляющих Q_tr и Р_tr , остающихся у электрона при t®. Последние могут быть интерпретированы как "Остаточная энергия" (ОЭ) [1] и "Остаточный импульс" (ОИ) электрона.
    Показано, что энергия направленного движения электронов Р²_tr/2т много меньше энергии Q_tr и поэтому последняя может быть отождествлена с температурой T(t®) » 2/3 Q_tr(t ®).
    С помощью квантовомеханического распределения электронов по скоростям в момент ионизации в туннельном пределеg<1, где g - параметр Келдыша [2], исследовано влияние на ОЭ и ОИ начального распределения скоростей электронов в момент ионизации.
    Показано, что в случае поляризации не близкой к линейной начальное распределение скоростей электронов не существенно для вычисления ОЭ и ОИ и можно считать, как это обычно и делается [1], что электроны в момент ионизации обладают нулевой скоростью. В случае линейной поляризации отношение средней энергии электронов в момент ионизации к средней энергии, полученной ими в дальнейшем за счет адиабатического взаимодействия с полем импульса, составляет величину »0.8g².Поэтому в сильно туннельном пределе g<<1 можно по-прежнему считать, что электроны вылетают с нулевой скоростью в момент ионизации. Однако при g1 учет начального распределения электронов по скоростям может быть существенным для определения ОЭ (на ОИ это распределение по-прежнему мало сказывается).

    Литература.

ОБ УВЛЕЧЕНИИ ИОНОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ВОЛНОЙ.

Л.М.Горбунов, Р.Р.Рамазашвили

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

    Исследованы законы сохранения энергии и импульса для установившихся нелинейных плазменных волн. Показано, что распространение такой волны сопровождается возникновением отличного от нуля среднего потока ионов вдоль направления распространения волны. При этом в основном ионы определяют усредненный импульс волны.

УСКОРЕНИЕ КОРОТКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ БАНЧЕЙ В КИЛЬВАТЕРНОЙ ВОЛНЕ.

Н.Е.Андреев^*, Л.М.Горбунов^**, С.В.Кузнецов^*

^*НИИЦТИВ ОИВТ РАН , Москва, Россия
^**ФИАН, Москва, Россия

    Энергетический спектр и эмиттанс ускоренных электронов существенно зависят от структуры кильватерной волны, размера инжектируемого электронного банча, также как и от фазы его инжекции в кильватерное поле. Эти вопросы исследуются аналитически и численно в аксиально симметричной трехмерной геометрии для различных длин ускорения. Мы обсуждаем также эффект искажения ускоряющего кильватерного поля из-за ускоряемого электронного банча. Соответствующая система уравнений, самосогласованно описывающая возбуждение кильватерного поля, эволюцию лазерного импульса и электронного банча, анализируется численно. Рассмотрено ограничение на число ускоряемых электронов связанное с уменьшением ускоряющего поля.

ФОРМИРОВАНИЕ КОРОТКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ СГУСТКОВ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЗАХВАТА КИЛЬВАТЕРНОЙ ВОЛНОЙ.

Н.Е. Андреев, С.В. Кузнецов

ОИВТ РАН, НИЦ ТИВ, г.Москва, Россия

    Энергетические характеристики ускоряемого в кильватерной волне электронного сгустка в большой степени определяются его начальными пространственными размерами. Современные инжекторы не могут обеспечить требуемые исходные параметры сгустка для осуществления его дальнейшего моноэнергетического ускорения. Эта проблема исследуется аналитически в одномерном случае и численно в пространственной кильватерной волне. Рассматривается возможность улучшения энергетических характеристик ускоряемого сгустка за счет его предварительного продольного сжатия в процессе захвата электронов пучка кильватерной волной. Получены аналитические формулы, с хорошей точностью описывающие динамику изменения пространственных и энергетических характеристик достаточно узкого и короткого сгустка на стадии захвата. Показано также, что с помощью сочетания воздействия на протяженный инжектируемый пучок электронов продольных и поперечных (т.е. сжимающих и фокусирующих) сил килватерной волны возможно выделение из него компактного электронного сгустка повышенной плотности и последующее его эффективное ускорение.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ КОРОТКИХ МОЩНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ В ПЛАЗМЕННЫХ КАНАЛАХ

Н.Е.Андреев^*, Л.М.Горбунов^**

^*НИИЦТИВ ОИВТ РАН , Москва, Россия
^**ФИАН , Москва , Россия

    Волноводное распространение лазерных импульсов в заранее приготовленных плазменных каналах предполагается использовать в лазерных ускорителях на кильватерной волне для того, чтобы увеличить длину распространения импульса и, следовательно, длину ускорения и энергию ускоренных электронов. Известно, что соответствующим образом подобранный, согласованный плазменный канал с параболическим профилем плотности может предотвратить расплывание и разрушение гауссовского импульса малой интенсивности [1]. В этом сообщении мы показываем, что подавление расширения импульса и его пульсаций имеет место также и для достаточно короткого мощного лазерного импульса, когда мощность излучения порядка критической мощности и, наряду с плазменным каналом,  пондеромоторная и релятивистская нелинейности плазмы играют существенную роль. Мы обсуждаем также влияние длины лазерного импульса на эффективность возбуждения плазменных волн и на структуру кильватерной волны в плазменном канале.

    Литература.

1. N.E.Andreev, L.M.Gorbunov, and V.I.Kirsanov, Phys.Plasmas,V.2,(1995)2573

ФЛУКТУАЦИИ ПЛАЗМЫ, ВЫЗЫВАЕМЫЕ НЕОДНОРОДНОСТЬЮ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА

Брантов А.В., Быченков В.Ю., Розмус В.^*, Сенеча В.К.^**, Тихончук В.Т.

Физический институт им. П. Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
^*Институт теоретической физики, Эдмонтон, Альберта,Канада
^**Центр передовых технологий, Индор, Индия

    В последнее время в рамках исследований по программе лазерного термоядерного синтеза в целях достижения максимальной однородности облучаемой мишени, чему препятствует неоднородность лазерных импульсов, возникло значительное число различных методов их сглаживания, приводящих к формированию спеклованных пучков [1], распространение которых приводит к вынужденным флуктуациям плазмы, оказывающим существенное влияние на развитие параметрических и гидродинамических неустойчивостей [2]. Такие флуктуации, возникающие в режиме существенно нелокального переноса, могут обуславливать также повышенное поглощение лазерного излучения и его рассеяние.
    Проведено теоретическое исследование нетепловых флуктуаций плазмы, вызываемых спеклованным лазерным пучком в условиях нелокального переноса. Найден спектр продольных и вихревых флуктуаций плазмы, возникающих вследствие неоднородности интенсивности лазерного пучка. Исходя из корреляционной функции лазерного излучения, получены корреляционные функции плотности, температуры, магнитного поля и завихренности плазмы. Показано, что нетепловые флуктуации зависят от трех факторов: спектра интенсивности лазерного пучка, затухания ионно-звуковой волны и параметра столкновительности плазмы. Продемонстрирована необходимость учета нелокальных эффектов, приводящих к увеличению амплитуды флуктуаций в два-три раза по сравнению с предсказаниями классической теории в гидродинамическом режиме сильных столкновений либо бесстолкновительном. Развитая теория также предсказывает возможность генерации значительных флуктуаций магнитных полей.
    В последнее время широко применяется метод томсоновского рассеяния для диагностики лазерной плазмы [3]. А поскольку в современных экспериментах по УЛТС используются спеклованные лазерные пучки, возникает необходимость исследования рассеяния лазерного света на возникающих нетепловых флуктуациях плотности. Выведено дифференциальное сечение рассеяния зондирующего лазерного пучка, на таких флуктуациях плазмы, вызываемых основным лазерным пучком. Полученное сечение рассеяния значительно больше (иногда, на несколько порядков), чем в случае рассеяния на тепловых флуктуациях, не учитывающих флуктуации интенсивности лазерного излучения. Вследствие анизотропии спеклов лазерного излучения возникает асимметрии углового распределения рассеянного света.

    Литература.

1. A. J. Schmitt, Phys. Fluids, 1988, 31, 3079.
2. V. T. Tikhonchuk, S. Huller, and Ph. Mounaix, Phys. Plasmas, 1997, 4 4369
3. Baldis H.A., Labaune С., Rev. Sci. Ins., 1996, 67, 451.

Метод лазерного инициирования ядерных реакций высокоэнергетичными ионами.

В. Ю. Быченков , Г. С. Саркисов, В. Т. Тихончук, С. В. Толоконников

Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, 117924, Москва, Россия

    Уникальные возможности современных методов генерации мощных ультракоротких лазерных импульсов открывают перспективу их практического использования в ядерной физике. Это, например, демонстрируют исследования по лазерному ускорению электронов и инициированию ими ядерных реакций. В тоже время, наметилось новое направление исследований по лазерному ускорению ионов и сопутствующим явлениям, причем уже первые экспериментальные результаты [1,2], свидетельствующие о генерации ионов с энергией ~ 0.5 МэВ при взаимодействии лазерного импульса с длиной волны 1.06 и 0.53 мкм, интенсивностью ~ 5Ч10¹⁸ и длительностью импульса 400-600 фс с газовой мишенью, показали, что методы лазерного ускорения богаты совершенно новыми приложениями и прежде всего для ядерной физики.
    Высокая энергия ионов, ускоряемых в фокусе лазерного пучка, говорит о том, что они могут эффективно вызывать ядерные реакции даже при использовании уже существующих мощных короткоимпульсных лазеров. В настоящей работе предлагается схема компактного "реактора" на основе лазерного ускорения ионов. Практическая реализация такого метода могла бы состоять в фокусировке мощного (Il² > 10¹⁸ ВтЧсм^-2Чмкм²) лазерного излучения внутрь цилиндрического (радиусом в несколько десятков микрон) канала в мишени (капилляра), который заполняется газом под нужным давлением. Выбор газа. и вещества мишени, например, стенок капилляра, определяется конкретными ядерными реакциями, которые желательно инициировать. Ускоренные в радиальном направлении ионы газа, проникая в мишень, провзаимодействуют с ее ядрами на глубине своего пробега. Генерация высокоэнергетичных ионов основана на использовании явления кулоновского взрыва, [3], заключающегося в ускорении ионов электростатическим полем разделения заряда. Оно обусловлено выталкиванием электронов из области сильного лазерного поля пондеромоторной силой и/или силой давления на длине лазерного канала, которая благодаря релятивистской самофокусировке может превосходить 1 мм [1]. Предлагается модель, описывающая генерацию быстрых ионов.
    Лазерный метод ускорения ионов дает микроисточник нейтронов короткой длительности, причем подбором соответствующих пар взаимодействующих ядер возможно получение нейтронов различных энергий от нескольких сотен КэВ до десятков МэВ. Он может быть использован для получения короткоживущих изотопов, генерации жесткого и мягкого g -излучения, создания источников легких ионов и т.д. Применительно к этому дается расчет эффективности выхода соответствующих ядерных реакций.

    Литература.

1. G.S.Sarkisov, V.Yu.Bychenkov, V.T.Tikhonchuk et al., Письма в ЖЭТФ 66, 787 (1997).
2. J.Fuchs, G.Malka, J.C.Adam et al., Phys. Rev. Lett.80, 1658 (1998).
3. N.H.Burnett and G.D.Enright, IEEE J. Quantum Electron.26, 1797 (1990).

КОМПАКТНЫЙ ДИФРАКЦИОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР "СИРИУС-УФ" ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

В.Н.Колесников, А.П.Матафонов^*,Н.К.Павлычева^**,З.В.Рахимов^***,А.Н.Фуников^****

ФИАН, Москва, Россия.
^*Центральный научно-исследовательский институт машиностроения, г.Королев, Россия.
^**Авиационный университет, Казань, Россия.
^***Оптико-механический завод, Казань, Россия.
^****НПО "Геофизика", Москва, Россия.

    Спектрометр нового поколения "Сириус-УФ" на короткофокусной широкоапертурной вогнутой неклассической дифракционной решетке, позволяющей значительно повысить светосилу прибора и сократить его габариты и вес по сравнению с предшественниками. Существенно, что при этом он обеспечивает высокое качество спектра благодаря тому, что переменные шаг и кривизна штриха и расположение решеток вне круга Роуланда позволяют лучше скорректировать аберрации. Для исключения наложения порядков в УФ диапазоне применяется дихроичный фильтр с П-образной полосой пропускания от 210 до 420 нм, не имеющий обертонов. Для повышения надежности прибора в условиях экспериментов он построен по схеме спектрографа, а не монохроматора. Это позволяет исключить все кинематические узлы и регистрировать спектр по всей его длине одновременно.
    Приемно-регистрирующая система (ПРС) спектрометра имеет три канала приема:

• низкочувствительный, основанный на фотодиодной линейке;
• высокочувствительный, основанный на склейке линейки с усилителем яркости (ЭОП с МКП);
• интегральный, основанный на лавинном фотодиоде.

Основные параметры спектрометра "Сириус-УФ":
Рабочий диапазон,D , l , нм  -  210- 420
Разрешаемый интервал, d,l , нм  -  1,0
Фокусное расстояние, ¦ , мм  -  50
Масса, т, кг  -  < 5

ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АЭРОГЕЛЕЙ С ПОМОЩЬЮ СИЛЬНОТОЧНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

Б.А. Демидов, В.П. Ефремов^*, М.В. Ивкин, И.А. Ивонин, В.А. Петров, В.Е. Фортов^*

РНЦ “Курчатовский институт”, Москва, Россия
^*НИЦ ТИВ РАН, Москва, Россия

    Si0₂ - аэрогели, разработанные в Институте катализа СО РАН (Новосибирск), представляют собой пористые диэлектрики. Высокая оптическая прозрачность аэрогелей позволяет оптическими методами изучать отклик пористых материалов на высокоэнергетические воздействия.
    С помощью фотохронизатора ФЭР-7 и лазерного интерферометра исследована динамика взаимодействия импульсного сильноточного электронного пучка (I= 10ё 15 кА, Е = 270ё290 кэВ,t»10^-7 с) с аэрогелями различной плотности (r = 0,015ё 0,36 г/см³ ) и пористости.
    Измерены профили энерговыделения электронного пучка, скорости разлета аэрогелей навстречу пучку, а также скорости распространения возмущений по аэрогелю и скорости разлета откольных фрагментов.
    На основе полученной информации разработана модель описания высокопористых материалов, отражающая фрактальные свойства аэрогелей и позволяющая правильно определить их термодинамические характеристики при изменении пористости в десятки раз. Показано, что при низких плотностях аэрогелей(r0,2 г/см³ ) нельзя пренебрегать влиянием объёмного электрического заряда сильноточного электронного пучка.

ИЗУЧЕНИЕ СЖАТИЯ ПЛАЗМЫ В ПЕРЕТЯЖКЕ ПЛОТНОГО Z-ПИНЧА.

Бакшаев Ю.Л„ Вихрев В.В., Гордеев Е.М., Данько С.А., Королев В.Д., Матвеев В.В., Медовщиков С.Ф., Недосеев С.Л., Смирнова Е.А., Туманов В.И., Черненко А.С.

123182 Российский научный центр "Курчатовский институт", Москва.
112092 Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, Троицк.

    На 8-модульном импульсном генераторе С-З00 (4 МА, 100 нс) выполнены эксперименты по исследованию динамики развития перетяжки в плотном Z-пинче. Исследования направлены на изучение возможности получения плазмы экстремальных параметров в перетяжке.
    Плотная горячая плазма создавалась в результате сжатия углеродных нитей с заранее намеченной шейкой магнитным полем тока, достигавшего 3 МА с фронтом нарастания 100 нс. В качестве нагрузки использовались нити диаметром 1-3 мм и длиной 8-10 мм, изготовленных из пористых материалов. Для увеличения начальной плотности использовался графитовый наполнитель, что позволяло изменять её в широком диапазоне – от 10^-2 до 1 г/см³. Эффект усиления фокусировки энергии достигался формированием в средней части нагрузки заранее намеченной "шейки" с диаметром 0,2-0,7 мм. Для измерения параметров плазмы в перетяжке использовались современные рентгеновские диагностики с высоким пространственным и временным разрешением, а также кадровое и щелевое фотографирование в рентгеновском и оптическом диапазонах спектра. Эксперименты показали, что при токах 2-3 МА при полной энергии на выходе генератора 100 кДж удается реализовать режим с формированием горячей плазмы в области "шейки" с начальным диаметром меньшим, чем 0,5 мм. В этих исследованиях была получена плазма с характерным размером 50 мкм и электронной температурой 1,5 кэВ, концентрацией 10²² см^-3. Из обработки спектра высокоионизованных ионов было найдено, что существует отрыв ионной температуры от электронной.
    Было обнаружено явное невыполнение условия Беннета в конечной стадии сжатия Z-пинча. Давление магнитного поля, оцененное из тока разряда и минимального измеренного радиуса перетяжки, оказалось на два порядка величины больше давления плазмы, определенного из спектроскопических измерений. Причиной такого несоответствия могут быть следующие явления: резкое охлаждение электронной компоненты и сильный отрыв ионной температуры от электронной; вытеснение значительной части тока из перетяжки в окружающую ее периферийную плазму; появление достаточно большого продольного магнитного поля, препятствующего сжатию пинча; генерация хаотических магнитных полей.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ ПУЧКА В ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В СКРЕЩЕННЫХ ПОЛЯХ В СИНХРОННОМ РЕЖИМЕ

В. П. Милантьев, О. А. Савельев

Российский Университет Дружбы Народов Москва, Россия

    Авторезонансный механизм взаимодействия электронов с электромагнитной волной используется как в целях ускорения частиц, так и для усиления и генерации электромагнитных волн [1,2].
    В работах [3,4] рассматривалась возможность поддержания синхронизма частиц с замедленной электромагнитной волной в скрещенных магнито- и электростатических полях. Данное сообщение посвящено изучению преобразования кинетической энергии пучка в электромагнитное излучение в таких условиях.
    Аналитически решена усредненная система уравнений движения электрона в сопутствующей системе отсчета, движущейся со скоростью электрического дрейфа. В лабораторной системе отсчета найдена длина взаимодействия, на которой происходит максимальная отдача энергии частицы волне. Рассчитана эффективность преобразования энергии, которая возрастает с увеличением начальной энергии частицы. Показано что в рассматриваемых условиях радиационное трение не влияет существенно на эффективность преобразования.

    Литература.

1. Милантьев В. П. УФН, 1997, 167, с.3
2. Братман В. Л., Денисов В. Г., Офицеров М. М. Релятивистская высокочастотная электроника, ИПФ, Горький, 1983, с.127
3. Милантьев В. П. ЖТФ, 1994, 64, с.166
4. Милантьев В. П., Савельев О.А. Вестник РУДН, серия Физика, 1995, 3, с.196

НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКОВ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ СИЛЬНОТОЧНОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ЛИНЗОЙ

А.А. Гончаров, С.Н. Губарев, А.Н. Добровольский, И.М. Проценко, I.G. Brown^*

Институт физики НАНУ, Киев, Украина
^*LBNL, Berkeley, USA

    Приводятся результаты экспериментальных исследований фокусировки широкоапертурных пучков тяжелых металлических ионов сильноточной электростатической плазменной линзой (ПЛ). Эксперименты были выполнены в ИФ НАНУ и LBNL с использованием вакуумно-дуговых импульсно-периодических ионных источников типа "MEVVA" с трехэлектродной многоапертурной ионно-оптической системой, позволяющей формировать слаборасходящиеся пучки ионов различных элементов. Основные параметры эксперимента в ИФ НАНУ - источник ионов меди с энергией 5-25 кэВ, током до 800мА, длительностью 100 мкс и начальным диаметром Ж5,6 см. Ионный источник располагался на расстоянии 30 см от средней плоскости 9-ти-электродной ПЛ с входной апертурой Ж7см, длиной L=12 см, импульсным изолирующим H-полем до 0,1 Тл и максимальным потенциалом на фиксаторах до +4кВ.
    Параметры эксперимента в LBNL: слаборасходящийся пучок ионов (Та, Zn, Cu, С) с начальнымЖ10см формировался ионным источником MEVVA-5 в диапазоне ускоряющих напряжений 10-50 кВ общим током до 500 мА и длительностью 250 мкс. ПЛ: входная апертура Ж10 см, L=20 см, количество электродов-9, магнитное поле до 0,08 Тл, максимальный потенциал до 7 кВ. Конфигурация H-поля оптимизировалась с помощью компьютерного моделирования. Во всех экспериментах двухкомпонентная плазменная среда в объеме ПЛ, состоящая из быстрых ионов пучка и медленных замагниченных электронов, образовывалась только за счет вторичной ионно-электронной эмиссии поверхности электродов при попадании на них периферийных частиц пучка. Остаточное давление в экспериментах поддерживалось на уровне 5ё 10Ч 10⁶ Торр. Установлено, что фокусировка таких частиц из-за значительных электронных утечек эффективна только при условии жесткой фиксации внешних потенциалов на электродах ПЛ. Изучены особенности статических характеристик линзы в этих условиях. Показано, в частности, что предельное электрическое поле в ПЛ ограничивается с ростом напряжения на фиксаторах и тока проходящего пучка вследствие возрастания потенциала в приосевой области линзы. Показано, что при минимизации сферических и моментных аберраций, фокусировка сильноточных пучков тяжелых элементов средних энергий (5-50 кэВ) гораздо эффективней фокусировки легких ионов водорода. В частности, максимальная плотность тока пучка ионов Cu с током 800 мА в фокусе достигала 170 мА/см², а плотность тока ионов Та с током до 240 мА возрастала в фокусе в 30 раз и достигала 35 мА/см².

ВЛИЯНИЕ МАГНИТОГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ НЕУСТОЙЧИВОСТИ РЭЛЕЯ - ТЭЙЛОРА НА МОЩНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ПЛАЗМЫ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ Z-ПИНЧЕЙ

^*В.А. Гасилов, ^***В.С. Захаров, С.В. Захаров , ^*А.Ю. Круковский, ^**А.Ф. Никифоров, ^**В.Г. Новиков

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований, 142092 Троицк, Россия; Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau, France
^*Институт математического моделирования РАН, 125047 Москва, Россия
^**Институт прикладной математики М.В. Келдыша РАН, 125047 Москва, Россия
^***Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, 119899 Москва, Россия

    Магнитная имплозия цилиндрических оболочек (лайнеров) в импульсных генераторах высокой мощности используется для создания плотной плазмы многозарядных ионов в Z-пинчах и получения теплового рентгеновского излучения высокой интенсивности.
    Магнитная гидродинамика плазмы тяжелых ионов имеет качественно новые физические свойства. Благодаря сильному охлаждению плазмы излучением, тепловое давление плазмы намного меньше, чем магнитное b =8p р/В² <<I, а проводимость плазмы относительно не высока по сравнению с проводимостью слабоизлучающей плазмы с z~I. Давление магнитного поля сбалансировано силами инерции ускоряемой плазмы.
    Одним из основных процессов, определяющих динамику имплозии лайнера, качество Z-пинча и следовательно мощность излучения является магнитогидродинамическая (МГД) неустойчивость типа Рэлея-Тэйлора, развивающаяся благодаря начальной геометрической или массовой неоднородности плотности, а также усилению начальных возмущений за счет быстрых тепловых неустойчивостей.
    В докладе изучается аналитически и численно развитие МГД неустойчивости Рэлея-Тэйлора при имплозии плазмы многозарядных ионов и ее модификация за счет диффузии электромагнитного поля и охлаждения плазмы излучением. Внешняя и внутренняя части плазменного лайнера исследованы на устойчивость и получены условия развития МГД неустойчивости Рэлея-Тэйлора. Наружная поверхность всегда неустойчива, однако неустойчивость отличается от классической неустойчивости Рэлея-Тэйлора. В длинноволновом пределе ее развитие ограничено конечной магнито- звуковой скоростью в плазме, а в пределе коротких длин волн она подавлена диффузией магнитного поля. Неустойчивость внутренней части оболочки появляется при достаточно быстром росте величины магнитного поля, т.е., например, после определенной степени сжатия лайнера на заключительный стадии имплозии (магнитное поле в этом случае нарастает за счет уменьшения радиуса).
    Проводится сравнение с результатами численного моделирования на примере имплозии многопроволочных вольфрамовых лайнеров в экспериментах на генераторе Z (с амплитудой тока до 20 МА и длительностью его нарастания около 100 нсек.) с помощью двумерного МГД кода ZETA, включая перенос излучения с учетом аппроксимации уравнений состояния плазмы в неравновесном состоянии (non - LTE), а также изучается влияние уровня неустойчивости на мощность излучения плазмы тяжелых ионов и воспроизвести экспериментальные результаты. Показано, что возможно достичь параметров близких к измеряемым в эксперименте, если уровень начальных возмущений массы лайнера 10 %. Обсуждается динамика имплозии и развития МГД неустойчивости Рэлея-Тэйлора. Также показано, что плазма такого Z-пинча находится в режиме сильной неравновесности (non -LTE).

ЭМПИРИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ И ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА НАНОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ОКОЛО ТВЕРДОЙ МИШЕНИ ИЗЛУЧЕНИЕМ ГАРМОНИК ГИГАВАТТНОГО Nd-ЛАЗЕРА.

С.Б.Кравцов, В.Б.Федоров.

Институт Общей Физики, Москва, Россия

    На основе полученных нами ранее [1,2] в опытах с гармониками (l= 1,06 ; 0,53 и 0,265 мкм) излучения гигаваттного Nd-лазера эмпирических зависимостей от плотности потока I @ 10⁹ё 10¹³ Вт/см² падающего лазерного излучения для температуры и давления на внешней границе плотной наносекундной лазерной плазмы вблизи Al-мишени в вакууме предложена физическая интерпретация процессов нагрева лазерной плазмы в области ее одномерного разлета от мишени.
    Показано , что температура T, скорость звука v и давление P на внешней границе лазерной плазмы могут в соответствии с экспериментом не зависеть от длины волны падающего излучения и определяются степенными функциями только от плотности мощности I вида v²~T~I^1/3 и P ~I^5/6, которые следуют из баланса мощности I=vP и адиабаты Пуассона P ~ T^{g/g -1} при g =5/3 .
    Работа поддержана грантом РФФИ N 98-02-16798.

    Литература.

1. Буфетов И.А., Буфетова Г.А., Кравцов С.Б., Федоров В.Б., Фомин В.К., Квантовая электроника, 1995, 22, 825.
2. Буфетов И.А., Кравцов С.Б., Федоров В.Б. Квантовая электроника, 1996, 23, 535.