И.К.Фасахов
advertisement
На правах рукописи ФАСАХОВ ИЛЬДАР КАСЫМОВИЧ РЕНТГЕНОВСКАЯ ДИАГНОСТИКА ПЛОТНОЙ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПЛАЗМЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ЛТС (01.04.08 – физика плазмы) Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Троицк – 2011 г. 2 Работа выполнена в ФГУП «ГНЦ РФ Троицкий Институт Инновационных и Термоядерных Исследований» Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор М.И. Пергамент. Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук А.Н. Субботин (РФЯЦ ВНИИЭФ) кандидат технических наук Г.М. Олейник (ГНЦ РФ ТРИНИТИ) Ведущая организация: Физический институт им. П.Н. Лебедева, РАН Защита состоится «____»__________2011 г. в ____час ____мин на заседании диссертационного совета ДС 201.004.01 в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований по адресу: 142190, Троицк Московской обл., ул. Пушковых, владение 12. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ТРИНИТИ. Автореферат разослан «____»______________2011 г. Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук А.А. Ежов 3 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. Актуальность темы. В экспериментах по лазерному термоядерному синтезу (ЛТС) объектом исследования является плотная, высокотемпературная, неравновесная плазма, в которой присутствуют ионы высокой кратности ионизации. Для лазерной плазмы характерен большой диапазон изменения, как плотности, так и температуры. Так, электронная плотность меняется от критической плотности nкр в области поглощения лазерного излучения до плотностей в десятки раз превышающих значения, соответствующие твердотельному дейтерию или тритию. Например, при длине волны облучающего лазерного излучения, равной 1.054 мкм (лазер на неодимовом стекле): nкр 1021 см-3; плотность в центральной сжимаемой части термоядерной мишени может превышать значение 1025 см-3 (плотность частиц жидкой DT смеси равна 4.5∙1022 см-3); плотность в плазме разлетающейся короны меняется от критической плотности до величин ~ 1018 см-3, еще представляющих интерес для целей рентгеновской диагностики и анализа физических процессов, протекающих при поглощении энергии лазерного пучка. Электронная температура Te может меняться от 100 1000 эВ в плазменной короне до 10 20 кэВ в центральных частях мишени и в перегретых областях плазмы, обусловленных развитием различного рода неустойчивостей в процессе поглощения плазмой лазерного излучения. При указанных выше параметрах плазмы, максимум ее излучения лежит в рентгеновском диапазоне длин волн, поэтому изучению рентгеновского излучения лазерной плазмы традиционно уделяется большое внимание. Рентгеновское излучение такой плазмы является важнейшим (а нередко и единственным) источником информации о таких параметрах плазмы, как: Температура электронной и ионной компонент плазмы; Плотность и ионизационный состав плазмы; Пространственное распределение температуры и плотности плазмы и их эволюция во времени; Наличие и параметры «надтепловой» компоненты электронов; Рентгеновское излучение является также источником важной для атомной физики информации об электронной структуре многозарядных ионов. Кроме того, оно оказывает непосредственное влияние на формирование плазмы и ее динамику, участвует в процессах 4 энергопереноса и энергобалансе процесса взаимодействия лазерного излучения с веществом, поэтому рентгеновская диагностика позволяет исследовать: механизмы поглощения лазерного излучения в плазме; генерацию надтепловых электронов в процессе поглощения лазерного излучения; однородность облучения мишени при использовании нескольких пучков; равномерность движения ускоряемой части мишени; развитие в процессе ускорения гидродинамических неустойчивостей; процессы абляции оболочки мишени. В настоящее время большой научный и практический интерес представляет исследование процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с пористыми малоплотными (1100 мг/см3) средами, чему посвящена немалая часть представляемой работы. Применение таких материалов открывает широкие перспективы в развитии исследований по ЛТС, лабораторному моделированию астрофизических процессов и явлений, а также при экспериментальном изучении свойств и поведения веществ в экстремальных условиях. Малоплотные среды рассматриваются в настоящее время как весьма перспективные материалы для создания мощных источников рентгеновского излучения (когерентного и некогерентного), которые помимо физики могут иметь применение также и в других областях науки (например, в биологии) и техники (например, в рентгеновской литографии). Главное достоинство малоплотных пористых сред, объясняющее повышенный интерес к использованию их в экспериментах, состоит в возможности варьирования плотности, микроструктуры и химического состава облучаемого образца в широких пределах, что позволяет создавать плазму с кардинально различающимися заранее задаваемыми параметрами. Весьма перспективным представляется применение малоплотных сред в качестве компонент термоядерных мишеней. Поглощение лазерного излучения в малоплотных средах носит объемный характер, за счет чего увеличивается доля энергии лазерного импульса, конвертируемая в тепловую энергию плазмы, по сравнению с энергией гидродинамического расширения плазмы навстречу лазерному пучку. При плотности образующейся плазмы, меньшей критического значения, и толщине слоя порядка характерной длины обратного тормозного поглощения, можно ожидать существенного выравнивания сжимающего термоядерное топливо давления, при облучении мишеней меньшим числом лазерных пучков. 5 Цели и задачи диссертационной работы. Основной целью диссертационной работы являлось экспериментальное исследование физических процессов, протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с мишенями из различных материалов (в том числе и малоплотных пористых сред), а также измерение параметров образующейся при этом плазмы. Для этого предполагалось развивать и совершенствовать рентгеновские методы диагностики плотной высокотемпературной плазмы, как в части эксперимента, так и в части математических аспектов обработки экспериментальных данных. Большое внимание было уделено повышению точности диагностических методов и исследованию факторов на нее влияющих. Немалые усилия были приложены к созданию обширных расчетных баз данных различного рода, облегчающих оперативную обработку экспериментальных данных и получение физических результатов. Для достижения поставленных целей требовалось решить следующие задачи: а) разработать, создать и внедрить аппаратуру для анализа рентгеновского излучения (в том числе с пространственным, спектральным и временным разрешением), позволяющую проводить как относительные, так и абсолютные измерения, а также (в последнем случае) средства для абсолютной калибровки аппаратуры; б) провести систематические измерения зависимости конверсионной интенсивности от атомного номера материала мишени и микроструктуры образца для малоплотных мишеней; в) рассмотреть влияние различных факторов (модель ионизационного состояния плазмы, наличие надтепловой компоненты в спектре непрерывного излучения и др.) на точность определения температуры плазмы сорбционным методом; г) разработать и программно реализовать математические методы для восстановления объемных распределений температуры и плотности плазмы по двумерным рентгеновским изображениям (в том числе и для случая сильно несимметричных распределений); д) разработать математический инструментарий для корректного восстановления по экспериментальным данным спектра рентгеновского континуума и функции распределения электронов по энергии; е) разработать программное обеспечение для оперативного расчета: спектрального состава эмитируемого плазмой излучения; интегральных коэффициентов пропускания фильтров; оптимального подбора фильтров в соответствии с требованиями конкретного диагностического метода и спектральным составом рентгеновского излучения плазмы. 6 Научная новизна работы. Проведены комплексные исследования процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с мишенями из малоплотных (1÷10 мг/см3) пористых материалов с использованием набора взаимодополняющих диагностических методов, основанных на регистрации излучения плазмы в видимом и рентгеновском диапазоне длин волн с высоким пространственным и временным разрешением, а также метода многокадрового теневого фотографирования плазмы. Помимо хорошо изученных материалов (агар и вспененный полистирол) были исследованы особенности взаимодействия лазерного излучения с высокооднородными мишенями из триацетата целлюлозы (ТАЦ), имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов. Установлено, что конверсионная эффективность для мишеней из пористых материалов существенно (в 2 3 раза) больше, чем для твердотельных мишеней близкого химического состава и зависит от микроструктуры образца – для мишеней из ТАЦ она на 20 30 % выше, чем для мишеней из агара и вспененного полистирола. Обнаружено, что при облучении образцов из ТАЦ в статистически достоверном количестве случаев образуются крупномасштабные струйные образования, предложен механизм их появления. Проведен детальный анализ различных факторов, влияющих на точность абсолютных рентгеновских измерений (в том числе ранее неизвестных или не учитываемых) и на точность сорбционного метода. Предложен и реализован метод восстановления функции распределения электронов по энергиям, регуляризация решения в котором достигается нестандартным методом. Практическая значимость работы. Проведенные комплексные исследования процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с мишенями из малоплотных пористых материалов показывают перспективность использования таких материалов в качестве компонента мишеней ЛТС. Исследовано влияние на параметры и поведение образующейся плазмы плотности и микроструктуры пористых сред, а также наличия примесей с высоким Z. Это позволяет оптимизировать параметры мишени в зависимости от конкретных практических применений. Проведенные с малоплотными средами эксперименты показали возможность варьирования в широких пределах параметров рентгеновского излучения лазерно-плазменных источников, что делает привлекательным использование таких сред для различных приложений, отличных от ЛТС. 7 Показано, что не учитываемые ранее источники погрешностей могут привести к ошибкам абсолютных рентгеновских измерений вплоть до порядка величины и к ошибкам измерения температуры плазмы сорбционным методом до нескольких сотен процентов. Составлена обширная база данных по интегральным коэффициентам пропускания фильтров (для эмиссии из плазмы различного химического состава), что позволяет легко оптимизировать для конкретных целей параметры диагностической аппаратуры и повысить точность абсолютных измерений. Широкий набор расчетных кривых позволяет оперативно определять параметры плазмы по непрерывному и линейчатому рентгеновскому излучению. Защищаемые положения. Созданные программные инструменты позволяют повысить точность измерений коэффициентов конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское. Для мишеней твердотельной плотности конверсия составляет: 23 % (мишени из органики), 57 % (мишени из алюминия) и 1025 % (мишени из материалов с большим Z: Y, Cu, Ni, Fe и др.). Конверсионная эффективность для мишеней из пористых материалов в 2 3 раза больше, чем для твердотельных мишеней близкого химического состава и зависит от микроструктуры образца – для мишеней из триацетата целлюлозы (ТАЦ), имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов, она на 20 30 % выше, чем для мишеней из агара и вспененного полистирола. При облучении образцов из ТАЦ в статистически достоверном количестве случаев возникают крупномасштабные струйные образования. Тепловое переизлучение фильтров сильно влияет на показания термопарных рентгеновских калориметров, что учитывается рассчитанными корректирующими поправками. Созданные модели и инструменты для вычисления интегральных коэффициентов пропускания произвольных фильтров и проведенный анализ источников ошибок и границ применимости используемых расчетных методов к конкретным условиям экспериментов на установке «Мишень», существенно повысили корректность измерений. Созданные базы данных для расчета параметров плазмы по линейчатому излучению позволили использовать для измерений одновременно несколько спектральных линий, что существенно повысило достоверность получаемых результатов. Реализованный метод восстановления функции распределения электронов по энергиям позволяет не прибегать к методу регуляризации Тихонова. 8 Разработанные и программно реализованные математические методы для восстановления по рентгеновским изображениям пространственных распределений температуры и плотности плазмы позволяют исследовать сложные структуры в плазменных образованиях. Разработанная многоканальная система сбора информации с рентгеновских и оптических детекторов, включающая в себя 8канальный АЦП с эффективным динамическим диапазоном 107 и 12канальные стробируемые интеграторы с мультиплексорами, позволяет одновременно использовать до 96 разнотипных детекторов с длительностью сигнала от 1 мкс до 1 с. Личный вклад автора. Автором была сконструирована, изготовлена и внедрена в эксперимент эффективная многоканальная автоматизированная система сбора данных с рентгеновских и оптических датчиков различного типа. Была введена в действие аппаратура для измерений рентгеновского излучения с временным разрешением. Были разработаны коды для расчета ионизационного состава плазмы различного химического состава, спектров ее рентгеновского излучения и интегральных коэффициентов пропускания РИ различными фильтрами. Созданы широкие базы данных для определения параметров плазмы рентгеноспектральными методами. Результаты, касающиеся взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами, получены в составе научно-исследовательского коллектива установки «Мишень» ГНЦ РФ ТРИНИТИ, где автор отвечал за калориметрическую часть измерений (и рентгеновских и оптических), обработку и анализ полученных с помощью рентгеновских диагностик данных (в том числе полученных со спектральным, временным и пространственным разрешением). Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: Научно-техническая конференция молодых ученых «Проблемы преобразования энергии», Москва 1983; IV Всесоюзное совещание по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986; IV и VI Харитоновские тематические научные чтения. Международные конференции, Саров 2002 и 2006 г.г.; XXIX, XXX, XXXI, XXXIII, XXXIV, XXXVI Звенигородские конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород 2002, 2003, 2004, 2006, 2007, 2009 г.г.); 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., 7-11 July 2003, St. Petersburg; 9 XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter, Roma, Italy, 6-10 September, 2004; 29th European Conference on Laser Interaction with Matter (Madrid, Spain, June 11-16, 2006); Fifth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications. September 9-14, 2007, Kobe, Japan; XXX European Conference on Laser Interaction with Matter, Darmstadt, Germany, August 31-September 5, 2008; VI International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA), 6-11 September 2009 (San-Francisсo, USA). Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в виде 18 статей в российских и международных научных журналах и сборниках, 2 препринтов, также в виде материалов и тезисов докладов перечисленных выше конференций. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка использованной литературы, всего 203 страницы, 80 рисунков, 5 таблиц и библиографию из 155 наименований. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ. Во введении дается обоснование актуальности темы диссертационной работы и представлено описание объекта исследования. В частности, рассмотрены основные задачи и схемы ЛТС, обсуждены параметры образующейся в этих экспериментах плазмы, показана важность и приоритетность рентгеновских методов исследования такой плазмы и физики процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом. Первая глава посвящена критическому обзору литературы по теме диссертации и постановке задачи исследования. В начале этой главы приведены краткие сведения о теоретических подходах к диагностике плотной высокотемпературной плазмы рентгеновскими методами. Отдельное внимание уделено особенностям процесса взаимодействия мощного лазерного излучения с пористыми малоплотными (1100 мг/см3) средами. Далее идет анализ ситуации на момент постановки задачи исследования. При этом особое внимание было уделено тем аспектам рентгеновских диагностических методов, которые недостаточно представлены в литературе, но в то же время являются важными для 10 интерпретации полученных экспериментальных данных и для измерения параметров плазмы, образующейся в экспериментах ЛТС. В частности, отмечено отсутствие в литературе данных по интегральным коэффициентам пропускания рентгеновскими фильтрами излучения из плазмы, состоящей из многоразрядных ионов, где важен учет рекомбинационного излучения. Указан упускавшийся ранее из виду фактор, способный приводить к очень большим ошибкам абсолютных измерений рентгеновских потоков при использовании термопарных калориметров. Этот фактор состоит в сильном влиянии теплового преизлучения фильтров на показания термопарных калориметров и на точность сорбционного метода. Показана актуальность задачи расчета в рамках столкновительно-излучательной модели ионизационного состояния плазмы для широкого набора химических элементов, входящих в состав материала мишени. Отмечена важность составления обширных баз данных по интегральным коэффициентам пропускания фильтрами рентгеновского излучения из плазмы различного химического состава. Обоснована важность создания инструментария и математических методов для восстановления пространственных распределений температуры и плотности плазмы по данным, полученным путем регистрации непрерывного и линейчатого рентгеновского излучения. Показана актуальность разработки инструментария (аппаратная реализация и математические методы) для проведения измерений спектра рентгеновского континуума и разработки корректных методов восстановления функции распределения электронов по энергии. Отмечена важность систематических измерений коэффициента конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское для мишеней из различных материалов. Перечислен ряд вопросов взаимодействия мощного лазерного излучения с пористыми малоплотными средами, еще не исследованных или требующих дальнейшей детализации. В следующем разделе этой главы формулируются цели диссертационной работы и перечисляются задачи, которые было необходимо решить для достижения этих целей. Здесь же приведен список положений, выносимых на защиту, описывается научная новизна и практическая значимость работы. Во второй главе приведено описание мощной лазерной установки «Мишень» (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), средств диагностики и совокупности диагностических методов, использовавшихся в экспериментах. Установка «Мишень» состоит из мощной лазерной системы на неодимовом фосфатном стекле, камер взаимодействия лазерных импульсов с мишенями, систем фокусировки излучения на мишень и диагностического комплекса. Лазерная система установки «Мишень» содержит два канала – основной и вспомогательный (диагностический). В основном канале формируется мощный лазерный импульс для облучения мишеней. Выходные параметры этого импульса: 11 Длина волны излучения Выходная энергия Расходимость Ширина линии генерации Длительность импульса Энергетический контраст 1.054 мкм. до 100 Дж. ~ 410-4 рад. 0,5 Å. ~ 2.5 нс. >106. В диагностическом канале создается импульс, который используется для теневого фотографирования плазмы, синхронизации и запуска измерительных приборов, а также для осуществления временной и спектральной привязок к греющему лазерному излучению. Параметры диагностического импульса: Длина волны излучения Выходная энергия Расходимость Длительность импульса 1.054 мкм и 0.53 мкм. до 20 Дж (1.054 мкм), до 10 Дж (0.53 мкм) ~ 210-4 рад. ~0.3 нс. Лазерное излучение фокусируется на мишень линзой с относительным отверстием 1:10 в фокальное пятно диаметром 250 мкм. В ряде экспериментов, в которых исследовался процесс переноса энергии в мишени в направлении перпендикулярном греющему лазерному лучу, малоплотные пористые мишени облучались двумя лазерными пучками, сфокусированными в пятна размером 150 мкм, находящиеся на расстоянии 300 мкм друг от друга. Диагностический комплекс установки «Мишень» содержит различную аппаратуру, использующую дополняющие друг друга рентгеновские и оптические методы диагностики. Комплекс рентгеновских диагностик, созданный на установке «Мишень», включает в себя аппаратуру для регистрации рентгеновской эмиссии плазмы с пространственным, временным и спектральным разрешением. В него входит также аппаратура для измерения интегральной по спектру энергии, эмитируемой плазмой в виде рентгеновских квантов, и комбинированные приборы, позволяющие регистрировать рентгеновское излучение плазмы со спектральновременным, пространственно-временным или спектральнопространственным разрешением. Комплекс оптических диагностик содержит аппаратуру для измерения: параметров греющего лазерного импульса; рассеянного в аппертуру линзы лазерного излучения; диаграммы рассеяния от плазмы лазерного излучения. Для исследования динамики процессов, протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом мишени, использовалась аппаратура для многокадрового 12 теневого фотографирования и приборы для регистрации с временным разрешением свечения тыльной поверхности мишени. Основные результаты, полученные автором распределены по трем главам: третьей, четвертой и пятой. Третья глава состоит из двух частей. Первая часть посвящена исследованию процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами. В ней описаны используемые в экспериментах мишени из агара, триацетата целлюлозы (ТАЦ) и вспененного полистирола, указаны отличия в их микроструктуре. Толщина мишеней варьировалась в диапазоне 100800 мкм, плотность – в диапазоне 130 мг/см3. В некоторые мишени вносились добавки алюминия, натрия, калия, хлора, меди. Далее приводятся и детально обсуждаются экспериментальные результаты, полученные, в основном, при помощи трех взаимодополняющих диагностических методов: Регистрация рентгеновского излучения плазмы (в диапазоне энергии квантов 0.3 1.5 кэВ) с пространственно-временным разрешением позволяла исследовать динамику формирования области высокотемпературной плазмы уже на ранних этапах облучения. Измерение свечения тыльной поверхности мишени в видимом диапазоне длин волн (400 700 нм) с пространственно-временным разрешением давало информацию о моменте выхода фронта тепловой волны на тыльную поверхность мишени и о пространственной структуре области энерговыделения в этот момент времени в направлении перпендикулярном лазерному пучку. Многокадровое теневое фотографирование позволяло исследовать динамику ускорения вещества на тыльной поверхности мишени после окончания действия лазерного импульса, оценивать давление на тыльной поверхности малоплотного образца и эффективность переноса энергии в пористой среде, а также определять распределение давления вдоль координаты, параллельной поверхности мишени. В результате экспериментов было установлено, что поглощение лазерной энергии и формирование горячей плазменной области внутри пористых мишеней носит объемный характер. Показано, что при варьировании плотности мишени из агара в пределах 101 мг/см3, толщина области поглощения меняется от 150 до 500 мкм. Было проведено экспериментальное исследование процесса трансформации и переноса поглощенной лазерной энергии вглубь пористой среды. При этом были получены зависимости от средней плотности вещества скорости энергопереноса вглубь мишеней из агара: при средней плотности 1 мг/см3 она составила ~ 1.8107 см/с, при плотности 10 мг/см3 – около 6106 см/с. Измерена достигаемая скорость направленного движения вещества на тыльной поверхности пористой мишени и оценено реализующееся на ней давление. В случае мишени 13 толщиной 500 мкм из агара с плотностью 1 мг/см3 значения скорости и давления составляют 6106 см/с и 1 Мбар соответственно. Была проведена серия экспериментов по изучению зависимости процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными мишенями от микроструктуры образца. При этом было обнаружено существенное влияние микроструктуры малоплотного материала на параметры и поведение плазмы, образующейся внутри облучаемых образцов, моделирующих компоненты перспективных ЛТС мишеней. Продольные (вдоль направления распространения лазерного пучка) размеры области, занятой горячей плазмой в образцах из вспененного полистирола, в 2 3 раза больше, чем в образцах из триацетата целлюлозы (ТАЦ) и агара. Более тонкая микроструктура ТАЦ по сравнению с агаром обеспечивает лучшую воспроизводимость экспериментальных результатов. При одинаковых средних плотностях значения скорости энергопереноса в агаре и ТАЦ примерно одинаковы, в то время как во вспененном полистироле скорость энергопереноса выше в 3 4 раза. Было выяснено, что добавление в пористую малоплотную среду примесей с высоким Z приводит к существенному (примерно в 2 раза) увеличению скорости переноса энергии, что обусловлено увеличением радиационного энергопереноса. В экспериментах с двумя пучками продемонстрировано, что применение малоплотных сред эффективно сглаживает, в том числе и крупномасштабные неоднородности облучения. Были исследованы особенности взаимодействия лазерного излучения с мишенями из ТАЦ, имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов. Обнаружено, что при облучении образцов из ТАЦ в некоторых случаях образуются крупномасштабные струйные образования, предложен один из возможных механизмов их появления. Вторая часть третьей главы посвящена различным методам определения параметров плазмы, образующейся в экспериментах ЛТС. В частности, было установлено, что коэффициент конверсии лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения для пористых мишеней в 2 3 раза больше, чем для твердотельных близкого химического состава, и лежит в диапазоне 3 7 %. При добавлении в материал мишени примесей с высоким Z, коэффициент конверсии увеличивается до 10 20 %. Приведены примеры восстановления двумерных распределений электронной температуры и плотности плазмы по рентгеновским изображениям, полученным с помощью камер-обскур. Определена ионная температура лазерной плазмы, генерируемой в мишенях из пористых материалов (агара). Показано, что во всех случаях ионная температура в 1.5 3 раза превышает электронную. Получены зависимости электронной и ионной температуры плазмы, образующейся в мишенях со средней плотностью 3.25 мг/см3, от плотности 14 мощности подводимой энергии в диапазоне (0.75)1013 Вт/см2. С увеличением интенсивности облучения электронная температура меняется в диапазоне 0.5 0.8 кэВ, а ионная – в диапазоне 1 2.6 кэВ. Показано, что при увеличении средней плотности пористых образцов приблизительно в три раза (при одинаковой плотности мощности лазерного излучения – 51013 Вт/см2) электронная и ионная температура плазмы уменьшаются в 1.5 2 раза. При этом ионная температура в 1.5 3 раза превышает электронную. В четвертой главе описаны различные расчеты, выполненные автором для абсолютных и относительных измерений спектра рентгеновского континуума, а также результаты численного моделирования выходных сигналов системы фильтр – термопарный калориметр. В частности, здесь приведены: Методика и результаты расчетов ионизационного состава плазмы. Описание расчетов интегральных коэффициентов пропускания фильтров и построение расчетных кривых для определения температуры плазмы сорбционным методом. Детальный анализ источников погрешностей сорбционного метода. Корректные способы восстановления функции распределения электронов по энергиям из экспериментальных данных. В пятой главе более детально описываются устройство, принцип действия и параметры некоторых компонентов диагностического комплекса (особенно это относится к новой аппаратуре, специально разработанной автором для тех или иных целей диагностики), а также программное обеспечение для многоканальной системы сбора информации с калориметрических датчиков различного типа. В Заключении сформулированы основные результаты работы и обоснована их практическая значимость. Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: 1. Проведен детальный анализ факторов, влияющих на точность измерений в рентгеновской области. На основе расчетов (в рамках стационарной столкновительно-излучательной модели) спектров рентгеновского излучения из плазмы разнообразного химического состава создан программный инструментарий для вычисления интегральных коэффициентов пропускания произвольных фильтров, позволяющий также получить расчетные кривые сорбционного метода. При этом был проведен анализ границ применимости используемых расчетных методов к конкретным условиям проводимых на установке «Мишень» экспериментов, учитывающий неравновесность и 15 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. нестационарность ионизационного состояния плазмы, наличие надтепловой компоненты электронов. Созданы базы данных для расчета параметров плазмы по линейчатому излучению многозарядных ионов. Выявлен и количественно исследован факт сильного влияния теплового преизлучения фильтров на показания термопарных рентгеновских калориметров и на точность сорбционного метода. Проведен сравнительный анализ различных типов детекторов с тщательным учетом факторов, влияющих на точность абсолютных измерений, что позволило корректно проводить энергетические измерения в рентгеновской области. Предложен и реализован метод восстановления функции распределения электронов по энергиям, регуляризация решения в котором достигается нестандартным методом. Разработаны и программно реализованы математические методы для восстановления по рентгеновским изображениям двухмерных распределений интегральных по лучу зрения температуры и плотности плазмы (в том числе и для случая сильно несимметричных распределений). Разработана, изготовлена и откалибрована многоканальная система сбора информации с рентгеновских и оптических детекторов, включающая в себя 8-канальный АЦП с эффективным динамическим диапазоном 107 и 12-канальные стробируемые интеграторы с мультиплексорами, позволяющие на одном канале АЦП одновременно регистрировать сигналы с разнотипных детекторов длительностью от 1 мкс до 500 мс. Для различных типов мишеней (как твердотельной плотности, так и малоплотных) были проведены систематические измерения коэффициентов конверсии энергии лазерного излучения в рентгеновское. Для твердотельных мишеней конверсия составляла: 23 % (мишени из органики), 57 % (мишени из алюминия) и 1025 % (мишени из материалов с большим Z: Y, Cu, Ni, Fe и др.). Установлено, что конверсионная эффективность для мишеней из пористых материалов существенно (в 2 3 раза) больше, чем для мишеней твердотельной плотности близкого химического состава и зависит от микроструктуры образца – для мишеней из триацетата целлюлозы (ТАЦ) она на 20 30 % выше, чем для мишеней из агара и вспененного полистирола. Помимо хорошо изученных материалов (агар и вспененный полистирол) были исследованы особенности взаимодействия лазерного излучения с высокооднородными мишенями из ТАЦ, имеющего на порядок меньший характерный размер структурных элементов. Обнаружено существенное влияние микроструктуры малоплотного 16 материала на параметры и поведение плазмы, образующейся внутри облучаемых образцов. 10. Обнаружено, что при облучении образцов из ТАЦ в статистически достоверном количестве случаев возникают крупномасштабные струйные образования, предложен механизм их появления. Полученные результаты представляют большой практический интерес в таких актуальных областях науки и техники, как: лазерный термоядерный синтез (ЛТС); создание лазерно-плазменных источников излучения в рентгеновской области спектра для рентгенолитографии, биологических исследований и калибровки спектральной аппаратуры; моделирование астрофизических процессов радиационной гидродинамики в лабораторных условиях; исследование свойств и поведения веществ при экстремальных динамических нагрузках. Публикации автора по теме диссертации: 1. В.В. Гаврилов, В.В. Симонов, Н.В. Торохова, И.К. Фасахов. Статья. Анализ непрерывного рентгеновского излучения при диагностике высокотемпературной плазмы на установке «Мишень» //Материалы научно-технич. конф. Молодых ученых «Проблемы преобразования энергии", М., ИАЭ, 1983, с.49-50. 2. В.В. Гаврилов, Н.В. Торохова, И.К. Фасахов. Статья. Основные источники погрешности сорбционного метода и определение параметров электронной компоненты плазмы по ее непрерывному рентгеновскому излучению //Сб. «Диагностика плазмы", М., Энергоатомиздат, 1986, вып.5, с.284-292. 3. И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, Е.В. Жужукало, Н.Г. Ковальский, Д.С. Котельников, И.К. Фасахов, А.И. Ярославский. Доклад. Рентгеновская диагностика лазерной плазмы с разрешением во времени //Тезисы докладов IV Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы, Алушта, 1986, с.115. 4. И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, Е.В. Жужукало, Н.Г. Ковальский, М.И. Пергамент, Н.В. Торохова, И.К. Фасахов, А.И. Ярославский. Статья. Рентгеновское излучение плазменной короны в экспериментах по облучению фольг лазерным пучком. // Физика плазмы, 1987, 13, 7, с.819-825. 5. Л.А. Большов, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, Е.В. Жужукало, В.П. Киселев, Н.Г. Ковальский, Д.С. Котельников, И.К. Фасахов, А.И. Юдин, А.И. Ярославский. Статья. Рентгеновская и 17 6. 7. 8. 9. 10. 11. оптическая диагностика плазмы с разрешением во времени // Сб. «Диагностика плазмы", М., Энергоатомиздат, 1989, вып.6, с.194-198. А.Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондрашов, С. Н. Коптяев, С. Ф. Медовщиков, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Характеристики создаваемой лазерным излучением плазмы и процессов взаимодействия в экспериментах с пористыми малоплотными мишенями. // IV Харитоновские тематические научные чтения, Международная конференция, 18-21 февраля 2002 г., г. Саров, Сборник аннотаций, с. 65-66. А.Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондрашов, С. Н. Коптяев, С. Ф. Медовщиков, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Характеристики создаваемой лазерным излучением плазмы и процессов взаимодействия в экспериментах с пористыми малоплотными мишенями. // Тезисы докладов XXIX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 25 февраля – 1 марта 2002 г., с.94. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, G. M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Plasma diagnostics in interaction of powerful laser pulses with inhomogeneous low-density media. // Advanced Diagnostics for Magnetic and Inertial Fusion, ed. by P. E. Stott, A Wootton, G. Gorini. E. Sindoni, D. Batani, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, pp. 177-180, 2002. A. Ya. Faenov, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, S. N. Koptyaev, A. I. Magunov, T. A. Pikyz, I. Yu. Skobelev. Статья. X-ray measurements of plasma parameters in laser-irradiated low-density porous targets. // Inertial Fusion Sciences and Applications 2001, editors: K. A. Tanaka, D. D. Meyerhofer, J. Meyer-ter-Vehn, State of the art 2001, ELSEVIER, Paris, 2002, pp. 323-326. А.Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, А.И. Громов, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондрашов, В.Г. Николаевский, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Исследование взаимодействия лазерного излучения с плазмой в экспериментах по облучению низкоплотных объемно-структуророванных сред на установке «Мишень». //Материалы XXX Звенигородской конференция по физике плазмы и УТС, 24-28 февраля 2003 г. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S.F. Medovtshikov, V.G. Nikolaevskiy, M.I. Pergament, G. M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Investigation of laser-plasma interaction in experiments with low-density materials of different internal structure 18 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. considered as useful components of ICF targets. // 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics., St.Petersburg, 7-11 July 2003. ECA, vol. 27A, p-3.49. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.I. Gromov, V.N. Kondrashov, Yu.A. Merkuljev, V.M. Petrjakov, G. M. Yankovskiy. Статья. Modeling of laser-plasma interaction in volumestructured media // 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Physics., St.Petersburg, 7-11 July 2003. ECA, vol. 27A, p-3.80. G.V. Anastasiev, O.L. Dedova, I.K. , V.N. Kondrashov , V.M. Petryakov, G.M. Yankovskiy. Статья. Time-resolved spectroscopic study of laserplasma interaction in experiments with burn-through targets //Proceedings of SPIE, 2003, Vol. 5228p. 164-171. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, O.L. Dedova, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S.F. Medovtshikov, V.G. Nikolaevskiy, M.I. Pergament, G. M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Experimental study of laser interaction with lowdensity materials of different internal structure in context of advanced ICF target designs. // Inertial Fusion Sciences and Applications 2003, editors: B.A. Hammel, D.D. Meyerhofer, J. Meyer-ter-Vehn, H. Azechi, State of the art 2003, ELSEVIER, Paris, 2004, pp.283-286. А.Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, О.Л. Дедова, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондрашов, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Статья. Диагностика быстропротекающих процессов в лазерной плазме в экспериментах по облучению малоплотных сред на установке «Мишень». // Физика плазмы, 2004, 30, 2, с.163-168. А.Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, А.И. Громов, О.Л. Дедова, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондрашов, С.Ф. Медовщиков, В.Г. Николаевский, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Экспериментальное исследование физических процессов в пористых мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами // XXXI Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 16-20 февраля 2004 г. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, O.L. Dedova, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S.N. Koptjaev, S.F. Medovtshikov, V.G. Nikolaevskiy, M.I. Pergament, E.V. Zhuzhukalo. Доклад. Observation of microstructure effect in experiments with laser-irradiated fibrous and foam-like materials. // XXVIII European Conference on Laser Interaction with Matter, Roma, Italy, 6-10 September, 2004, Book of Abstracts, p.128. A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, O.L. Dedova, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S.N. Koptjaev, S.F. Medovtshikov. Статья. Experimental study of laser 19 19. 20. 21. 22. 23. 24. interaction with fibrous and foam-like materials. // Contrib. Plasma Phys. 45, No.3-4, p.p.185-191 (2005). I.N. Burdonskiy, V.V. Dimitrenko, A.Ya. Faenov, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, N.G. Kovalskiy, A.I. Magunov, B.N. Mironov, T.A. Pikuz, I.Yu. Skobelev. Статья. X-ray spectroscopic study of nonequilibrium laser produced plasma in porous targets of low average density // J. de Physique IV France, 133 (June 2006), p.p.1001-1004. Н.Г. Борисенко, А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, А.И. Громов, В.В. Димитренко, Е.В. Жужукало , Н.Г. Ковальский, А.И. Магунов, Б.Н. Миронов, Ю.А. Меркульев, С.Ф. Медовщиков, Т.А. Пикуз, М.В. Путилин, И.Ю. Скобелев, А.Я. Фаенов, И.К. Фасахов, А.М. Халенков. Доклад. Изучение физических процессов в облучаемых мощными лазерными пучками пористых средах с различной микроструктурой // XXXIII Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 13-17 февраля 2006 г. (Тезисы докладов, с.99). Н.Г. Борисенко, А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, А.И. Громов, В.В. Димитренко, Е.В. Жужукало , Н.Г. Ковальский, А.И. Магунов, Б.Н. Миронов, Ю.А. Меркульев, С.Ф. Медовщиков, Т.А. Пикуз, М.В. Путилин, И.Ю. Скобелев, А.М. Халенков, А.Я. Фаенов, И.К. Фасахов. Статья. Изучение физических процессов в облучаемых мощными лазерными пучками пористых средах с различной микроструктурой // VIII Харитоновские чтения по проблемам физики высоких плотностей энергии (г. Саров, 21-24 марта 2006 г.), Сборник докладов, с.31-38. N.G. Borisenko, A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, V.V. Dimitrenko, A.Ya. Faenov, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, A.M. Halenkov, N.G. Kovalskiy, A.I. Magunov, B.N. Mironov, Yu.A. Merkuljev, S.F. Medovtshikov, T.A. Pikuz, M.V. Putilin, I.Yu. Skobelev, G.M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Study of рhysical processes in laserirradiated porous targets of different microstructure // 29th European Conference on Laser Interaction with Matter (Madrid, Spain, June 11-16, 2006), Proceedings of the XXIX ECLIM, р.p.737-742. Н.Г. Борисенко, А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, А.И. Громов, Е.В. Жужукало , Н.Г. Ковальский, Ю.А. Меркульев, М.В. Путилин, И.К. Фасахов, А.М. Халенков, Г.М. Янковский. Доклад. Изучение физических процессов в облучаемых мощными лазерными пучками пористых средах различной микроструктуры и химического состава // XXXIV Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 12-16 февраля 2007 г. (Тезисы докладов, с.110). N.G. Borisenko, A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, A.M. Halenkov, N.G. Kovalskiy, Yu.A. Merkuljev, M.V. Putilin, G.M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Доклад. Microheterogeneous plasma from polymer aerogel and foam at 20 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. powerful laser interaction // Fifth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications. September 9-14, 2007, Kobe, Japan, Book of Abstracts, TuPo31. N.G. Borisenko, A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, A.M. Halenkov, N.G. Kovalskiy, Yu.A. Merkuljev, M.V. Putilin, G.M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Microheterogeneous plasma from polymer aerogel and foam at powerful laser interaction // Journal of Physics: Conference Series 112 (2008) 022013. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, О.Л. Дедова, В.В. Димитренко, Е.В. Жужукало , Н.Г. Ковальский, В.Н. Кондрашов, С.Н. Коптяев, М.И. Пергамент, В.М. Петряков, М.В. Путилин, И.К. Фасахов, Г.М. Янковский. Препринт. Исследование взаимодействия мощных лазерных импульсов с малоплотными пористыми средами на установке «Мишень» (1995-2007 г.г.) Часть I // Препринт ТРИНИТИ 137-А (2008). N.G. Borisenko, A.E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, A.I. Gromov, A.M. Halenkov, N.G. Kovalskiy, Yu.A. Merkuljev, V.M. Petrjakov, M.V. Putilin, G.M. Yankovskiy, E.V. Zhuzhukalo. Статья. Physical processes in laser interaction with porous materials // Laser and Particle Beams 26, n.4 (2008), p.p.537-543. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, О.Л. Дедова, В.В. Димитренко, Е.В. Жужукало , Н.Г. Ковальский, В.Н. Кондрашов, С.Н. Коптяев, М.И. Пергамент, В.М. Петряков, М.В. Путилин, И.К. Фасахов, Г.М. Янковский. Препринт. Исследование взаимодействия мощных лазерных импульсов с малоплотными пористыми средами на установке «Мишень» (1995-2007 г.г.) Часть II // Препринт ТРИНИТИ 138-А (2008). I.N. Burdonskiy, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, E.P. Ivanova, N.G. Kovalskiy, V.M. Petrjakov, M.V. Putilin. Доклад. X-ray spectroscopic study of plasma produced in laser irradiated porous lowdensity targets with high-Z dopants // XXX European Conference on Laser Interaction with Matter, Darmstadt, Germany, August 31-September 5, 2008, Book of Abstracts, p.40. И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, О.Л. Дедова, Н.Г. Ковальский, В.М. Петряков, М.В. Путилин, И.К. Фасахов. Доклад. Изучение струйных образований, формирующихся при взаимодействии мощного лазерного излучения с малоплотным пористым веществом. // XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2009 г. (Тезисы докладов). В.В. Гаврилов, И.К. Фасахов. Доклад. Особенности применения термопарных калориметров при измерениях импульсного рентгеновского излучения лазерной плазмы. // XXXVI Международная 21 (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2009 г. (Тезисы докладов). 32. I.N. Burdonskiy, O.L. Dedova, I. K. Fasakhov, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, N.G. Kovalskiy, V.M. Petrjakov, M.V. Putilin. Доклад. Jet structures in laser plasma produced by irradiation of low-density porous targets of high unirformity // VI International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA), 6-11 September 2009 (San-Francisco, USA).