Диагностика магнитных полей в плотной плазме с использованием магнитооптического эффекта Фарадея тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ



АКАДЕМИЯ НЛУК РОССИИ ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ еш. П.Н.Лебедева

На правая рукописи

СДР5НС0В ГЕННАДИЯ СЕРГЕЕВИЧ

ДИАГНОСТИКА МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАГНИТООПТИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА «АРАДЕЯ.

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ - 01.04.03 радиофизика, зкпзчая квантовуп г>адкофизику

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 19113 г.

t 1

Работа выполнена в Физическом институте ин. П.Н.Лебедева Академии На/к России

Научные руководители: доктор физико-математических наук

ШИКАНОВ A.C. кандидат физико-математических наук РУПАСОВ A.A.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Коробкин В.В.

доктор физико-математических наук Грибков В.А.

Ведущая организация:

Троицкий Институт Инновационных и Термоядерных Исследований.

Запита диссертации состоится " " ^^_1893г.

на заседании специализированного ученого Совета К 002.39.61 Физического института им. П.Н.Лебедева Академии Наук России (Косква, Ленинский проспект 53).

С диссертацией mozho ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебедева

Автореферат разослан "_"_1993г.

Ученый секретарь специализированного совета к.Ф.-м.н.

Чуенков В.А.

1. ОСНОВНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Экспериментальное исследование магнитных полей в плотной плазма представляет большой интерес в рамках проблемы инерциального термоядерного синтеза. Связано это с тем, что магнитные поля мегагауссового уровня, зарегистрированные в ряде экспериментов в лазерной плазме, могут существенно изменить Физическую картину взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом. В импульсных токовых системах знание пространственного распределения магнитных полей позволяет определить характер протекакия тока и динамику процесса сжатия плазменного канала.

Кегагауссовые магнитные поля в лазерной плазме способны снизить тепловой поток из области поглощения излучения вглубь миоени, что мсхет привести к увеличению температуры и давления в короне и уменьшению скорости испарения, а следовательно, к ухудшению симметрии теплового нагрева.' Спонтанные магнитные поля могут оказать влияние на поглощение излучения, развитие Релей-Тейлоров:кой неустойчивости, прогрев мишени быстрыми электронами, увеличение тормозного излучения, а также снижение теплового потока из Э-Т горючего в оболочку мишени и увеличение эффективной длины пробега а-частиц в Р-Т плазме.

Измерение пространственного распределения индукции магнитного поля в плазме сильноточного 2-пинча представляет большой интерес, связанный с возможностью изучения динамики протекания тока через нагрузку и устойчивости плазменной оболочки. Важными являются вопросы о том, какая часть полного тока протекает через пинч, а <1кая в малоплотной окружающей плазме, вопросы диффузии магнитного поля и скинирования тока в моменты образования пинча и его разрушения, физической природы явлений филаментации тока в мощных импульсных разрядах.

Малые размеры диагностируемой плазмы осложняют применение индуктивных зондов для исследования структуры ма :итных полей, т.к. это может привести к искажению измеряемых плазменных параметров. Использование для диагностики магнитных полей зеенановского расщепления спектральных линий в сущест-

винной мере осложнено необходимостью учета доплероеского к итарковского уширения линий, хеторые в условиях горячей плазмы (Т«~1кэВ) могут значительно превосходить величину самого расщепления. Метод измерения магнитных полей, с использова- * ньам рассеяния лазерного излучения сложен технически и неоднозначен в интерпретации. Практически все методы диагьости-ки, перечисленные выпе, позволяют определять величину индукции магнитного паля, локализованную в малой области пространства. Использовании магнитооптического эффекта Фарадея для измерг-'ия магнитных полей в плотной плазме является наиболее предпочтительным и практически не имеет альтернатив. Связано это с тем, что эта диагностика позволяет восстанавливать двумерное распределение индукции магнитного поля односремен-но во всей исследуемой области плазмы с высоким пространственным (~5мкм) и временным (-10 пс) разрешениями.

ЦЕЛЬ!) РАБОТЫ является разработка методики измерения магнитных полей в специфических условиях плотной плазны на основа магнитооптического эффехта Фарадея и использование ее дяя исследовании магнитных долей в лазерной плазме при сферическом и одиопучковом облучении мишеней, а также в сильноточных г-ганчах.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ заключаются в следующем:

1. Разработана методика измерения магнитных полей в плотной плазме, основанная на принципе трехканальной поляроинтерфе-рометрии;

2. Созданы и реализованы в экспериментах различные схемы диагностической аппаратуры для измерения как состояния поляризации зондирующей электромагнитной волны, так. и пространственно-временной структуры магнитных полей в лазерной плазме при одиопучковом и сферическом облучении мишеней, а также в плазме сильноточных 2-пинчей;

3. Впервые проведено измерение пространственного распределения поляризации электромагнитной волны зондирующей лазерную

I г

плазму. Показано, что при потоках греющего излучения до 1014Вт/смг магнитооптический эффект Фарадея является доминирующим механизмом изменения состояния поляризации электромагнитной волны;

4 Впервые проведены исследования пространственно-временной структуры магнитных полей, плотности тока и дрейфовой скорости электронов в лазерной плазма;

5. Зарегистрирована мелкомасштабная структура спонтанных магнитных полей в лазерной плазме в условиях многопучкового облучения сферических миыеней.

6. В экспериментах с сильноточными г-линчами обнарухено существование обратных индукционных то^ов, памкьутнх внутри плазменного образования.

АВТОР ЭЛЗИОАЕТ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ:

1. Оригинальную методику измерения магнитных полей в плотной плазме, основанную на принципе трехканальной пслароинтерферо-метрии.

2. Разработанную диагностическую аппаратуру для измерения поляризации электромагнитной волны и для пространстврчно-вроменных измерений магнитних полей в лазерной плазме и в плазме сильноточных г-пинчей.

3. Экспериментальное доказательство доминирования фаргдоев-ского механизма изменения поляризация зоидирупчэй электромагнитной волны над градиентными механизмами в лазерной плазме при потоках греющего излучения до 1014Вт/см2.

5. Результаты исследования пространственно-временной структуры спонтанных магнитных пс.чей, плотности тока и дрейфовой скорости электронов в лазерной плазме плоских мипеней, а твк-ге зависимость энергии магнитного поля от энергии греющего лазера и динамику изменения энергии магнитного поля.

6. Регистрацию мелкомасштабной структуры спонтанных магнитных полей в лазерной плазме сферических мизеней, связанную с неоднородностью их облучения греющим лазером.

7. Обнаружение эффекта протеклнир обратного индукционного тока в сильноточном г-пинче.

I 1

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на Европейской' конференции по взаимодействию лазерного излучения с веществом (Прага, 1987г.; Вариав^ 1991г.), на 9 Международной конференции по пучкам частиц высокой мощности (BEAMS вЬ), на Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы С Гродно,1988г.; Минск, 1990г.), неоднократно докладывалась на семинарах Лаборатории лазерной плазмы 4-лАН, Отдела озерного термоядерного синтеза ФИАН, Филиала Института атомной энергии в г. Троицке, а также на семинаре Атомного I следовательского центра им.X.Баба (Бомбей, Индия, ,1990г.). Материалы, на основе которых написана диссертация, опубликованы в работах [1-7].

СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из Введения, четырех глав -и Заключения и содержит 108. страниц мавииописного текста и 51 рисунок. Библиография включает 83 наименования. Каждая глава завершается выводами по материалам полученных результатов. •

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

/ТВРВАЯ ГЛАВА посвяцена основам поляриметрии плотной плазмы обзору экспериментальных работ по измерению магнитных полей в лазерной плазне и в плазме пинчевых установок. Рассмотрены различные механизма изменения состояния поляризации зондирующей эл'ктромагнитной волны (эффект Фарадея, эффект Коттона-Мутона, двумерная рефракция пучка, градиентные механизмы), приведены оценки удельного вклада кахдого из этих механизмов при проведении поляриметрии плотной плазмы. Показано, при каких условиях мохно использовать магнитооптический эффект фарадея для диагностики магнитных полей в плотной плазке. Дан обзор экспериментальных работ по исследованию магнитных полей в лазерной плазме, а такхе в плазме пинчевых установок.

ВО ВТОРОЙ ГЛАВЕ обсухдаетсй разработанная автором методика из фения магнитного поля в плотной плазме при помощи ма-

гнитооптического эффекта Фарадея. Рассмотрены такие важные дхя двухканальной полярнметрии вопросы, как выбор оптимального угла раскрестки поляризаторов, учет влияния собственного свечения плазмы, влияние и учет деполяризации зондирующего излучения в плазме, анализ ошибок поляризационных измерений. Приведена методика измерения состояния поляризации электромагнитной волны трехканальным поляриметром. В качестве детектора рассматривалась фотопленка, однако разработанная методика позволяет использовать и другие типы детекторов (ПЗС, электронно-оптическая камера и т.д.). Представлена процедура восстановления пространственного распределения магнитных полей, основанная как на использовании понятия среднего магнитного поля, так и на решении уравнение Абеля.

В ТРЕТЕЙ ГЛАВЕ приведены оптические схемы и подробное описание диагностической аппаратуры, специально разработанной автором для измерения магнитных полей в плотной плазме на различных установках: Ий лазерах "Дельфин-1", "Камертон" и "Феникс", на мощном восьмимодульном генераторе тока "Ангара-5-1". Рассмотрена схема трехканального поляриметра для измерения поляризации электромагнитной волны. Приведена оригинальная схема диагностического комплекса для измерения пространственно-временной структуры спонтанных магнитных полой а лазерной плазме плоских мишеней на К(1 лазере "Феникс" . Комплекс позволял проводить измерения в двух режимах: в статическом (кадровый режим с временем экспозиции т=1,5нс) и динамическом (режим с целевой разверткой). В статическом режиме проводилась регистрация фарадеевского, теневого и интерференционного изображений лазерной плазмы с пространственным разревением ~5мкм. Это позволяло восстанавливать локальное распределение индукции нагнитного поля и электронной плотности внутри области прозрачности плазменной короны. В динамическом режиме проводилась регистрация эволюции интенсивности зондирующего пучка в одном и тон же аксиальном сечении Фарадеевского, теневого и интерференционного изображений плазмы. Это позволяло восстановить пространственно-временную структуру индукции магнитного поля и электронной плотности р выбранном сечении плазменного факела. В главе приведены также варианты трехканального поляроинтерферометра, адаптирс» зннде

к специфически* условиям экспериментов на установках "Анга-ра-5-1" и "Дельфик-1".

ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА посвящена исследовании пространственно-временной структуры магнитных полей в лазерной плазме плоских и сферических мишеней, а такхо в сильноточных г-лиичах. Приведены результаты измерения пространственной структуры поляризации электромагнитной волны после ее зондирования лазерной плазмы на Кс1 лазере "Феникс". Впервые экспериментально показано, что эффект Фарадея является доминирующим механизмом изменения состояния поляризации зондирующей электромагнитной волны ь лазерной плазме при потоках греющего излучения до ~5*1014 Вт/см2. Приведены результаты экспериментов по использованию вынужденного комбинационного рассеяния света в ацетоне дли сдвига длины волны н укорочению длительности (от 2нс до 0,5нс) зондирующего импульса на .юцном Нс1 лазере "Камертон". Показано, что использование рамаковского зондирующего пучка приводит к улучшению контраста интерференционного изображения лазерной плазмы. Описаны эксперименты по измерению спонтанных магнитных полей в лазерной плазме плоских АД. мквеней при потоках греющего гэлучения "5* 1014 Ьт/см2. В статическом резине измерения получены двумерные рас™ределения локальных значений индукции магнитного пеля и зле-тронной плотности при различных энергиях греющего излучения. Показано, что энергия магнитного поля Ев в объеме пространства, ограниченном аксиальными сечениями г=116мкм-175нки, росла -икойно с увеличением энергии Е греющего излучения, при этом отношение Ев/Е соответствовало "0,1%. Плот-кость тока вдоль оси греющего пучка достигала уровня ~80НА/сма при дрейфовой скорости электронов ~7-100см/с. В динамическом режиме измерения были получены пространственно-временные распределения индукции магнитного поля в сечении 2=120мхм. Показано, что изменение энергии магнитного поля в этом сечении соответствует эволюции интенсивности греющего излучения: в первой половине греющего импульса происходил рост энергии нагннтнего поля со скоростью 0,5нЕе/нс, во второй п~«овине - энергия падала со скоростью 0,ЗмДя/нс. За

время зондирования плазмы (от 0,3нс до 1,5нс) происходило падение плотности тока на оси греющего пучка от "80МА/сма до "бВИА/см2, при этом дрейфовая скорость электронов уменьшалась от ~в*10йсм/с до "2,5-10асм/с. Наблюдалось радиальное смещение обратного токового слоя в направлении от оси со скоростью ~108см/с.

Проведена регистрация спонтанных магнитных полей в лазерной плазме при многопучковом облучении оболочечных мишеней и плотностях потока греющего лазера ~8*1013Вт/см2 на установке "Дельфин-1". Мелкомасштабная структура поворота плоскости поляризации, зарегистрированная на фара; зеграмме, свидетельствует о существенном изменении величины и знака магнитного поля на размере "ЮЭмкм. Данный размер соответствует масштабу пространственной неоднородности облучения, определенному как экспериментально, так и в численных расчетах. Изменение знака магнитного поля связано с изменением направления градиента электронной температуры на размере порядка млсвтеба пространственной неоднородности облучения, а среднее магнитное поле составило В~240кГс.

Методом Фарадеевского вращения исследована структура магнитного поля в плазме сильноточного г-пинча на установке "Ангара-5-1". Показано, что основной ток разряда пеличинсй до ЗМА протекает в осевой области пинча диаметром ~Смм. Характер распределения индукции магнитного погп свидетельствует о существовании вокруг основного пинча на расстоянии 3+4нм локальных периферийных индуцированных токов (0,3+3,5)МА протекающих в обратном направлении. Максимальная средняя величина магнитного поля, локализованного вблизи периферийных токов, составила ~5,6МГс. Измерение вели"ины полного тоха хоропо совпадает с результатами электротехнических изнерений.

г

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

1. Разработана оригинальная методика измерения магнитных полей в плотной плазме, основанная на трехканальной поляроин-терферомегрии.

2. Созданы и применены в экспериментах различные схемы диагностической аппаратуры для измерения поляризации зондирующей электромагнитной волны и для измерения пространственно-временной структуры магнитных полей в плотной плазме.

3. Впервые экспериментально доказано, что магнитооптический эффект Фарадея является доминирующим механизмом изменения поляризации электромагнитной волны при зондировании лазерной плазмы при потоках греющего излучения до ~5-1014Вт/сма.

4. Впервые проведено исследование пространственно-временной структуре спонтанных магнитных полей в лазерной плазме плоских мивеней. В статическом режиме измерений, проведенных на мощном Н<1 лазере "Фе*икс" при потоках ~5* 10 "Вт/см2, показано, что энергия магнитного поля (в выделенной области пространства) линейно росла по мере увеличения энергии греющего лазера, при'этом их отновение достигало ~0,1Х. Наксимальное значение .плотности тока вдоль оси греющего пучка составляло ~90НА/'сма при дрейфоЕой скорости электронов "7*10всм/с. Показано, что динамика изменения энергии магнитного поля соответствует форме греющего импульса. Зарегистрировано радиальное смещение обратного токового слоя в направлении от оси греющего пучка со скоростью ~10всм/с.

5. Измерения, проведенные в лазерной плазме при многопучковом облучении сферических мищеней на установке "Дельфин-1" при плотностях потока греющего лазера ~в*101ЭВт/см2, показали наличие мелкомаевтабных магнитных полей уровня ~250кГс, меняющих свое направление на размере порядка масштаба пространственной неоднородности облучения ~100мкм..

6. Методом фарадеевского вращения исследована структура магнитного поля в плазме сильноточного 2-пинча на установке "Ангара-5-1".при токах "ЗМА. Обнаружено существование обратных индукционных токов величиной (0,3+0,5)ИА, замкнутых внутри плазменного образования.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Басов Н.Г., ВоловскиЕ., Гамалий Е.Г., Денус С., Писарчик Т,,.Рупасов A.A., СаркисовY.C., Склизков Г.В., Тихончук. В. Т., Шиканов A.c. "Регистрация спонтанных магнитных полей на установке "Дельфин-1" //Письма в 1ЭТФ, 1987, Т.45. В.4, С.173-176;

2. Писарчик Т., Рупасов A.A., Саркисов Г.С., Шиканов А.С "Метод фарадеевского вращения для диагностики магнитных полей в лазерной плазме" //Препринт 135, И.: ФИАН, 1989;

3. Патрон 3., Писарчик Т., Рупасов А.А, Саркисов Г.С., Фарны Ю., Нкканов A.C. "Трехканальный .юдяроннтерферометр для исследования спонтанных магнитных полей в лазерной плазме" //ПТЭ. 1990, HI, С.183-187;

4. Рупасов A.A., Саркисов Г.С., Яиканов A.C.

"К вопросу о предельных возможностях поляриметрии плотной плазмы". //Препринт 35, М.: ФИАН, 1991.

5. Браницкий A.B., Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Рупасов A.A., Саркисов Г.С., Смирнов В.П., Царфин В.Я., Шиканов A.C. Препринт ИАЭ-5167/7. М., 1990. "Измерение магнитных полей методом Фарадея в сильноточных разрядах на установке "Ангара-5-1".

8. Браницкий A.B., Вихарев В.Д., Касимов А.Г., Недосеев С.Л., Рупасов A.A., Саркисов Г.С., Смирнов В.П., Царфин З.Я., Шиканов A.C. "Регистрация магнитных полей в сильноточном Z-пинче на установке "Ангара-5-1" методом фарадеевского вращения" //Физика плазмы, 1S92, Т.18, В.9, С.1131-1137;

7. Kilpio А.V., Kiselev H.G., Kochiev D.O., Koshevoi И.О., Osipov M.V., Pashinin P.P., Rupasov A.A., Sarkisov O.S., Shashkov E.V., Shikanov A.S., Suchkov Yu.A., Tikhonchuk V.T. "Interaction of Hd:ßlass laser second harnonio radiation with plane targets on "Kaoerton" instaiation" Proceedings of the 21-th ECbIM-91, October 21-25, 1991, H>irsow, Poland, P-60.

ВВЕДЕНИЕ.

С0ДЕР2АПИЕ ДИССЕРТАЦИИ:

5

ГЛАВА 1. ПОЛЯРИМЕТРИЯ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ).

§1.1 Основы поляриметрии плотной плазмы. 1.1.1 Тензор диэлектрической проницаемости плазмы__10

1.1.2 Нормальные волны в плазме__13

1.1.3 Изменение состояния поляризации

зондирующей вслны__14

1.1.4 Эффект Фарадея__16

1.1.5 Эффект Коттона-Мутона__:_ 17

1.1.6 "Квазипрододьное" и "квазипоперечное" распространение электромагнитной волны.__20

1.1.7 Возможности регистрации магнитных полей на

основе эффектов Фарадея и Коттона-Мутона__21

1.1.8 Другие механизмы изменения состояния поляризации электромагнитной волны__24

§1.2 Экспериментальные исследования магнитных полей в плотной плазме.

1.2.1 Исследования магнитных полей в лазерной плазме__28

1.2.2 Исследования магнитных полей в токовых системах._ 34

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 1__38

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ПЛОТНОЙ

ПЛАЗМЕ.

§2.1 ОСНОВЫ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ.

2.1.1 Свойства зондирующего излучения__39

2.1.2 Пространственное разрешение__40

2.1.3 Выбор длины волны зондирующего лазера__41

§2.2 МЕТОДИКА ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

2.2.1 Основные представления___44

2.2.2 Принцип двухканальной поляриметрии__46

2.2.3 Выбор оптимального угла раскрестки___ 50

2.2.4 Влияние собственного свечения плазмы и деполяризации зондирунщ-аго излучения на результаты измерения'

угла поворота плоскости поляризации._ 52

2.2.5 Случай аксиально симметричной плазмы__57

2.2.6 Принцип трехканальной поляриметрии__58

2.2.7 Диализ ошибок измерения угла поворота

плоскости поляризации__61

2.2.8 Некоторые особенности восстановления угла поворота плоскости поляризации зондирующего излучения__85

§2.3 ВОССТАНОВЛЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

2.3.1 Определения средней величины индукции

магнитного поля._ 68

2.3.2 Восстановление локального распределения индукции магнитного поля__70

ЕЫВОДЫ ГЛАВЫ 2__72

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ. §3.1 Базовый подяроннтэрферометр для измерения магнитных

полей в лазерной плазме плоских мишеней__73

§3.2 Поляроинтерфорометр для измерения магнитных нолей в лазерной плазме при миогспучковом

облучении михросфер на установке "Делъфин-1"__ 77

§3.3 Диагностический комплекс для пространственно-временных измерений магнитных полей в

лазерной пяазие на установке "Феникс"__78

§3.4 Поляроннтерферометр для измерения магнитных

. полей с г-пинчах на установке "Ангара-5-1". _ <30

§3.5 Трехканальшгй поляриметр для измерения состояния

поляризации электромагнитной волны__82

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 3__83

ГЛАВА -4 . ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ Я В ПЛАЗМЕ СИЛЬНОТОЧНЫХ г-ПИНЧЕЙ. §4.1 Экспериментальное исследование механизма изменения поляризации электромагнитной волны.зондирующей лазерную плчзму._ _ 85 •

§4.2 Исследование пространственно-временной структуры спонтанных магнитных полей в лазерной плазме

плоских мишеней._:_ 69

§4.3 Исследование пространственной структуры .

спонтанных магнитных полей в лазерной плазме

сферических мииеней.__ 93

§4 4 Исследование пространственной структуры магнитных

полей в плазме сильноточных г-пинчей._;_ 96

ВЫВОДЫ ГЛАВЫ 4__99

ЗАКЛЮЧЕНИЕ__;_ 101

ЛИТЕРАТУРА__103

РИСУНКИ__109