Экспериментальные исследования излучательных характеристик лазерной плазмы на стадии инерциального разлета тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

"г«**®

Академия наук Республики Узбекпстгиг ОТДЕЛ ТЕПЛОФИЗИКИ

На мраиах рукописи

БЕГИМКУЛОВ Узокбой Шоимкулович

УДК (321-373-826

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ НА СТАДИИ И Н ЕРЦИАЛЬНОГО РАЗЛ ЕТ А

Специальность 01-04-21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ташкент —. 1993

Работа выполнена в НПО «Всесоюзный научно-исследова тельский институт физико-технических и радиотехнических измерений».

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук ХЛБИ БУЛЛ ЛЕВ Б. К. кандидат физико-математических наук ФАЁНОВ А. Я-

доктор физико-математических, наук, профессор

МИРЗАЕВ А. Т.

доктор физико-математических, наук Д АРМ АНЯ Н С. А.

Ведущая организация: Самаркандский государственный Университет-

Защита диссертации состоится « 1993 года

в dk — часов на заседании Специализированного совета ДК. 015-90.21 в Отделе теплофизики АН Республики Узбекистан по адресу:

700135. Ташкент — 135, м,—в Чнланзар, квартал «Ц», ул. Катартал, 28 Отдел теплофизики АН РУз-

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке Академии наук Республики Узбекистан (700170. Ташкент, ул. Муминова, 13).

Автореферат разослан <

ШШЖ ^ 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физ-мпт. наук.

X. Т. ИГАМБЕРДЫЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Исследование лазерной плазмы-представляет интерес для. фундаментальных научных исследований и многих различных приложений, из которых сейчас, по-видимому, наиболее актуальными являются решения проблемы управляемого термоядерного синтеза - овладение громадарда запасами энергии, заключенной в ядрах гегких элементов, широко распространенных в природе. Пути респния >той задачи тесно связана о основными направлениями развития фи- . ¡ики плазмы, поскольку исследования в данной области практически геотделимы от проблему использования термоядерного горючего -¡ысокотемпературной плазмы легких элементов. Изучение параметров ысокотемпературной плазмы по излучательным характеристикам пред-тавляет интерес с точки зрения диагностики, изучения радиацион-ых потерь и баланса энергии.

С развитием работ по исследованию лазерной плазмы как истсч-ика многозарядных ионов в ускорительной технике большой интерес редставляет экспериментальное изучение изменения излучательных арактеристик многозарядных ионов на стадии инерциальног разлета, жность таких исследований обусловлена 'тем, что изучение излуча-зльных характеристик лазерной нлазш в-процессе взаимодействия хазменных потоков открывает возможность в какой-то мере управ-гть параметрами самой лазерной плазмы на стадии разлета.

Существует и другой, не менее важный аспект использования' :зультатов исследования излучательных характеристик взаимодейст-ющих'сгустков лазерной-плазмы: изменяя динамику разлета плазмы зможко, в принципе, создать условия-, при которых уровни многорядных ионов лазерной плазмы оказываются инверсно веселенными, о предетавляет особый интерес в са1зи с попытками получения кмулчрованного излучения на переходах многозарядных иоьов в леком ультрафиолетовом диапазоне. -

Следует отметить, что образование лазерной плазмы сопровож-зтея излучением плазмы в рентгеновском и ультрафиолетовом диа-зонах. При достаточно высокой температуре (100 -эВ) лазерной гзмы ее излучение ионизирует остаточный газ, т.е. разлет плаз-происходит в частично ионизированном этим излучением газ. . • прихода в рассматриваемую точку лазерной плазмы именно фото-гизационные и электродинамические процессы характеризуют состо-ге фоновой среды. Изучении фоновой среды посвящено негаого рп^от.

Однако, уке имеющиеся данные не только не созпадахт, нб й в отдельных случаях противоречивы. Имеется расхождение между теОРе- " тическими г экспериментальными исследованиями. Это, по-видимому, объясняется различными начальными условиями зкспериментоз.

Целью й£б£оящей работы являются экспериментальные исследования иэмененйя йзлучательных характеристик в результате взаимодействия между собой двух потоков лазерной плазмы и влияния йзлучательных характеристик разлетающейся лазерной плазмы на сте-гэнь ионизации остаточного фонового газа.

Указанная цель определила следующее задачи:

1. Разработка спектрогглиографического рлетода исследования йзлучательных характеристик взаимодействующих сгустков лазерной плазмы.

2. Исследование особенностей'взаимодействия двух плазменны: потоков в остаточном газе (3 Р<> ICT^Topp) и высоком: вакууме (Р-Ю^Торр).

3. Сопоставление результатов эксперимента и теоретической модели взаимодействующих сгустков лазерной плазмй в высоком вакууме.

4. Исследование блинник йзлучательных характеристик разле: ющейся лазерной плазмы на степень ионизации фонового газа методомэлектрических зондов. ,.

Научная новизна:

- разработана методика исследований йзлучательных хараэтерлс тик взаимодействующих потоков лазерной плазмы;

- впервые наблюдался- эффект локализации свечения ионов разно кратности ионизации при взаимодействии двух сгустков лазерной плазмы при низких давлениях (Р L 10-1Горр), обусловленный различным начальным угловым распределением ионов разной кратное тг и отличием их скоростей, а также ионизационными и рекомбинацж ными процессами в области взаимодействия;

- выявлено, что картина взаимодействия плндаенных потоков в случае высокого давления фоновой среда (Р ^ I Topp) существен! меняется и определяемся, главным сбразом, давлением остаточно газа;

- установлено, что интенсивность излучения плазмы в области взаимодействия.при столкновении плазменных потоков зависит от

'^расстояния между точками фокусировки лазерного я-лучения; этз

• рдасимость обусловлена изменением концентрации ионов и заселенностью их возбужденных состояний;

- впервые экспериментально измерены степени ионизации остаточного газа в вакуумно* камере, ионизированного жестким излучением лазерь.>й плазмы в условиях, когда влиянием фотоэффекта внутренней поверхности вакуумной камеры и абсорбцией электронов можно пренебречь. ■ ■

Практическая ценность получениях экспериментальных результатов определяется тем, что изучение излучательных характеристик двух взаимодействующих плазменных потоков, имеющих высокую степень ионизации и относительно высокую скорость .движения, представляет значительный интерес с точки зрения возможности управления параметрами лазерной плазмы, изменением динамики ее разлета, а также ряда фундаментальных и прикладных задач. Это прежде всего исследование роли столкновительшх, коллективных и электромагнитных процессов, которые сопровождают такое ¡взаимодействие. Исследование взаимодействия двух потоков лазерной плазмы представляет интерес о точки зрения различных ..риложений - изучение спектральных характеристик многозарядных ионов, попытки создания лазеров на переходах многозарядних ионов. Кроме того, наблюдаемая и изученная' наш структура области взаимодействия, во-первых, содержит информацию о начальном угловом распределении иснов разной кратности и их скоростях, и, во-вторых, по от--носительным интенсивноетям линейчатого излучения можно судить об изменении макроскопических параметров (плотности, температуры и зарядового состава) 'и оценить вклад процессов ионизации и . рекомбинации в энергобаланс плазмы в области взаимодействия плазменных потоков.

Основные положения, выносимые на защиту: . ~

1. Разработанный метод спектрогелиограмм для исследования взаимодействия двух сгустков лазерной плазмы.

2. Впервые обнаруженный эффект локализации свечения ионов разной кратности ионизации при взаимодействии потоков .лазерной плазмы при Р 4 1СГ*1орр.

3. Установленное значительное изменение интенсивности свечения плазмы в области взаимодействия при столкновениях, деух пото-' ков лазерной плазмы в зависимости от расстояния между точками фокусировки греющего лазерного изменяя и от давления остаточ-

о

гг.гс г53я.

4. Результаты гсследовэнзя влияния излучательных характеристик разлетающейся лазерной плазмы на степень ионизации фо-о-ззго 1'ЭоЗ.

Аггообзцпл работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуг,дались на : 1Г всесоюзной научно- технически конференции "петрологическое обеспечение температурных и геплофизическнх измерений в области высоких температур" Темпера-тура-5С" (Харьков,1550 г.)) I Всесоюзной конференции "Оптические методы' исследования потоков" (Новосибирск,1991 г.); XXI Европейской конференции по изучению воздействия лазерного излучения на весество (Польша,1931 г.); X Международна?: конференции "Спектроскопия астрофизической и лабораторной плвзш" (СЕА,1522 г.).

Публика:—::. По материалам диссертацьл.опубликовано 10 печатях работ.

Ст^ктут-'Э и объе-.- гпсоептации. Диссертация состоит из введения, четырех .глав, заключения , списка литературы . Диссертация изложена на страницах машинописного текста, включая 34 рисунка и списка литературы из 75 наименований.

0CH03II0S GC£EFaAHJIE .ДИССЕРТАЦИИ -

»

Бо введении обосновывается актуальность проблемы, обсукда-ется значение вопросов, рассмотренных в диссертационной работе,' сформулированы цель и основные положения работы, выносимые на за-члту, а такке излагается научная новизна , практическая значикост: г цряводится краткое содержание отдельных глав.

В первой глазе проведен обзор основных методов определения ■параметров высокотемпературной лазерной плазмы на стадии инерци-ального разлета. Проанализированы я выяснены основные преиггушест-£s таких методов исследования лазерной плазмы гногозаоялннх ионов как масс-сиектроскопическне и рентгеновская диагностика. Подробно р8сскстре5к работы,псс.ргзннке из :&реквяк яврввееров разле-tshqs-ich лазерной плазмы оптическими методами-. Хается содерге-пхъивя ппгермацг_я о зондовых методах измерений параметре»

плазмы", как ёКанстьенного доступного средства получения локать-ных характеристик.

В результате проведенного анализа методов ддагностпс cze-лан вывод о том, что классические методы диагностики в (5о.та° совершенном виде дают хорошую информация о параметрах р^злетзге;?'-ся плазмы.

Во второй главе описана лазерная установка, использование : в работе двойной электрический зонд для исследования воззовет?:" излучательных характеристик лазерной плазж на степень :го;гпзан::;' фоновой среда, а такке приводятся результаты экспериментов, :: дается оценка вкладов в образование электронов з фоновом газе.

Во введении к этой главе приведен обзор работ по 'изучен: фоновой среды разлетающейся лазерной плазмы. Основное еьг.глчкл-:' уделено исследованиям, которые проводились с помояьп электрических зондов.

В результате проведенного анализа работ сформугированч цель и задача исследований, обоснована их'важность а актуальность.

Во втором параграфе дана оценка вкладов в образованно электронов в фоновом газе. Как известно, при плотностях тощноста лазерного излучения 1СП Вт/см" начальная температура лазерной плазмы более IDO эВ, и плазма является источником рентгеновского и ультрафиолетового излучения (У1>), тем сатам обеспечивая механизм фотоионизации окружающего газа. Рентгеновское и уж>тра^;с~ летовое излучения плазмы ионизируют фоновую среду, срывая "л^к-троны с внутренних (К) и виеяшес С L ) оболочок атомоз к vo.wkj !. имеет место также диссоциация молекул, и возбуждение ».тектрс-к-ных уровней. Кроме того, ионизация фонового газа оказтгае ние на кинетические и электродинамические характеристик!: разлетающейся лазерной плазмы.

Наибольший вклад в образование свободных злпггроноз з газе перед мишень». по-видимому дают следугтахе процеогн:

- тотоионизация газа УЗ и рентгеновокшж излучениям из фока^-ной области;

- дополнительная ионизация электронным учаром з р^зульпт-э подкачки энергии электронной тептапро^олгостьс;

- ионизадил фонсяого газа no torcí «Застриг о-.--:- г .нов, вылетающих из фокальной области;

- образование электронов в фоновом газе за счет фотоэффекта с внутренней поверхности камеры. и

В третьем параграфе этой главы кратко описана лазерная установка, диагностический комплекс для исследования состояния фоновой среды разлетающейся лазерной плазмы и вакуумная камера. Для создания лазерной плазмы в работе использовалось излучения лазера на кристалле рубина. Это излучение после усиления в оптической схеме установки фокусировалось в пятно размером-0,2 мм на поверхности твердотелой мишени, находят :йся в вакуумной камере. Вакуумная камера откачивается до глубокого вакуума Ю^Торр. После облучения мощным лазерным излучением на поверхности твер^ дой мишени образуется плазменный факел, разлетающийся с большой, скоростью от мишени (~ Ю7 см/сек). Плотность потока лазерного излучения % = ИР Вт/см^.

Для проведения работ по изучению степени ионизации фонового газа перед мишенью, ионизированного лазерной плазмой, использо-Еался двойной электрический зонд. Конструктивно двойной зонд состоит из специального диэлектрического держателя, на котором параллельно закрепляются две проволочки, диаметр которых и длина подбираются одинаковыми настолько, насколько это возможно. Для , взаимоуничтожения наводок на зонд была применена , лзухплечевая схема регистрации сигнала с заземленной средней точкой.

В четвертом параграфе приведены результаты исследований двойного электрического зонда. Сигнал снимаемый с зонда имеет вид двух импульсов, причем первый импульс начинается практически-сразу с возникновением плазмы. Первый импульс не может быть связан с разлетом лазерной плазмы, т.к. этот импульс начинается одновременно с лазерным импульсом и свидетельствует об. ионизации фонового газа. Продолжительность этого импульса примерно 100 ■, нсек. Затем следует более длительный импульс, начало которого соответствует моменту прихода фронта лазерной плазмы. Амплитуда первого импульса имеет свой максимум при Р<~10~^Торр. При .. Р»"Ш~^Торр амплитуда этого импульса падает примерно в три раза, ' \ от значения при Р~1СГ^Торр. Это объясняется тем, что с умень-■• аеняем давления уменьшается число носителей заряда э фоновой сре-. де. При Р~10-1Торр также регистрировано уменьшение амплитуды импульса з порядке 2-*3 раза. Это уменьшение амплитуды импульса 'обусловлено поглощением фотоионизирувдего излучения. Аналогичное

доведение амплитуды сигнала фотоэлектронов наблюдалось длят всех исследованных расстояний между зондом и мишению (R = 4+10 см).

На основе полученных осциллограмм была построена еольт&ч-перная характерцетик° двойного электрического зонда при различных Р и R . Из характеристики зенда по току насыщения и по наклону вольтамперной кривой в начале системы координат проводится оценка температуры электронов фоновой среды, а также определяется плотность электронов фонового газа на заданном расстоянии от мишени при различных давлениях. Имеющийся максимум степени ионизации при ?А»1СГ%'орр хорошо согласуется с теоретическими исследованиями.

Таким образом, проведенные наш исследования фоновой среда разлетающейся лазерной'плазмы показали целесообразность.лриме-нения электрических зондов для выяснения влияния излучательных характеристик на параметры фонового газа.

В третьей главе диссертации изложены постановка решаемой задачи, методика измерений, диагностический комплекс и основные результаты излучательных характеристик стслкне ,ения двух лазерных факелов в фоновой среде.

Во введении к этой главе сформулирована актуальность решаемой задачи. Для анализа картины взаимодействия на поздних стадиях разлета, плазма разделяется во времени и пространстве на отдельные, фазы. Первая - зона, непосредственно примыкающая к мишени и соответствующая свободному невозмущенному разлету лазерной плазмы. Здесь образуется плазменный пакет, состоящий из электронов и ускоренных ионов, который движется с высокой ско-ростыо~10® -г IQ* см/сек. Вторая зона - область взаимодействия плазменных потоков, изучению которой и посвящена настоящая работа. Плазменные потоки формировались при фокусировке линзой излучения рубинового лазера в две точки на поверхности плотной массивной мишени. Для этого в пучок лазера помещалась клиновидная пластина, отклоняющая часть пучка на заданное расстояние, при этом можно было регулировать соотношения между интенсивноетягли в пучках. Расстояние между точками фокусировки лазера Аварьировалась от 2,5 до 9 мм. Диапазон исследуемых давлений составил от ТО-4 до 3 Topp.

Во втором параграфе описана разработанная нами методика спектрогелиограмм для изучения излучательных характеристик вза-

имодействуащих сгустков лазерной плазмы на базе цромышленно выпускаемого спектрографа ДФС-452 (спектрограф со снятой щелью). Для щелевых спектральных приборов ширина 5' и внсота ^ изображения щели равна

где ^ - фокусное расстояние коллиматора; -f^ - фокусное расстояние камеры; - ¿тол между плоскостью спектра и осью камеры спектрального прибора.

Тогда для нашего спектрографа имеем S' = S . 9Í = Ь т.е. изображение щели регистрируется на выходе без изменения ее размеров. Таким образом, в случае со снятой щелью геометрические размеры изображения плазменных факелов фокусируются с такими же размера;®, какими они строились на плоскости входной щели. Так как т хотели изучать области взаимодействия в сравнительно больших размерах см), нунно было изображение сталкивающихся плазменных потоков строить с уменьшением. Для получения пространственного разрешения, изображения плазменного сгустка алюминиевыми зеркалами с защитным покрытием строилооь на поверхности, входной щели спектрографа так, что направление разлета плазмы . было параллельно плоскости щели..Оптическая схема позволяла строить изображение сгустков с уменьшением 1:2.

Чтобы получить изображения источника в различных линиях необходимо, чтобы они не перекрывали друг друга. Для этого должно выполняться следующее условие:

n A ¿ д£

где Н - размеры изображения источника на плоскости входной щели, мм; - расстояние ме'вду соседними линиями на плоскости регистрации, мм.

Как известно, разрешающая способность и светосила приборов с плоскими решетками, достигают наивысших для щелевых приборов • величин. 5то обусловлено тем, что во-первых, геометрические размеры плоских решеток могут быть весьма велики, а во-вторых, угловая дисперсия решеток обычно превышает угловую дисперсию призм, и можно пользоваться более широкими щелями. Поэтому в случае использования спектрографа для регистрации спектрогелкограж ухудшения пространственного разрешения ожидать нельзя.

Таким офазом, разработанный наш метод спектрогелиограф.: для изучения издучательных характеристик взаимодействующих потоков лазерной плазмы позволяет впервые получить картину вза:г-о-действия на отдельных линиях из^пения плаз^. 3 качеств? гтазенп использовались Вв и Rt .Их выбор обусловлен раз р елейностью спектра в видимом диапазоне.

В третьем параграфе описан спектральный диагностически:: комплекс для исследования взаимодействия плазменных сгустков. Он включает в себя спектрограф ДХ-452 с пространственным разрешением в направлении разлета плазмы, мпнохроматор "'ZP-2 с сильноточным фотоумножителем и фотоаппарат с объективов «Спитер? Дифракционный спектрограф с обратной дисперспэй - 3 $/\z: - пег служить как для регистрации спектров из различных областей плазменного образования, так л для получения спектрогзлпограмм (спектрограф со снятой щелью) в „свете" литий разных переходов ионов разной кратности.

В четвертом параграфе обсуждаются впервые полученные результаты исследований взаимодействуя двух сгусткоз лазерной плазмы в фоновой среде. Интегральные по'видимому-спектру излучения фотограф™ области взаимодействия, двух плазменных сгустков пра низких давлениях (Р4 КП^Торр) показывают, что для всех исследованных расстояний ме&пу точкам фокусировки греющего излучения наблюдается струеобразное свечение медду фокаяьяыг.л областями плазмы, направленное перпендикулярно шпека. Вертикальный размер струи в несколько р?з превышает размер фокальных плазменных образозаний, и при возрастании энергии греющего гвлучек:^! наблюдается увеличение интенсивности я размера свс-ченпя струд. Интенсивность свечения значительно уменьшается с увеличат м расстояния между двумя факелами: при раостстпп: Э кя -яркость свечения струи падает до предела чувствительное*х Фотопленки. Эксперименты с раз шг-гакмп энергиями б сгустках показaza, ~*?о в этом случае свечение в виде струи такте суще с ттуе ?, но ско одкг-нуто в сторон.у сгустка с менъп^й энергией.

Пнтенслвноо струеобрасное овечение срил2тд.'2)с'~уг;-т об пт-теисивном взаимод»8стаии между разлетаххэрягсд плаэчекюлй: сгусг-кчма. При (больших давлениях (Рч>1 Topp) .ФокошЗ газ оггатггизг^г разлет плезмы, и факелы п^рестапт гталтяяо.1; Б сб.тюгл --суточных давлений (F~Q,5 Topp) картата сведена* стажетаггзжся

факелов зависит от материала мишени.

В этом параграфе картина столкновения дбуз: лазерных сгустков рассмотрена подробно - в свете отдельная спектральных линий. Приведены впервые полученные спектрогелиограимы столкновения лазерных факелов, полученных з свете линий ВеТТ ,B-ejÜ, fltTT ♦ RtTü. Потенциала ионизации Вей ,Ri]L примерно одинаковы : 18,2 и 18,8 зВ соответственно. Поэтому следует ожидать, что картины столкновения этих ионов будут примерно одинаковы, что мы и наблюдаэк на опектрогелиограммах, а именно, при высоком вакууме (Р-^ПГ^Торр) свечение в зоне столкновения начинается прямо от мишени и далее монотонно спадает. Зто. происходит .из-за того, что коныßен_,fitTT разлетаются от мишекк в довольно широкий угол ( 80+90°). _

Потенциал ионизац^ Be Iii намного больше чем ВеЦ ЖH и составляет 153 эБ. Поэтому и картина свечения на переходах этого иона сильно отличается от свечения на переходах В eTT Ионы ВеТГГ разлетаются ат мллегаг в гораздо более узкий угол ( 40°), чем ионыВеТГ ,RtTT , и соответственно, их зона.столкновения для высокого вакуума (Р = 10~%орр) гораздо выше от мишени, чем для ионов ЬеТТ ,fli]?. . При давлении Р = 0,1 Тор^ лазерные факелы, наблюдаемые по'свечению плазма на переходах Вещ, как бы сливаются, и в зоне столкновения двух факелов не видно никаких особенностей .по сравнению со свечением плазменных потоков в линиях ,Rt]T , просто тормозящихся фоновым газом. При этом б отличие от случаев Р = М^Торр и Г = 0,5 Topp, при Р = ОДТорр свечение плазмы в' линиях Вещ. спадает от мишени хотя и медленно,, но монотонно.. При давлении Р~0,5 Topp очень ярко видно и влияние фоновой среды, и влияние столкновения лазерных факелов на свечение плазмы на переходах BeÜL - Свечение лазерных факелов спадает не монотонно от мишени по вертикали вверх, т.е. сначала чаблхдается спад свечения, а затем на некотором расстоянии от мишени свечение на переходах йеЩ вновь возрастает за счет торможения о фоновую среду. В этом картина полностью подобна свечению плазмы на переходах bei ,ftl]t при тех же давлениях.. Но в отличие от ВеЦ ,flf. ТГ , свечение на переходах Веш в зоне столкновения лазерных факелов при Р = 0,5 Topp имеет провал, факела к&к бы отталкивается друг от друга.

Потевдиал ионизации Й1 ш составляет 28,4 эВ, х.е. следует

ожидать, чт-о свечение на'Переходах AtuL будет представлять промежуточный случай, но все-таки будет болызе похоже на свечение на-переходах ВеЦ .ДЕЛ , чем ЬеЩ . И действительно^ л низких давлениях Р ^ 10-1Торр ж наблюдаем свечение из зона столкновения в виде струи, но при давлении Р = 10~4Торр эта . струя имеет гораздо менее мощный вид свечения, чем свечение на переходах ВеЦ ,й£Ц -При давлении Р = 0,1 Topp свечение на переходах Я L iTI толе имеет свои особенности по сравнению со свечением на переходах Ве ч - максимум свечения в зоне столкновения на переходах Rt находится возле самой мишени, далее свечение монотонно спадает по направлению вертикально вверх от мишени, в отличие от свечения на переходах bei , которое э зоне столкновения имеет максимум на некотором расстоянии от мишени. При давлении Р = 0,5 Topp фоновая среда начинает ограничивать разлет ионов fttm , каздый лазерный факел приобретает вйд веретена, т.е. мы видим по-существу два сорта ионов ,

разлетающихся от мишени в разные утлы.

В пятом параграфе приводятся выводы к этой главе. Отмечается, что впервые полученная картина свечения стякивающисся плазменных потоков зависит от давления фоновой среда, от степени ионизации ионов - свечение на переходах ионов разной кратче— стя локализуется в различных областях, от материала мисени, я от расстояния между точками фокусировки греющего излучения.

Четвертая глава посвящена результатам теоретических рпоче-тов взаимодействия сгустков лазерной плг.эмы в высоком вакууме на основе впеивые полученных спектрогелиограмк свечения Е>еХ -Ьет_ . Здесь же сопоставляются результата гворет-.гчеекдх шечэ-тов и эксперимента.

Во введении к этой глазе изложена актуальность з методическом плзне разработки теоретических моделей для взаимодействуя потока лазерной плазмы в высоком вакууме.

Во втором параграф« подробно смЗсуздаютгя гозульшту исследований взаимодействия плазмятшх сгустков нрл низке.'. давл-'н-V воздуха в камере (Р - ТО~4Торр) при расстоятпга чезгу факелами й'Н- - 6 мм. Приведена пуостранстзеяные структуры езечпшт ---р.-г-модействугпзтх сгустков лазерной плаь-.^ s линиях Sei in . Анализ ярофллей почернения регистрируй«.: ляьи* ):о>.л.-?н:^.<зг7ч~'? интенсивность свечения п линиях Йе.ТГ_ более чей на.

• 14 '

больше, чек интенсивность линий Вещ. (относительно Яркости фокальных сгустков), что касается излучений йейтрашйх атомов Bel в области иезду факелами, то оно срашгйТёлМО невелико и. несколько асимметрично относительно точек фбйуойровкй области свечения ВеX наклонены в разные стороны от плоскости симметрии. Из временных разверток .свечения линий &еЦ й Bern регистрирующих излучения из осевых областей факелов плазмы и йз середины между факелами видна резкая зависимость амплитуда.импульса излучения ионов Ьеш. от расстояния между факеламй.

Наблюдаемая в эксперименте пространственная структура линейчатого излучения взаимодействующих плазменных сгустков формируется следующими процессами: начальной угловой розеткой выхода ионов различной кратности, рекомбинационными процессами на стадии их инерционного разлета и'возбуждением ионизацией прй взаимодействии сгустков. Как известно, разлет ионизированного компонента сгустка лазерной плазмы происходит в некотором конусе, осью которого является нормаль к мишени. Интервал углов в котором регистрируются ионы зарядкости Ъ , зависит от Ъ и плотности потока излучения Ч. , причем ионы большой зарядно-сти регистрируются в меньшем :елесном угле при заданном Я- . ■

Двукратные ионы ВеЦ> разлетаются в конусе с пслураствором угла при вершине 40°, т.е. встреча двух .сгустков происходит в плоскости симметрии на расстоянии от мииени 6 мм. При этом радиус разлета плазмы R m 7+8 мм и средняя концентрация частиц в ней h es' 4-IO^cm""3. Характерная скорость относительноадвиже-ния сгустков \Tcs- (6+10)* 10® сц/сек, кинетическая энергия ионов в них _о

Е = JÛ^L = 2.00-50Q э&,

а их характерная электронная и ионная температура вблизи фронтов составляет Т ( = Те = 2+3 эВ. Если энергия ионов в сг стке •

-23 ^ J 5

где M = 1,5-10" z - масса ионов, то торможение ионов происходит главным образом, при взаимодействии с электронами плазмы, при обратном условии - важны ионные столкновения. В условиях эксперимента, главную роль играют ионные столкновения. Пробег ноесв в плазма, определяемый такими столкновениями

_ Е1 атгеЧ^л"

где 2 =_2,Е = 500 эВ, П = 4-1016 см"3, Ь = 10. Ионы СеЦ имеют существенно большой конический угол выхода

80-90)° и они наиболее представленч в ионном составе плазмы, поэтому их свечение начинается практически от поверхности мишени (от середины медцу факелами) и обладает наибольшей интенсивностью. Мощное струеобразное свечение Be.1T медду факелами связано не только с возбуждением собственно ионов ВеЦ в процессе взаимодействия сгустков, но и с дополнительной ионизацией и возбуждением нейтралов, сечение столкновения и ионизации которых достаточно велико при рассматриваемых энергиях. Им нно с этим, по-видимому, связано уменьшение свечения В©X в области между факелами (происходит столкновительная ионизация Ве'Т-* ЬеЦ ) и образование наблюдаемой асимметрии их разлета.

Таким образом, мы наблюдаем локализацию свечения ионов разной кратности при взаимодействии потоков лазер ой плазмы. Кроме того, наблюдаемая структура области взаимодействиг во-первых, содержит информацию о начальном угловом распределении ионов разной кратности и их скоростях, и во-вторых, по относительным ин-тенсивностям линейчатого излучения можно судий о изменении микроскопических параметров (плотности, температуры л зарядового, состава) и оценить вклад процессов ионизации и рекомбинации в энергобаланс плазмы в области взаимодействия плазменных потоков.

. В третьем параграфе 'приведена теоретическая модель взаимодействия. Движение плазмы в каждом сгустке было описано в одно-скоростном приближении с учетом всего комплекса ионизационно-рекомбинационных процессов и поуровневой кинетики.

- В четвертом параграфе приведены результаты расчетов и со-, поставление с экспериментом. К моменту столкновения концентрация частиц плазмы в результате расширения падает примерно до 6-Ю-1-5 см-3. К этому времени градиент давления практически перестает давать вклад в изменение скорости частиц плазмы, и ее движение определяется инерцией и торможением в процессе взаимопроникновения. Зона взаимодействия рассчитывалась методом частиц. Для каждого сгустка использовалось 100 пробных частиц, равномерно распределенных по радиусу на десяти лучах расположенных в плос-

кости проходящей, через точки фокусировки лазерного излучения перпендикулярно мишени. Такой подход позволяет решать задачу на достаточно произвольном пространственно распределенном количестве лучей, однако в эксперименте ми получаем интегральную по времени и по лучу зрения картину свечения сгустков, поэтому для качественного сравнения с экспериментом вполне достаточно было получить картину в плоскости симметрии, проходящей через фокальные области. На кавдом шаге рассчитывалась также система уравнения неравновесной зарядовой и поуровневой кинетики.

В результате таких расчетов построена пространственная картина ионизационных областей в плоскости симметрии, проходящей через точки фокусировки лазерных лучей. Представлены результаты расчетов для предельных случаев большого т малого расстояний между точками фокусировки лазерного излучения. Расчетная картина пространственного распределения степени ионизации хорошо согласуется с экспериментальными данными по пространственной локализации свечения в линиях ионов различных зарядностей.

В пятом параграфе приводятся выводы к четвертой главе. Отмечается, что полученные результаты представляют'значительный интерес при исследовании лабораторной и околоземной плазмы и решении ряда прикладных задач. Они могут быть использованы как базисные при исследовании практически важной, но более.сложной ситуации, когда плазменные факелы сталкиваются не в вакууме, а в фоновой среде.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ '

Основные результаты и выводы диссертации состоят в следующем:

1. Разработан экспериментальный диагностический комплекс на основе двойного электрического зонда для изучения влияния излуча-тельных характеристик лазерной плазмы на степень ионизации фоновой среды.

2. Исследовано состояние фоновой среды, ионизированной под действием жесткого излучения лазерной плазмы, до прихода в рассматриваемую точку лазерной плазмы. Получена зависимость степени ионизации от расстояния до мишени при различных давлениях йоно-всг-о газа. Определено время существования плазмы остаточного Г23=а ( ~1СЮ нсек),

3. Разработан кетод-сдектрэгелнсгрз:.~т д.ля псс." дог >н;тя -^учательных характеристик вза:п.:оде":сгву:-:с.х сгусткса .-.ascpric?. плазмы , позволяющий получить картину столкновения з "свете" ;т-дельнчх линий свечения ионов разной коаткост:: пскпззют-

4. Впервые наблюдался эффект локализация свечения гс."?в разной кратности ионизации_при взаимодействии двух сгусткса лазерной. плазмы при ?А10-АТсрр.

5. Показано,ч^о при низких давлениях Тэрр) гая всех исследованных расстояний между точка:.™ фокуеирезхн ггетцег:: излучения наблюдается струео'рззчое свечение тс:-:ал:-ч:с.;п областями плазмт-т, направленное перпендикулярно Ннтеаспв-ность этого струеобрззного свечения зависит ^т давления Тонов-.;?:, газа, от расстояния мекцу точка;."! фокусировки лазерного излучения, и от энергии лазерного излучения.

6. Выявлено, что картина взаимодействия п-тскса в случзе высокого давления фоновой среды i ?>1 Тор^ сущестзеч-но' меняется и определяется , главным образом, дааденпйч ссггточ-ного газа. -В области промежуточных давлений ; Гл»0,5 Тсрр) картина сталкивающихся потоков зависит от материала

7. Сопоставлены результаты ^эксперимента л теоретических расчетов процесса взаимодействия плазменных потеков а енсоксм вакууме ( F—10"? Topp ). Построено пзеегрэкственнов распределений зарядового состава плазмы з зоне зззг.мо действия.

основные пезультп"-;; чпссог'^дцгп • •сталгусрзун э д.'х

Т. Ь&фпЫоУ аЗЯ.,ВмипеШл ВМ.риокШ V.M.ei об. InlezQclion of casez-pzoduced pßasma clouds in vacuum and factyzound medLum/ySnysics 8>.: ftppt. Phys.-1392.-V25.~V.158i4S90.

2. Ет>гяе?тгоч С.А. .Регчунулоэ У.Ш. ,,лк:*р Л'.:. я ::p. '¿"Лог: почялирчц.-2 саеч-:.-чгл яоазв ¿зансЗ spiraocur аеьяза.-гчг rrj;;? ь-.пгу. -цейстоки сгус™коп лазерноЛ Еаааж //'.:• съу,в в ¿.TJ.-IfZ-O.-T.IC. -B.I8.-C.50-5J.

3. Ееггонулаэ У.'.:.. ,Бгтнетхн:-; Б.Л. „Гяхлн 5.'.:. :: пр. leScrsac сгустксз лэзр:.чоЙ гчазга //!Сйзлтсазл •vr-k'-^i.-r-g. ■T.Iß.-tf 7.-С. 677-681.

4. Begimkuiav U.Sft.,flegu»eifcin B.fl.,5>yafcin V.M. el cjL

Methods ffUV and X-fiQи Spectroscopy of qslzobhusV-mC arid ЫогоЬгц ph&mc: Qfcft.of the X Itii&z-

halionaC Conference.~3ez&e£eifJUSR)1992-p.2?'-2&.

5. bzyuneikto BM^BeQimhuCov VVShSiUQk in V.M.ei at. Lnsez-ptoditced piasniQ doud^ inlezaclioh in vacuum and back^ouncl medium // — Suzopean cofifezense, on taste Lnitiaciiott wtth mattes-: flflsto. -\Wfesew, Poland,4991-~Рг50-51.

6. Брюнеткин Б.А., Еегимкулов У.Щ., Дякин В.М. и др. Диагностика сталкивавшихся плазменных штоков //Температура-90:

Тез.докл.ЗУ Всесоюзк.каучн.-техн.конференции. 25-29 мая 1990-Харькоз,1990.-С.138-139.

7. Бршеткин Б.А., Бегимкулов У.П., Дякин В.М. и др. Спектральные исследования структуры свечения взаимодействующих сгустков лазерной плазмы //Тр.ин-та /Всесоюзн.научк.исслед.ин-т физихо-технич.и радио техн. измерений-. - 1990. -CJ. 6" -6?.

8. Брюнеткин Б.А., Бегимкулов У.Ш., Дякин В.М. и др. Сиектраль-ные исследования сталкивавшихся потоков лазерной плазма // Оптические метода исследования штоков: Тез.докл. I Всессюзи. конф.-Ково сибирск, I99I.-C.I84.

9. Бэгимнулов У.Ш., Нргоеттш Б.А., Дялга В.М. и др. Взаимодействие двух лазерных факелов в фоновой среде //Тр.ин-та / Всесоюзн.научн.исслед.ин-т физико-техшгг. и радиотехн.измерений . -1991 . -С . 82-87.

10. Еегимкулов У. 111., Дякин В.М., КЬлдашов Г.А. и др. Экспериментальные исследования параметров фоновой среды с помощью электрических зондов //Тр.ин-та /Всесоюзк .научн.исслед. ин-т физико-технич. и радиотехп.измерений.-1991.-С.ЮЗ.

1КЕРЦИАЯ УЧИКЩГИ ЛАЗЕ? ZIMSLIAGi-НКНГ НУР ХАРАКТЕРКСТ11ШАРКНК ЭКСПЕРИМЕНТА! ЙТАЬЖ

Бт~>-биряга томоь катта гезликда учиб келаётган, юцори яон-лаштирии курсаткичига эга б^лган инки плазма окдмида узаро таъслрлни нурлзяяс характеристикаларя ор^али урганяш астрофизик ьа лаборатория плазмаларлдаги туцнашш, коллектив ва электромагнит жараёнларни ва бопща бир н;анча амалий масалалэрпи ечишда мухдм а^аккятга эга.

Мэзкур яшнинг кащсади - якки узаро таьоирлашувчи лазер плазмэларини кузатиб борувчи тукнашиЕ .ва ионлаштириш жараёнла-риня урганиш ва лазер плазмасининг нурлари таъсиридаги. .у^ит-нпнг ионлаштиршя курсаткичини улчагодан яборатдир.

Кеда уч:»5 Зораётган икки лазер плазмасининг узаро таъсирк-KiT му^итнинг босими 3*P»I0~^ Topp булган шароитда урганил-ган. Узаро таъсирлашувчи лазер плазмасининг фазовйй тузилиши Ве II- Ве III ва At II- АС III понларичинг.чурланитаи ор^а-лк олинган. З^ар хил курсаткичли ионларнинг нурлагзши фазонинг айрим лойларида тупланиши кузатялган. Еэраённинг математик модели яратилган. Бу модел ёрдамвда узаро тукрашувчи лазер плазма сини оциминя динамик, олтчк ва ионлаштириш Харэктеристикала-рини олий мутаин. ^исоблашлар ор^али узаро таъсяр,-зснасидаги . заряд т'аркибини фазович тузиллш 'шакли олинган. Бундан ташг^ари s;eco6 ва эксперимент натвжалари нурланийг коэффициента учун таз^осланган. -

Лазер плазмасининг атрофпдаги ку^итни ионлаштириш даражаси электо зондлари ор^аля улчангэн..

TEE EXPERIMENTAL INVESTIGATIONS 0? RADIATIVE CHARACTERISTICS AT 1ASEP.-PH0DUSED PLASMA EXPANSION

The investigation of two highly ionized plasma flows colliding at supersonic velosities is of particular interest whenever collision,collective and elektromagnetic processes in laboratory plasma are discussed, or astrophysical and other applied problems are considered .

Thio paper describes the results of a study of the collision and ionization processes proceding in the two interacting laser-prodused plasma clouds formed at the surface of a solid target and separated from each other by some distanse and experimental investigation oi residual gas parameters by electric cages.

An investigation into the interaction between two plasma clouds expanding in vacuum and background gas (P^I0""^Torr) is described. The spatial structure of the radiation emitted by the interacting plasma clouds was determined . The radiation was in the form of spectral lines due to Bell-Belll and A1II-A1III ions and it was found that the radiation emitted by ions with a given degree of ionization was localized • A mathematical model of the process was developed and used to obtain dynamic , ionization and optical characteristics of the interacting clouds. Qualitative agreement between calculation and experiment has been achieved. Results of experimental study of residual gas ionized by soft, radiation of laser plasma ara presented .

The experimental studies and numerical simulations described in this paper allowed us to determine the optical and ionization characteristics of interacting laser-prodused plasma low-density clouds when appreciable mutual penetration of plaB-na flows is possible .