Инициирование перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

09-4 1784

На правах рукописи

МАТАФОНОВ АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ

ИНИЦИИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

На правах рукописи

МАТАФОНОВ АНАТОЛИЙ ПЕТРОВИЧ

ИНИЦИИРОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ СИНТЕЗА ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ИНТЕНСИВНЫХ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ТВЕРДОТЕЛЬНЫМИ МИШЕНЯМИ

Специальность: 01.04.21 - Лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени дот opa физико-математических наук

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Центральный научно-исследовательский институт машиностроения» Федерального космического агентства

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ведущая организация:

Физический институт им. П.Н. Лебедева (ФИЛИ) Российской академии наук

Защита состоится 14 октября 2009 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.156,01 при Московском физико-техническом институте (государственном университете) по адресу: 141700, Московская область, г. Долгопрудный, Институтский пер., д. 9, МФТИ, аудитория 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан «с?-3 » ^ЬОНсЯ__2009 года

Ученый секретарь ли ссортаци о п и о го Со в ста

Рухадзс Анри Амвросьевич

доктор физико-математических паук Калинин Юрий Григорьевич

доктор физико-математических паук Астапенко Валерий Александрович

кандидат физ.-мат. паук

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность проблемы

В последние годы прогресс в исследованиях физических свойств вещества под действием сверхинтспсивного электромагнитного излучения был непосредственно связан с созданием и развитием импульсных лазеров субпикосекундной длительности, основанных на принципе усиления чирпированного импульса. Развитие нового поколения твердотельных лазеров привело к уникальным условиям облучения лазерных мишеней в диапазонах длительностей импульса 10 1000 фс, интенсивностей 10п + Ю2' Вт/см2, пиковых значений мощности 10 1000 ТВт, При этих условиях лазерное излучение достаточно эффективно трансформируется в потоки быстрых электронов и ионов, взаимодействие которых с веществом мишеии приводит к генерации рентгеновского и жесткого гамма-излучения, различным ядерным и фотоядерным реакциям, чего нельзя было достичь при использовании импульсов нано- и субнаносекундной длительности с энергией в десятки джоулей. В результате формируемая фемто-и пикосекундная лазерная плазма является своеобразным "настольным" импульсным "микроускорителем" и "ядерным микрореактором", отличающимся относительной компактностью, к которому ие предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. Такой источник допускает относительно простую возможность управления энергетическими и другими параметрами корпускулярного и электромагнитного излучений.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований можно определить следующие диапазоны изменения параметров образующейся лазерной плазмы: температура электронов составляет ~ 1 -5- 10 кэВ, температура быстрых электронов ~ 0.1 10 МэВ (с максимальной энергией свыше 100 МэВ), температура быстрых протонов и ионов - от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ (с максимальной энергией протонов до 60 МэВ и ионов свыше 400 МэВ), величина пондеромоторного давления 1 -ь 50 Гбар, амплитуды электрического и спонтанного магнитного полей ~ 109* 1012 В/см и ~ 1 700 МГс соответственно. Энергии высокоэнергетичных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, генерация позитронов, (р, п) ядерные реакции и т.д.

Исследование ядерных реакций синтеза в лазерной плазме проводилось одновременно с бурным развитием самой лазерной физики, где достаточно быстро произошел переход от умеренных интенсивностей ~

Ю'7+ 1018 Вт/см2 к

более высоким интенсивностям 1019"*- 102' Вт/см2, соответствующим релятивистским условиям дпюкения электронов создаваемой плазмы. При этом ядерные реакции синтеза в области умеренных интенсивностей ~1018 Вт/см2 не были достаточно подробно исследованы. В то же время исследование ядерных реакций синтеза и данной области интенсивностей представляет несомненный интерес, по крайней мере, в трех отношениях: для установления законов подобия по выходу ядерных реакций синтеза в зависимости от интенсивности лазерного излучения; для эффективного инициирования ядерных реакций синте-

за, обладающих резонансами сечений как раз в той области энергий частиц, ускоряемых лазерным излучением, которая соответствует указанным умеренным интенсивности^; из-за относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок, обеспечивающих интенсивности излучения ~1018 Вт/см2, по сравнению с крупными лазерными установками 100 ТВт 1 ПВт мощности, обеспечивающими интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1019-1021 Вт/см2.

Среди реакций синтеза наибольший интерес,вызывают реакции синтеза, перспективные для использования в. управляемом термоядерном синтезе (УТС): D(rf, «)3Не, 5Lí(í/, dfНе, 3He(¿, /?)4Не, и3(р, За), 7Li(р, áf Не, у которых основное энерговыделение идет в заряженных частицах (что сильно упрощает утилизацию этой энергии), а нейтронные потоки ослаблены по сравнению с реакцией T(d, «)4Не, используемой в традиционной схеме УТС. Схема управляемого синтеза на реакции Т(d, и)4Не является лишь этапом, позволяющим продемонстрировать саму возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза. Анализ возможности использования перспективных ядерных реакций синтеза в схеме УТС с магнитным удержанием приводит к весьма жестким требованиям к соответствующим плазменным параметрам ввиду больших значений ионной температуры (свыше 100 кэВ), требуемой для поджига таких ядерных реакций. В то же время, в плазме, создаваемой лазерами ПВт мощности, которые могут использоваться в схемах быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [1-3], возможно достижение требуемых столь высоких температур ионов. Однако до последнего времени в плазме, создаваемой мощными лазерами, из перечисленных выше перспективных ядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция синтеза D(d, и)3Не. При этом в недостаточной степени исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции синтеза.

Таким образом, исследование перспективных ядерных реакций синтеза, инициируемых при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

1.2. Цели диссертационной работы

Основные цели работы заключались в следующем:

1. Создание специализированного лазерного комплекса для исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме в составе: модернизированной пикосекупдпой лазерной установки «Неодим» 10 ТВ т мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мишени 2x1018 Вт/смг, системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.

2. Разработка методик проведения экспериментов по исследованию перспективных ядерных реакций D(d, л)3Не, 6Li{d, «)4Нс, 3Нс(г/, /7)4Не, пВ(/л За), 7Li(/7, а/Не, протекающих в лазерной пикосекупдпой плазме.

3. Оптимизация условий генерации высокоэнергетичных заряженных частиц, инициирующих ядерные реакции, в том числе перспективные ядерные реакции синтеза в лазерной пикосекундной плазме.

4. Доказательство возможности инициирования перспективных ядерных реакций синтеза D (d, л)3Не, 6Li(d, of Не, 3He(rf,/>)4Не, иВ(р, За), 7U(p, а)4 Не при взаимодействии лазерных импульсов с интенсивностью / » 101S Вт/см2 с твердотельными мишенями.

1.3. Научная новизна

1. Впервые проведено инициирование перспективных ядерных реакций синтеза ^LiÇd, сс)4Не, 3Не(с?, ¿>)4Не, иВ(р, За), 7Li(p, а)4Не при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

2. Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании D (d, я)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.

3. Впервые проведено инициирование перспективной ядерной реакции синтеза D(î/, л)3Не в пикосекундной лазерной плазме с использованием малоплотных р = 10 40 мг/см3 мишеней на основе дейтерированного пенополиэтилена.

4. Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого лазерного импульса на выход нейтронов при инициировании D (d, л)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.

5. Определены оптимальные значения для параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, для параметров мишени и геометрии эксперимента, при которых возможно значительно увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной пикосекундной плазме.

6. Обнаружено, что начиная с интенсивности 1018 Вт/см2 в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный «хвост», отвечающий генерации быстрых ионов с температурой около 350 кэВ.

7. Впервые в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности лазерного излучения 2х1018 Вт/см2 проведено инициирование фотоядерных реакций 9Ве(У, п)2а, шТа(У, и)шТа с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1,67 МэВ и 7,56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 7Li(р, л)7Be, 63Cu(р, п)вгZn, 48Ti(p, «)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. Впервые зарегистрированы плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов фтора в лазерной пикосекундной плазме, свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

1.4. Практическая ценность работы

1. Результаты работы по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза могут найти примеиение при разработке новых схем быстрого поджига

в инерциальном термоядерном синтезе с использованием перспективных ядерных топлив.

2. Созданный специализированный лазерный комплекс ЮТВт мощности позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых технологий, связанных с генерацией быстрых заряженных частиц и инициированием перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

3. Результаты работ позволяют существенно расширить фронт исследования ядерных реакций, в том числе перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме за счет привлечения лазерных установок К ЮТВт мощности с интенсивностью на уровне 1018 Вт/см2, количество которых в научных и учебных институтах (университетах) значительно больше, чем количество крупных лазерных установок с мощностью ЮОТВт + ШТВт и интенсивностью 1019 Ю20 Вт/см2.

4. Результаты работ по разработке методик диагностики лазерной плазмы использовались при создавши в НИИИТ (г. Москва) многоканальной автоматизированной системы диагностики для обеспечения исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме в ведущих научных центрах Росатома,

5. Результаты работы могут найти применения в следующих направлениях науки и технологии:

- исследование ядерных реакций, в т.ч. синтеза, протекающих в условиях высоких (более 109 К) температур, плотностей (более 102 г/см3), магнитных полей (более 108 Гс) с разработкой и созданием новых наукоемких технологий, прежде всего энергетических;

- экспериментальные исследования ядерных реакций, протекающих па астрофизических объектах путем моделирования соответствующих условий на созданной лазерной установке;

- исследование и создание основ энергетических технологий на базе безнейтронных (экологически чистых) реакций синтеза ядер;

- создание высокоинтенсивных источников нейтронов, электронов, заряженных ионов пикосекундной длительности для целей диагностики различных веществ и их состояний;

- диагностика лазерной плазмы, созданной при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями;

- технология производства радиоактивных изотопов.

1.5. Защищаемые положения

1. Созданный специализированный лазерный комплекс в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения па мишени 2х ю'8 Вт/см2, системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы позволяет проводить исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме.

2. Созданные методики проведения экспериментов позволяют проводить исследования по инициированию перспективных ядерных реакций синтеза

я)3Не, 6Li(i/, а)4Не, 3Нe(d, pfНе, nB(p, 3d), 7Li(р, а)4Не в лазерной плазме на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов, а-частнц - продуктов выхода данных ядерных реакций.

3. При взаимодействии интенсивных (2х1018 Вт/см2) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза T>(d, «)3Не, 6Li(d, а)4Не, 3He(d, p)4Re, "В(р, За), 7Ы(р, а)4Не с выходом продуктов ядерных реакций 103 -МО5 частиц за один лазерный импульс.

4. Выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза D(d, и)3Не с использованием твердотельных (CD?.),, мишеней с р » 1 г/см3 уменьшается при интенсивности наносекундного предымнульса более 1012 Вт/см2 и при интенсивности более 1013 Вт/см2 для пикосекундкого предымпульса, опережающего основной импульс на 13 не. При использовании мишеней из дей-терированного пенополиэтилена с плотностью р = 10 40 мг/см3 выход нейтронов уменьшается при интенсивностях предымпульсов, превьшгаго-щих пороги плазмообразования на поверхности мишени.

5. Искажение спектра чирлированного лазерного импульса в процессе усиления приводит к уменьшению выхода нейтронов - продуктов ядерной реакции синтеза D{d, л)3Не.

6. В плазме, создаваемой гшкосекундиым лазерным импульсом с интенсивностью 2х1018 Вт/см2, генерируются электроны и у-кванты с максимальной энергией 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 кэВ, ионы с температурой 350 кэВ.

7. При взаимодействии интенсивных (2х1018 Вт/см2) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования фотоядерных реакций 9Вп)2а, 181Та(и л)'80Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 7Li(р, 3Cu(p, л)63Zn, 48Ti(p, n)ASV с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. В плазме, создаваемой пикосекуидными лазерными импульсами умеренной интенсивности (около 1017 Вт/см2), генерируются сильные плазменные колебания с частотой ш = (0.7+1.0)xl0ls с"1, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

1.6. Достоверность работы

Достоверность основных научных результатов подтверждается применением надежных методов диагностики атомных и ядерпых процессов в лазерной пикосекуидиой плазме и апробированных вычислительных методов. Полученные в экспериментах данные там, где это возможно, сравнивались с результатами других авторов и известными теоретическими моделями. Все сравнения дали положительный результат.

1.7. Апробация работы и публикации

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в ФИАН, ЙОФРАН, МГУ, ВНИИЭФ. Кроме этого, основные результаты представленных в диссертации, исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:

- XXVI - XXVIII, XXXIII, XXXIV Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1999, 2000, 2001,2006 и 2007 годы);

- American Physical Society Topical Conference on Atomic Processes in Plasmas, USA, Reno, Nevada, March 19-23,2000;

- V Международном симпозиуме по радиационной шшмодинамике, Москва, май 2000г;

- XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2001), Minsk, Belarus, June 26 - July 1,2001;

- International Quantum Electronics Conference (IQEC2002), Moscow, Russia, 2002;

- XVII European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM2002) Memorial to Nobel Price Winner, Academician N.G.Basov, Moscow, Russia, 2002;

- 31th European Physical Society Conference on Plasma Physics, London, England, 28th June - 2nd July 2004;

- 32st European Physical Society Conference on Plasma Physics, Tarragona, Spain, June 27-July 1,2005;

- Fourth International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications (IFSA2005), Biarritz, France.

По теме диссертации опубликовано 47 работ в реферируемых научных изданиях, в том числе 28 статей в отечественных и зарубежных научных журналах (из них 17 статей в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК) и 19 статей в сборниках и трудах конференций и более 50 тезисов докладов.

1.8. Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 247 страницах, включает 82 рисунка, 15 таблиц и списки литературы (по частям, общее число ссылок 211, включая пересекающиеся).

1.9. Личный вклад автора

Результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его непосредственном участии.

Автор активно принимал участие в выборе направления в целом. Ему принадлежит постановка задач и определение способов их решения. Разработка методик измерений, постановка экспериментов и их проведение, обработка и анализ результатов проводились под руководством и при непосредственном участии автора.

Экспериментальные исследования выполнялись па модернизированной лазерной установке «Неодим», созданной под руководством начальника отдела ФГУП ЦНИИмаш Беляева B.C. В создании установки «Неодим» 1 ТВт мощности принимали участие сотрудники Институ та лазерной физики Государствеп-

ного оптического института (г. С.-Петербург). Модернизация лазерной установки «Неодим» с увеличением мощности лазерного излучения с 1 ТВт до 10 ТВт и увеличением интенсивности лазерного излучения с 1017 Вт/см2 до 2х] О18 Вт/см2 осуществлялась под руководством и при непосредственном участии автора. В разработке и создании системы диагностики лазерной плазмы принимали участие сотрудники НИИ импульсной техники (г. Москва). В проведении циклов экспериментальных исследований принимали участие сотрудники Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва), ВНИИ физи-ко-техиических и радиационных измерений (г. Менделеев о Московской области) и ФГУП ЦНИИмаш (г. Королев Московской области).

Автор принимал участие в теоретическом обосновании постановки экспериментов, в проведении теоретических оценок и интерпретации полученных экспериментальных результатов.

В теоретических исследованиях принимали участие сотрудники Московского физико-технического института (Государственного университета) (г. Долгопрудный Московской области), Института ядерного синтеза Российского научного центра "Курчатовский институт" (г. Москва), Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (г. Москва), Института общей физики им. A.M. Прохорова РАН (г. Москва), Объединенного института высоких температур (г. Москва) и ФГУП ЦНИИмаш (г. Королев Московской области).

Всем, принимавшим участие в выполнении работы, автор выражает свою искреннюю признательность.

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении приведен обзор современного состояния развития мощных лазеров и результатов исследований, проводимых с использованием таких лазеров, показана актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, приводятся научная новизна, практическая ценность работы, приведены защищаемые положения и дается краткая аннотация содержания глав.

В первой главе приводится описание созданного лазерного комплекса для исследования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, состоящего из пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт уровня мощности, системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы. Схема пикосекундной лазерной установки «Неодим» приведена на рис. 1. При расчете схемы лазерной установки было учтено влияиие основных факторов, которые ограничивают получение максимальной интенсивности при усилении, распространении и фокусировке снорхкоро'псих лазерных импульсов, таких как: разрушение оптических элементов лазерной установки, мелкомасштабная самофокусировка, насыщение усиления и аберрация фокусирующих элементов лазерной установки [4].

Лазерная установка «Неодим» создана по хорошо известному принципу усиления фазомодулированных (чирпированных) импульсов [5] и состоит из трех функциональных частей: стартовой системы, усилительного тракта и компрессора, Стартовая система формирует чирпированный лазерный импульс с энергией до 4 мДж длительностью 300 пс. В состав ее входят задающий генератор на неодимовом фосфатном стекле ГЛС-22 с пассивной синхронизацией мод

—— / и ^ а ,

>

15

Рис. 1. Схема лазерной установки "Неодим". 1 - задающий генератор; 2 - стретчер; 3 -регенеративный усилитель; 4 - предусилитель 06х 110 мм2; 5 - усилительный факт из четырех усилителей; б - компрессор; 7 - фокусирующая система; 8 - котировочный лазер; 9 - изоляторы Фарадея; 10 - ячейки Поккельса; 11 - частично пропускающее зеркало; 12, 13 - система измерения спектра чирпированного импульса; АЦ- - апертурные диафрагмы; Г/ - вакуумные пространственные фильтры;

М - мишень; ВК - вакуумная камера; ССР! - ПЗС-матрицы.

и отрицательной обратной связью, стретчер на основе двух дифракционных го-лографичсских решеток и телескопа между ними, регенеративный и малоапер-турный усилители на неодимовых фосфатных стеклах ГЛС-22, Дальнейшее усиление импульса происходит в четырехкаскадном усилительном тракте с периодической пространственной фильтрацией и ретрансляцией изображения пучка. Пучок с выхода усилительного тракта поступает на вход компрессора, который состоит из двух покрытых золотом топографических дифракционных решеток с размерами 200x350 мм (1700 штр/мм). Компрессор работает в однопроходном режиме. Угол падения на решетки равен 65° и близок к углу Лит-трова. Расстояние между решетками составляет 4 м для однопроходного режима работы компрессора. Эффективность компрессора составляет 80%.

На выходе компрессора проводились измерения энергии, длительности, спектра, контраста лазерного импульса (отношения интенсивности лазерного импульса к интенсивности предымпульса) во временном диапазоне от 1 пс до 20 не и распределение излучения в ближней и дальней зонах. Система диагностики лазерного излучения состоит из измерителей энергии, автокоррелятора, спектрокоитроллера, измерителей расходимости излучения, контроллера размера пятна фокусировки и измерителей величины контраста излучения для различных временных интерналов.

Генерируемое лазерное излучение установки "Неодим" характеризуется наличием предымпульсов двух типов: пикосекундной и наносекундной длительности. Наличие первого предымпульса связано с многопроходным характером усиления в регенеративном усилителе и конечным пропусканием ячейки Пок-кельса в таком усилителе. Предымпульс возникает за 13 нсек до основного импульса, имеет длительность 1.5 нсек. Контраст лазерного излучения по интенсивности относительно первого предымпульса составляет величину > 108.

Второй предымпульс является результатом люминесценции, усиленной в регенеративном усилителе и последующими каскадами лазерных усилителей. Длительность предымпульса усиленной люминесценции составила 4 не. Контраст лазерного излучения по интенсивности относительного второго предымпульса составляет величину > 108.

Если не принимать специальные меры, возможно появление предымпульсов пикосекундной длительности за десятки пикосекунд перед основным импульсом. Причины их появления связаны с импульсами, возникающими при отражении от поверхности оптических элементов лазерной установки и с остаточными импульсами задающего генератора, совершившими полный обход по резонатору регенеративного усилителя. Для контроля величины предымпульсов за десятки пикосекунд перед основным импульсом и контроля качества лазерного пучка использовалась методика, основанная на регистрации спектра чир-пированного импульса на входе и выходе усилительного тракта [6]. С помощью этой методики удается обнаружить такие предымпульсы, выявить причину их появления и убрать их, что было сделано на установке "Неодим".

Результаты измерений показали, что на выходе установки лазерный пучок диаметром 120 мм имеет энергию импульса до 10 Дж при длительности 1.5 пс. Лазерное излучение с выхода установки направляется в вакуумную мишенную камеру, где фокусируется на мишень под углом 40° к нормали мишени с помощью внеосевого параболического зеркала в пятно диаметром 15 мкм, обеспечивая при этом интенсивность на мишени на уровне 2x1018 Вт/см2.

При разработке системы диагностики лазерной плазмы использовался опыт создания методов диагностики высокотемпературной плотной лазерной плазмы в ведущих научных институтах России, таких, как Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН [7], Институт общей физики им. А.П. Прохорова РАН [8], ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений [9].

Система диагностики лазерной плазмы состоит из: рентгеновских спектрографов с пространственным разрешением 10 мкм и спектральным разрешением Х/АХ не хуже 5000, высокочувствительного активационного детектора нейтронов на основе реакции И51п(п, у)11б1п с чувствительностью для импульсного потока нейтронов с энергией 2.5 МэВ равной 5 отсчстов/(н/см2), двух детекторов нейтронов на основе 3Не счетчиков с чувствительностью регистрации нейтронов около 50%, детекторов нейтронного и у-излучения на базе стильбеновых и пластмассовых сцинтиллятров с чувствительностью к у-излучеиию с энергией Ег ~ 2.82 МэВ на уровне Ю"9 (Клхсм2)/кнант и временным разрешением 10 не, трековых детекторов С11-39 и рентгеновской стрик-камсры с временным разрешением 2 пс.

Система диагностики лазерной плазмы обеспечивает:

1. Регистрацию нейтронного излучения при выходе из источника 101 108 нейтронов за импульс.

2. Оценку энергетического распределения нейтронного излучения в диапазоне 100 кэВ -т-10 МэВ.

3. Регистрацию выхода и оценку спектра гамма-излучения с энергией свыше 100 кэВ.

4. Регистрацию и оценку энергетического распределения протонов и ионов;

5. Регистрацию спектрального состава рентгеновского излучения в диапазоне энергий от 0.6 кэВ до 5 кэВ.

6. Оценку пространственного распределения рентгеновского излучения на мишени с пространственным разрешением не хуже 10 мкм.

7. Измерение длительности мягкого рентгеновского излучения с энергией в диапазоне 0.1 10 кэВ с временным разрешением 2 псек.

Общая схема системы диагностики лазерной плазмы представлена на рис. 2.

Рис. 2. Общая схема системы диагностики лазерной плазмы М - мишень; ВК - вакуумная камера; О - окно вакуумной камеры; 3 - внеосевое параболическое зеркало; ЛИ - лазерное излучение; D1-D4 - сциитилляционныс детекторы нейтронов и у-излучепия; D5, D6 - детекторы нейтронов на основе гелиевых счетчиков; D7 - активаци-онный детектор нейтронов; D8-D10 - трековые детекторы CR-39; Dil - рентгеновский спектрограф или стрик-камсра. Детекторы Dl - D6, D8 - D10 расположены в плоскости XY.

Во второй главе представлены основные результаты по генерации быстрых заряженных частиц при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

Целями проведения экспериментальных исследований было: 1) определение максимальной энергии быстрых электронов, протонов и ионов, температуры (средней энергии) электронов, протонов и ионов; 2) исследование ускорения протонов с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу (т.е. наружу мишени), ускорение протонов с передней поверхности вглубь ее и ус-

корение протонов с тылыюй поверхности мишени (фольги) наружу; 3) исследование пространственного распределения пучков протонов, ускоренных с тыльной поверхности различных металлических фольг; 4) исследование возможности инициирования различных (у,; л), (р, п) ядерных реакций.

В качестве мишеней использовались плоские пластинки из Ве, ПР, Та, Си, Т1, фторопласта толщиной от 1 мм до 30 мм и фольги из А1, Си, Т1 толщиной от 1 мкм до 100 мкм. Диагностика быстрых электронов осуществлялась по регистрации жесткого рентгеновского излучения плазмы.

Для исследования генерации МэВ-ных у-квантов были выбраны фотоядерные реакции 9Ве(х, п)2а с пороговой энергией для у-квантов 1.67 МэВ и: |8|Та(/, п)180Та с пороговой энергией для у-квантов 7.56 МэВ. Использовались два типа мишеней. Первая мишень представляла собой составную мишень из ТаВе, состоящую из первичной Та миигени толщиной 1 мм, в которой генерируются у-кванты, и вторичной активациониой мишени из Ве толщиной 8 мм для инициирования 9Ве(у, п)2а реакции. Вторая мишень представляла собой пластину из Та толщиной 30 мм, которая выполняла роль и первичной мишени для генерации у-квантов, и вторичной для инициирования 181Та(/, п)шТз. реакции.

Результаты экспериментов показали, что при использовании обеих мишеней регистрируются нейтроны. Учитывая, что в результате воздействия лазерного импульса генерируется около 105 нейтронов на ТаВе мишени и около 10 нейтронов на Та мишени, было получено, что на ТаВе мишени генерируется около 10® у-квантов с энергией свыше 1.67 МэВ и на Та мишени генерируется около 102 у-квантов с энергией свыше 7.56 МэВ. Полученное с помощью активациониой методики количество у-квантов с энергией свыше 1.67 МэВ, равное 109, хорошо согласуется с данными, полученными с помощью сцинтилляционных детекторов у-излучения. Из данных по количеству у-квантов при энергиях 1.67 МэВ и 7.56 МэВ в предположении, что распределение быстрых электронов по анергии является максвелловскям, была получена оценка температуры быстрых, электронов, равная Те и 300 кэВ.

Для детектирования протонов и измерения их энергетического спектра использовались трековые детекторы С11-39 размером 24x20 мм2 с фильтрами из-А1 различной толщины (11-80 мкм), позволяющими перекрывать энергетический интервал для протонов 0.8 + 3 МэВ. Трековые детекторы располагались перед и за мишеныо на расстоянии 20 мм по нормали к поверхности мишени.

Также для детектирования протонов, определения их количества и максимальной энергии использовались вторичные активационные мишени из 1лР, Си, 'П, имеющие различные пороговые энергии для [р, «)-реакций: 1.88 МэВ для реакции 7У(р, л)7Ве, 4.1 МэВ для реакции бзСи(р, п)аЪп и 5 МэВ для реакции 48Т1(р, п) V

Результаты экспериментов по исследованию различных механизмов генерации быстрых протонов с использованием Т1 фольги толщиной 30 мкм показали, что количество ускоренных протонов с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, имеющих энергию свыше 1.88 МэВ, составило величину 2x107; количество ускоренных протопоп с тылыюй поверхности

мишени наружу составило величину 4х108 и количество ускоренных протонов с передней поверхности мишени вглубь ее составило величину 4x107. Таким образом, результаты экспериментов показали, что наиболее эффективно процесс ускорения протонов происходит в случае ускорения протонов с тыльной стороны поверхности мишени наружу.

Из измеренных спектров быстрых протонов (рис. 3) следует, что распределение быстрых протонов по энергии соответствует максвелловскому распределению с температурой 180 кэВ для протонов, ускоренных с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, с температурой 500 кэВ для протонов, ускоренных с тыльной поверхности мишени наружу и с температурой 250 кэВ для протонов, ускоренных с передней поверхности мишени вглубь ее.

А

, О Д - дайны« по триковым детекторам

• Д.М -данные поэктошщионной

Рис. 3. Спектры быстрых протонов для различных механизмов ускорения. I-ускорение протонов с передней поверхности мишени навстречу лазерному лучу (Ti,30 мкм) П - ускорение протонов с тыльной поверхности мишени наружу (Ti, 30 мкм) III - ускорение протонов с передней поверхности вглубь ее (LiF, 6 мм)

Результаты экспериментов показали, что существует оптимальная толщина мишени, при которой протоны, генерируемые с тыльной поверхности мишени наружу, имеют максимальную энергию. На рис. 4 представлены результаты экспериментов по определению максимальной энергии протонов для мищеней из AI различной толщины от 2.5 мкм до 100 мкм, полученные как с использованием трековых детекторов CR-39 с AI фильтрами различной толщины, так и с использованием активационной методики. Из графика видно, что существует оптимальная толщина AI мишени, равная 10 мкм, при которой генерируются протоны с максимальной энергией 5 МэВ. Отметим, что максимальная энергия протонов, ускоренных с передней поверхности мишени навстречу лазерному импульсу, и протонов, ускоренных с передней поверхности мишени вглубь ее, составляет величину » 2 МэВ, что значительно меньше величины максимальной энергии протонов, ускоренных с тыльной поверхности, равной 5 МэВ.

1 ISS 10 20 M 50 100 d, мим

Рис. 4. Зависимость максимальной энергии протонов Ермлксог толщины d Al фольги,

Результаты экспериментов по исследованию пространственного распределения пучков протонов за тыльной поверхностью металлических фольг показали, что пучки протонов распространяются по нормали к мишени и угол отклонения протонов уменьшается для протонов большей энергии, при использовании мишеней с большей толщиной и с большим атомным номером атомов мишени. В данном разделе проведено сопоставление полученных экспериментальных результатов по генерации быстрых заряженных частиц при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями с известными теоретическими моделями (см. обзор [28*] и [10]), которые показали достаточно хорошее согласие при интенсивности лазерного излучения 2х1018 Вт/см2.

Результаты по ускорению быстрых ионов, генерируемых в лазерной пико-секундной плазме, основаны на измерениях доплеровских спектров водородо-подобных ионов фтора. В экспериментах регистрировалась область спектра излучения лазерной плазмы, соответствующая линии Lya водородоподобного иона фтора. На рис. 5 приведены результаты измерений (кружки) при длительности импульса 1.5 не и энергии 10 Дж, соответствующие пиковой интенсивности 2* И)18 Вт/см2. Для сравнения треугольниками показаны также результаты предыдущих измерений профиля линии Lya при энергии импульса 1.5 Дж и интенсивности 2x10 7Вт/см2. Результаты измерений при интенсивности 2х1018 Вт/см2 демонстрируют наличие более широких крыльев линии Ьуа, что свидетельствует о более эффективной генерации быстрых ионов с энергией до 1 МэВ и выше.

Для интерпретации результатов измерений и определения энергетических параметров плазмы наблюдаемый контур линии моделировался с учетом доп-лсровского, штарковского уширения и оптической толщины плазмы. Для описания наблюдаемых крыльев линии учитывались вклады от двух групп ионов, характеризуемых температурой 7inl (промежуточные ионы) и T^i (быстрые ионы) и АЛ,, - систематический сдвиг, учитывающий наблюдаемую асимметрию крыльев линии. Относительные вклады ионов разных групп в выход излучения, характеризуемые константами Л и В, также как значения параметров Тш, Tjml и A/t* подбирались из соображений наилучшего согласия модельного контура лй-

нии с результатами измерений. Результаты аппроксимации представлены на рис. 5. Им соответствуют значения параметров ГЛ„ = 35 кэВ, Т/т = 350 кэВ, Л=0.17 и В=0.052. Сдвиг АЛ,,, воспроизводящий наблюдаемую асимметрию линии, соответствует энергии иона, равной 25 кэВ. Крылья линии, полученные при измерениях с энергией импульсов 1.5 Дж, практически полностью определяются ионами с Т/и/ = 35 кэВ, тогда как при энергии импульса 10 Дж далекое крыло соответствует значительному вкладу быстрых ионов, в том числе с энергией 1 МэВ и выше.

Распределение быстрых ионов по энергиям, полученное из расчета и извлеченное из эксперимента, показано на рис. б. Экспериментальные точки получены вычитанием из наблюдаемого контура линии симметричного вклада от тепловых и промежуточных ионов.

Рис. 5. Экспериментально наблюдаемый контур линии Ьуа иона РIX в плазме, создаваемой лазерным импульсом с длительностью (= 1.5 пс и энергией Е = 10 Дж (кружки) и Е=\.5 Дж (треугольники). Сплошная кривая - результат расчета с учетом доплеровского уширения при

температуре ионов 71=3 кэВ и штарковского уширения при плотности электронов ■МгЧО21 см"3, с дополнительным учетом ионов с Гы^ЗЗ кэВ (Л=0.17) и 7>М1=350 кэВ (5=0.052).

Рис. б. Распределение быстрых ионов фтора по энергии. Кружки - ионы, движущиеся к мишени (красное крыло линии), треугольники - ионы, летящие от мишени (синее крыло). Сплошные кривые рассчитаны но зависимости: Ш1&Е=Вац>\-М{у-Уа)г12Т[лЛ}, где V - скорость иона в направлении наблюдения, Муо2/2=25 кэВ, 7>а!|=350 кэВ.

О

1.491 1,496 1.49» 1.503 1.507 1.511 X, НМ

0.06

100 300 300 700 900 1100 1300 ¡¡I, эВ

Наблюдаемая асимметрия синего и красного крыла линии объясняется пространственной анизотропией разлета быстрых ионов лазерной плазмы.

В разделе 2.3 представлены результаты экспериментов по измерениям рентгеновских спектральных линий ионов при взаимодействии гопсосекундных лазерных импульсов умеренной интенсивности (2x1017 Вт/см2) с твердотельной мишенью на установке «Неодим». Наблюдались спектры рентгеновского излучения линии Lya водородоподобного иона фтора. Обнаружены сателлиты спектральных линий, свидетельствующие о наличии интенсивных плазменных колебаний. Положите сателлитов и расстояние между ними позволяет связать их с интенсивными электростатическими колебаниями с амплитудой превышающей 108 В/см и частотой вблизи 7x10 с", заметно меньшей частоты лазерной волны 0ЛАЗ ~ 1.8х] О15 с"1. Высказывается предположение, что эти колебания могут быть обусловлены сильной турбулентностью плазмы, связанной с развитием колебаний типа берштейновских мод в сильном магнитном поле, генерируемым в плазме. Результаты экспериментов сопоставляются с данными расчетов спектров многозарядных ионов. Подробный теоретический анализ модификации спектра излучения линии Lya ионов FIX, обусловленной действием двух электрических полей: ионного микрополя F и осциллирующего поля E(t)-Eacoscot выполнен Гавриленко В.П. и представлен в статье [14*]. Из рис. 7 видно, что наблюдаемые профили линий могут быть хорошо описаны расчетами, учитывающими наличие осциллирующих электрических полей.

Отметим, что экспериментально регистрируемые профили линии несколько отличаются от расчетных в коротковолновых крыльях. Это связано с наличием

в плазме быстрых ионов, движение которых в сторону спектрографа и должно приводить к увеличению коротковолновых крыльев спектральных линий. Наличие быстрых ионов не учитывалось в теоретической модели, что и обуславливает различие теоретических и экспериментальных профилей ца рис. 7.'

В главе 3 представлены результаты по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной пикбсекундной пдазме при интенсивности лазерного излучения 2х10)8 Вт/см2.

Для определения выхода нейтронов использовались детекторы Д5 и Д6 на гелиевых счетчиках и ажтивационяый детектор Д7 (рис. 2). Детектор Д5 располагался по касательной к поверхности мишени на расстоянии 25 см от нее, а детектор Дб располагался за мишенью на расстоянии от 50 см до 10.5 м. Актива-ционный детектор Д1 располагался на расстоянии 22 см над мишенью. Для детектирования протонов и а-частиц, являющихся, продуктами ядерных реакций синтеза, приметались детекторы Д8 -Д\0 на основе трековых детекторов СЯ-39 (площадь поверхности от 0.5 до 3.0 см2) с фильтрами из алюминия различной 'толщины - от 11 м1см до 1.1 мм. Детекторы располагались в вакуумной камере под различными углами (от 0° до 85°) к нормали мишени, и на различных расстояниях (от 1.8 до 2.5 см) от мишени. Использование детекторов с фильтрами из алюминия различной толщины позволяет оценить энергию и определить тип детектируемых частиц, а расположение детекторов под различными углами дает возможность оценить их угловое распределение.

■ Калибровка детекторов С11-39 была проведена с помощью протонного пучка ускОритёля Ван-де-Граафа (Ер - 0.75 - 3.0 МэВ), стандартных «-источников (Еа = 0,4-7.7 МэВ) и пучка циклотрона (Еа = 8-30 МэВ) в НИИЯФ МГУ. После облучения проводилось травление детекторов в растворе 6М ИаОН в Н20 при 70°С в течение 7 ч. На рис. 8 представлены результаты калибровки, т.е. зависимости диаметров й треков протонов и а-частиц от их энергии Е, Просмотр детекторов проводился на микроскопном комплексе ПАВИКОМ в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.

0?, мкм

О А 8 12 1Й 20 24 28 32 а- частицы 1 2 3 4 5 6 7 8 'протоны (р)

Е, МчП

Рис. 8. Зависимость диаметров треков а-частиц и протонов от их энергии.

Первичная реакция Б + Б имеет два практически равновероятных экзотер-.. мических канала: •

о + О; 3Не + п + 3.27 МэВ (1)

Б + Б 3Н + 4.03 МэВ (2)

В результате ядерной реакции (1) генерируются нейтроны с энергией. 2.45 МэВ. Регистрация таких нейтронов использовалась при исследовании протекания реакции Б (¡5?, и)3Не в лазерной пшсосекундной плазме. Отметим, что впервые такие нейтроны были зарегистрированы в лазерной пикосекундной плазме с использованием ЫБ мишени в ФИАН в 1968г. [11], что явилось прямым экспериментальным доказательством возможности лазерного нагрева плазмы до термоядерных температур.

В качестве мишеней в наших экспериментах использовались плоские пластинки из дейтерированного. полиэтилена (Ср2),, толщиной от 100 до 500 мкм. При исследовании выхода перспективных ядерных реакций синтеза проводилось до 10 серий экспериментов (от 5 до 10 экспериментов в каждой серии).

1 ти —г- -—.......—-Т" " / 11 ■■■' 1

мшн

Рис. 9. Осциллограммы импульсов от детекторов нейтронного получения на гелиевых счетчиках Д5 и Д6 (верхний луч - с аналогового выхода детектора Д6, расположенного на расстоянии 10.4 м от (СОг^-мнщени, нижний луч - с аналогового выхода детектора Д5, расположенного в 25 см от мишени).

■ .Масштаб по горизонтали - 40 мкс/дол., по вертикали - 0.2 В/дел.

На рис. 9 приведены осциллограммы импульсов от детекторов нейтронного излучения на'гелиевых Счетчиках Д5 и Д6, полученные при регистрации нейтронов при интенсивности"лазерного излучения 2 х Ю'8 Вт/см2. Учитывая телесный угол регистрации нейтронов и эффективность регистрации нейтронов детекторами Д5 и Дб было получено, что выход нейтронов составил (1±0.3)х10'5 нейтронов в 4тс ср. за один лазерный импульс. Одновременно сцинтилляцион-пые детекторы Д2 и ДЗ зарегистрировали нейтроны с энергией около 2.5 МэВ при использовании времлпролетной методики. Активационный детектбр Д7 также зарегистрировал около 105 нейтронов зга один лазерный импульс;

Реакции синтеза Б> "и в -мишени носят йнЬгоступейчатый разветвляющийся характер, причем со сравнимыми вероятностями'синтезируется целый ряд'изотопов легких элементов. В первом поколении идут семь экзотермиче-. ских реакций Р + ''1.л:

4Не +4 Не +22.37 МэВ, 71л + р +5,03 МэВ

7 1л* + р + 4.55 МэВ В+67Ве+л + 3.38МэВ (3)

7ВеЧп +2.95 МэВ 4Не + Т + р + 2.56МэВ 4Не+3 Не + и + 1,80МэВ

Кроме того, идут две реакции Б + В (1), (2).

Для исследования была выбрана одна из реакций первого поколения:

Б + 61л —> 4Не + 4Не + 22.37 МэВ (4)

сЕа~ 11 МэВ (средняя энергия а -частиц).

Для детектирования ионов - продуктов ядерных реакций (4) применялись трековые детекторы СВ.-39 с фильтрами из А1 фольги толщиной 33, 44, 55 и 66 мжм. Поскольку предполагалось зарегистрировать продукты реакции (4) на фоне остальных реакций Б + 6Ы, а также на фоне реакций Б + V (1), (2), то такой набор фильтров позволит четко выделить а-частицы с Еа ~11 МэВ. Согласно [12], а-частицы с начальной энергией Еао =11 МэВ после прохождения А1 фильтров толщиной 33, 44, 55 и 66 мкм будут иметь энергии 7.4, 5.8, 4.8 и 1.5 МэВ соответственно. Поскольку а-частицы вылетают из толстой мишени, они имеют значительный разброс по энергии, а их треки - разброс по диаметрам.

В качестве основных мишеней использовались композитные мишени [(С02)„ + 61л] и [(СБ2)я + б1лС1] с содержанием б1л до 10% по весу, а в качестве контрольных (фоновых) - мишени из (СБ2)„ и композитная мишень [(СН2)„ + б1л], В качестве контрольных (фоновых) мишеней выбирались мишени с составом, близким к составу основной мишени, но с отсутствием атомов одного из участвующих в ядерной реакции синтеза элемента. Таким образом, при использовании основной мишени трековые детекторы СК-39 регистрируют потоки заряженных частиц - продуктов ядерной реакции синтеза (4), а при использовании контрольных (фоновых) мишеней детекторы СК-39 регистрируют в том же спектральном диапазоне потоки заряженных частиц, которые являются фоном. Поток а-частиц - продуктов реакции (4) при данной толщине А1-фильтра оценивался по формуле:

и» = (МЬ-^ха/е (5)

где ЛЬ - число треков на один см3 детектора при использовании основных мишеней; Л/ф - число треков на один 1 см2 в детекторах при использовании контрольных (фоновых) мишеней; - площадь поверхности детектора; е - геометрическая эффективность регистрации а-частиц.

Распределения диаметров треков для детекторов 03.-39 с А1-фильтрами различной толщины для одной из серий экспериментов приведены на рис. 10, где распределение, полученное с использованием основной мишени, представлено в виде светлых гистограмм, а распределение, полученное с использованием контрольных (фоновых) мишеней - в виде темных гистограмм.

А/Тр/см2

11 12 с*, мкм

11 12 С?, мкм

Рис. 10. Распределения диаметров треков для детекторов СЯ-39 с Л1-фильтрами толщиной

33 (я), 44 (б), 55 (в) и 66 мкм (г). Светлые гистограммы получены с использованием основной мишени [(С02)„+ темные гистограммы - с использованием контрольных (фоновых) мишеней (С03)„ и [(СН2)„ + бЦ].

Из распределений видно, как с возрастанием толщины А1-фильтра область диаметров треков, где зарегистрировано превышение сигнала над фоном, постепенно смещается вправо, т.е. диаметры треков увеличиваются и, следовательно, энергия регистрируемых заряженных частиц уменьшается. Из сравнения с ожидаемыми энергиями и соответствующими, согласно калибровке, диаметрами треков следует, что зарегистрированные треки действительно принадлежат а-частицам с энергией—11 ± 1 МэВ. Средний поток а-частиц-продуктов реакции (4) в телесный угол 4я ср на один выстрел составил (2±0.6)х103.

Ядерная реакция В + 'Не считается условно безнейтронной. Первичными реакциями в такой гелий-водородной смеси являются процессы

В + 3Не -> 4Не + р + 18.34 МэВ (6)

3Не + 3Не 4Не + 2р+ 12.86 МэВ (7)

и две реакции В + Б (1), (2). Следует отметить, что скорость реакции (7) при ионной температуре плазмы 100 кэВ примерно па два порядка ниже скорости реакции (б). Для исследования была выбрана реакция (6), при протекании которой генерируются сс-частицы с энергией 3.67 МэВ и протоны с энергией 14.67 МэВ. Для детектирования ионов — продуктов реакции (б) применялись трековые детекторы С11-39 с А1 фильтрами толщиной 11 и 1150 мкм.

В качестве основной мишени использовалась мишень Т1В3Не, которая представляет собой пластину из Т1 (толщиной 500 мкм), в которую на ускорителе (V- 300 кэВ) на глубину ~1 мкм были имплантированы ионы 3Не с образованием слоя толщиной около 0.5 мкм с максимальной концентрацией 3Не порядка 5 х Ю2г см"3. После этого мищеиь Тл3Не была электролитически прогид-

рироваиа ионами Б на глубину мкм. В качестве контрольных мишеней использовались мишени (СВ2)П и тЛ-1е толщиной 400 и 500 мкм соответственно.

Распределения диаметров треков для детекторов С11-39 с А1-фильтром толщиной 1150 мкм для одной из серий экспериментов приведены на рис. 11а. Для детектора с использованием основной мишени получен поток протонов - продуктов реакции (6) на уровне 2 х 103 в 4л за один выстрел. На распределении видно превышение над фоном в области 4.8-^-6.0 мкм, которое можно объяснить регистрацией протонов с энергией 14±1 МэВ.

Для детектора с использованием основной мишени с А1-фильтром толщиной 11 мкм (см. распределение на рис. 11 б) получен поток а-частиц - продуктов реакции (6) на уровне 3 х 103 в 4к ср. за 1 лазерный импульс. На распределении видно превышение над фоном в области 10-И1 мкм, которое можно объяснить регистрацией а-частиц с энергией 3.5±0.5 МэВ. Таким образом, в данной серии зарегистрированы продукты реакции (6) на уроне 2 х 103 + 3 х 103 в

g -

12 13

d, мкм

Рис. II. Распределения диаметров треков для детекторов CR-39 с А1-фильтрами толщиной 1150 (а) и 11 мкм ((5). Светлые гистограммы получены с использованием основной мишени TiD3He, темные гистограммы - с использованием контрольных (фоновых) мишеней (CD2)„ и

Ti3He мишеней.

Для реакции р + ИВ в первом поколении возможны две реакции:

р + ПВ 34Не + 8.68 МэВ, (8)

р + "в -> у + 12С + 15.96 МэВ, (9)

вторая из которых, впрочем, сильно подавлена. Источником нейтронов может явиться пороговая реакция иВ(р, п)пС, для инициирования которой необходимы протоны с энергией Ер > 3 МэВ.

В ходе экспериментов по инициированию реакции !1В(р, За) при интенсивности лазерного излучения 1018 Вт/см2 использовались композитные мишени [В + (СН2)„] толщиной 300 и 500 мкм с содержанием ПВ 10% + 50% по весу. В качестве контрольных (фоновых), мишеней использовались мишени из полиэтилена (СН2)„ толщиной 400 мкм. Для детектирования а-частиц - продуктов реакции (8) применялись трековые детекторы CR-39 с А1 фильтрами толщиной 6, 11 и 22 мкм.

В реакции (8) наряду с а-частицами со средней энергией 2.9 МэВ возникают гакже и другие группы а-частиц, энергия которых составляет 6 -s- 10 МэВ и определяется состоянием компаунд-ядра. По результатам измерений в случае детекторов с А1-фильтром толщиной 6 мкм превышения эффекта над фоном не зарегистрировано. Это объясняется повышенным уровнем фона, т.е. проникновением через фильтр посторонних ионов, треки которых могут иметь близкие с греками исследуемых а-частиц диаметры.

В случае детекторов с А1-фильтром толщиной 11 мкм зарегистрировано превышение эффекта над фоном в выбранном диапазоне диаметров треков а-частиц. По результатам измерений с использованием детекторов, покрытых А1-фольгой толщиной 11 мкм, были построены распределения диаметров треков для мишеней [В + (СН2)„] и (СН2)„, приведенные на рис. 12а. На распределении различимы пики при d = 7.8 - 8.6 мкм (Еа -6^8 или 0.3 ч- 0.4 МэВ) и d = 9.8 ■*■ 10.0 мкм (Еа ~ 4 или 0.8 МэВ). Широкий пик наблюдается также при d = 10.8 + 12.0 мкм (Еа ~ 1 -г- 3 МэВ). Наличие пиков в распределении свидетельствует о эмиссии моноэпергетичных а-частиц с энергией Еа> 3 МэВ, образующихся при слиянии В + р и отвечающих различным состояниям компаунд-ядра,

Более точное измерение энергии а-частиц можно провести с учетом данных, полученных для детекторов с А1-фильтром толщиной 22 мкм (см. распределение на рис. 126). На этом распределении остался только один небольшой пик при d = 7.8 мкм (Еа ~ 7.5 МэВ). С учетом потерь энергии в слое 22 мкм первоначальную энергию а-частиц можно оценить как Еа ~ 10 МэВ. Некоторое превышение над фоном наблюдается также при d = 10 + 11 мкм {Еа = 2.5 -4-3.0 или 0.9 4-1.5 МэВ). Первоначальная энергия а-частиц в этом случае составляет 6.4 ч- 6.7 или 5.5 + 5.7 МэВ, Исчезновение пиков, наблюдавшихся на рис. 12а^ свидетельствует о том, что они соответствовали а-частицам с энергией 3 -н 5 МэВ. По совокупности данных можно предположить, что наблюдались а-частицы с энергиями около 3.4 ± 0.4, 4.0 ± 0.4, 5.6 ± 0.3 и 10 ± 1 МэВ со средним выходом а-частиц (5±2)х103 в 4тi ср. за один лазерный импульс. При проведении экспериментов не были зарегистрированы нейтроны детекторами на гелиевых счетчиках.

с/, мкм

Рис. 12. Распределения диаметром треков для детекторов с А1-фильтрами толщиной 11 (а) и 22 мкм (б). Площадь детекторов на рис. а - 3 ем2; на рис, 6-1,5 см2. Светлые гистограммы получены с использованием мишени [В+(СН2)и], темные гистограммы - с использованием

мишени (СТЪ),,.

Для реакции р + 71л в первом поколении возможны две реакции:

р + 7Ц -> 24Не +17.3 МэВ, (10)

р + 7У 7Ве + п. (11)

Источником нейтронов может явиться пороговая реакция (11), для инициирования которой необходимы протоны с энергией Ер > 1.88 МэВ. Для исследования была выбрана реакция (10) со средней энергией а-частиц Еа~ 9 МэВ.

Для детектирования ионов - продуктов ядерной реакции (10) применялись трековые детекторы СЯ-39 с фильтром из А1-фольги толщиной 33, 44 и 55 мкм. При этом эффект ожидается только на детекторах с А1-фидьтрами толщиной 33 и 44 мкм, поскольку пробег а-частиц в алюминии при Еа ~ 9 МэВ составляет 51 мкм. В качестве основной мишени использовалась мишень из 1лР толщиной б мм (1л содержит около 92% 71л), а в качестве контрольной — композитная мишень [6Ы + СН2] толщиной 100 мкм.

idlll л il

8

10

ml

11 12 tf, мкм

Рис. 13. Распределения диаметров треков для детекторов с Al-фильтрами толщиной 33 (а) и 44 (б). Светлые гистограммы получены получены с использованием основной мишени LiF, темные гистограммы - с использованием контрольной мишени [6Li + (СИ2)„].

На рис. 13 приведены распределения диаметров треков для детекторов с А1 фильтрами толщиной 33, 44 и 55 мкм. Из распределений видно, как с увеличением толщины А1-фильтра с 33 до 44 мкм пик, отвечающий а-частицам сЕа~9 МэВ, сместился из области 8.6 9.4 мкм в диапазон 10,8 -s- 11.8 мкм. При увеличении толщины А1-фильтра до 55 мкм пик исчез. Таким образом, поток а-частиц с энергией 9+1 МэВ составил величину на уровне (2.5±0.5) х 103 в 4л ср. за один лазерный импульс.

В разделе 3.3. приведены результаты расчета выхода перспективных ядерных реакций синтеза с использованием модели пучок-мишень (ядерные реакции на лету) [13-16]. В табл. 1 представлено сопоставление экспериментальных и расчетных результатов по выходу ядерных реакций синтеза в лазерной пико-сскундной плазме при интенсивности лазерного излучения 2x1018 Вт/см2.

Из табл. 1 видно, что расчетные и экспериментальные выходы ядерных реакций в целом находятся в удовлетворительном согласии.

Таблица 1.

Реакция Мишень Выход реакции

Экспериментальный Расчетный

D + D->3Не + и-1-3.27МэВ (CD2)„ 105 7 х 104

D + 6Li -> "Не + "Не + 22-37 МэВ [(CD2)„ + cLÍ] 2x103 2 х 103

D + 3Не 4Не + р + 18.34 МэВ TiD3I-Ie 3x103 5 х 103

/; + "В —> 34Не -I- 8.68 МэВ [В + (СН2)„] 5х103 10"

р + 7LÍ -> 24Нс + 17.3 МэВ LiF ЗхЮ3 7 х 1Q3

В главе 4 приведены результаты по экспериментальному исследованию влияния предымпульсов различной длительности, спектрального состава лазерного импульса, плотности мишени на выход нейтронов при инициировании £>((1, и)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме, а также результаты анализа по возможности оптимизации выхода ядерных реакций синтеза.

В последнее время опубликован ряд работ (см. литературу в [25*]) по генерации нейтронов в лазерной плазме на поверхности твердотельных (СО)„ и (СБг),, мишенях с использованием лазерного излучения со сверхкороткой длительностью импульса т ~ 35 фс -г- 1.5 пс и интенсивностью в диапазоне 10к' + 1019 Вт/см2. Почти все эксперименты были выполнены с использованием лазерных импульсов, которые имеют существенные предымпульсы различной длительности с интенсивностью предымпульсов свыше порох'ов образования плазмы на мишени. Однако систематического исследования влияния контраста лазерного излучения на протекание термоядерных 0(<1,п)3Не реакций в лазерной пикосекундной плазме проведено не было. В этой связи было проведено экспериментальное исследование влияния предымпульсов различной длительности на выход нейтронов в лазерной пикосекундной плазме.

На рис. 14 схематично представлены различные типы предымпульсов, возникающие при усилении сверхкоротких лазерных импульсов на установке "Неодим". Контраст лазерного излучения по интенсивности относительно первого предымпульса менялся в экспериментах в диапазоне 103-Ч09, К2 в диапазоне КУМО9, Кт, в диапазоне 10°-Н04. Меняя длину резонатора регенеративного усилителя молено сдвигать по времени третий предымпульс и после проведения экспериментов по влиянию третьего предымпульса на выход нейтронов данный импульс был передвинут за основной импульс, чтобы не оказывать влияние при исследовании других типов предымпульсов.

Основной импульс

ЮДж 1.6 ПС

1

I

^ «1.5пс

■ т Л Г& .

..........4 ••

13нс

г,-4не

(}"1.бпе

ЛГ3 = 10°-104

И1„

11нс 9нс

7нс

5нс

-10'

III,

2Бпс

I

наносекундныи диапазон

пикосекундный диапазон

Рис. 14. Схематичное представление предымпульсов, возникающих при усилении сверхкороткого лазерного импульса. I. Импульс, связанный с многопроходным характером усиления и регенеративном усилителе и из-за конечного пропускания ячейки Поккельса п регенератишгам усилителе;

II. Импульс усиленной люминесценции;

III. Остаточные импульсы задающего генератора и импульсы, гюзникающие при отражении от поверхности оптических элементов

Измеряя спектр чирпированиого импульса на входе и выходе усилительной системы, можно определить параметры предымпульса в пикосекундяом временном интервале, а также контролировать изменение формы спектра чирпированиого импульса при усилении. Результаты экспериментов по измерению выхода нейтронов на (СВ2)„ мишенях показали, что при увеличении контраста К л сЗхЮ до 104 происходит увеличение выхода нейтронов с 2х104 до 105.

Принципиально другая ситуация возникает, если происходит искажение спектра чирпированиого импульса в процессе усиления импульса вследствие развития мелкомасштабной самофокусировки. В этом случае генерация нейтронов отсутствует.

В данном разделе также представлены результаты по исследованию влияния на выход нейтронов других типов предымпульсов. Показано, что влияние пикосекундного предымпульса (за 13 не до основного импульса) на выход нейтронов незначительно. Влияние же наносекундного предымпульса на выход нейтронов оказалось значительным. Как видно из рис. 15а выход нейтронов начинает быстро уменьшаться при величинах контраста К2 меньше 10б и падет до О при Кг равном 104. При этом и коэффициент отражения лазерного излучения в апертуру фокусирующей оптики возрастает значительно. Следует обратить

ю" ю° ю» ю' ю" ю" ю'0 к2 ш ш ,и ,и ™ 1и "г

Рис. 15. Зависимость выхода нейтронов У„ от величины контраста .Ка при ЛГ1=109 (а) и зависимость коэффициента отражения Я лазерного излучения в апертуру фокусирующей оптики от Кг (б). Мишень - (СБг),,, р » 1 г/см3.

внимание, что в данном случае преплазма возникает при Кг< 10 , т.е. существуют условия (712=10б + 109), при которых преплазма не оказывает влияния на выход нейтронов.

Влияние наносекундного предымпульса на нейтронный выход может быть обусловлено рядом эффектов, среди которых наиболее существенным представляется рассеяние основного лазерного импульса на плазме, образованном предымпульсом из-за вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюена (ВРМБ). Результаты проведенных экспериментальных исследований по влиянию предымпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании В (г/, «)3Не реакции в лазерной пикосекундной плазме достаточно хорошо согласуются с результатами численного моделирования процессов взаи-

модействия пикосекундных лазерных импульсов с мишенями с учетом влияния предымпульсов, выполненных с помощью программы КАРГО-ЭР [17],

Кроме твердотельных (СВ2)„ - мишеней мы использовали также мишени из дейтерированного пенополиэтилена с плотностью р = 10 -т- 40 мг/см\

На рис. 16 представлены результаты экспериментов с использованием пенных дейтерированных мишеней. При проведении экспериментов меняли контраст К\ относительно пикосекундного предымпульса с 104 до 109 при постоянном наносекундном предимпульсе с Кг = Ю9. Оказалось, что при /= 2хЮ18 Вт/см2 на пенных дейтерированных мишенях генерируются нейтроны с максимальным выходом на уровне 105, близким к выходу на твердотельных (СБ2)п мишенях. Но в отличие от твердотельных (СБ2)П - мишеней с плотностью р я 1 г/см3 выход нейтронов на пенных мишенях существенно зависит от контраста К\ относительно пикосекундного предымпульса. Уже при контрасте К| <107 (т.е. при интенсивности предимпульса больше порога плазмообразова-ния) выход нейтронов резко падает и равен 0 при К) = 104. В свою очередь, коэффициент отражения начинает резко возрастать при К\ < 107. Такое поведение

Рис. 16. Зависимость выхода нейтронов Уп от величины контраста К] при Кт. = 109 (а) и зависимость Я от Ki (б). Мишень - (CD2)„, /?»10+40мг/см3.

может быть обусловлено тем, что при интенсивности предымпульса больше порога плазмообразования начинает сказываться унос материала. Действительно, размер фокальной перетяжки лазерного пучка составляет около 10 мкм и если унос материала превысит это значение, то интенсивность основного лазерного импульса на поверхности мишени будет падать.

В разделе 4.4 приведены результаты анализа по оптимизации выхода перспективных ядерных реакций синтеза.

Как известно, ускорение частиц, ответственных за ядерные реакции, определяется параметрами лазерного излучения и мишени [28*]. К таким параметрам относятся: интенсивность, длина волны, длительность и поляризация лазерного импульса, контраст, определяющий параметры преплазмы, состав и структура мишени, геометрия экспериментов и т.д. Следовательно, этими же параметрами будет определяться и выход ядерных реакций синтеза.

Действительно, при увеличении интенсивности с 1018 Вт/см2 до уровня 1019 + 1020 Вт/см2 ira два-три порядка возрастает количество быстрых частиц и па один-два порядка возрастает эффективная температура быстрых частиц. Как

показываю"' наши оценки, выход перспективных ядерных реакций синтеза в таком случае может увеличиться на три-четыре порядка.

Как следует из сравнения данных, приведенных в литературе [18], с результатами наших экспериментов, выход ядерных реакций синтеза D(fi?, п)3Не возрастает более чем на порядок при увеличении длительности лазерного импульса с фемтосекундиого (50 + 160 фс) до пикосекундного (1.3 + 1.5 пс) диапазона длительностей, а уменьшение длины волны лазерного излучения с 1.06 до 0.8 и

0.53.мкм приводит к уменьшению выхода ядерной реакции синтеза D(ii, п)3Не. Выход нейтронов уменьшается при наличии предымпульса пикосекундной

длительности с интенсивностью более 1013 Вт/см2 и при наличии предымпульса наносекундной длительности с интенсивностью более 1012 Вт/см2. Искажение спектра чирпированиого импульса после прохождения усилительного тракта может значительно уменьшить выход ядерной реакции синтеза D(d, nf Не.

Что касается поляризации лазерного импульса и геометрии воздействия, то результаты наших экспериментальных исследований показывают, что максимальный выход ядерной реакции синтеза D(d, гс)3Не достигается при использовании р-лоляризации лазерного импульса и угле падения лазерного излучения на мишень, равном 40° ± 10°. Переход на я-поляризацию лазерного импульса уменьшает выход данной ядерной реакции синтеза примерно в 2 раза.

Использование двухслойных мишеней из (CD2)n толщиной 20 и 100 мкм с зазором 40 мкм увеличивает выход реакции D(d, «)3Не на порядок.

Увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза можно также при оптимизации состава и структуры мишени.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы.

Основные результаты и выводы:

В диссертации решена актуальная научная проблема - инициирование перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, имеющая большую научную, практическую значимость и народнохозяйственное значение. Основные полученные в диссертации результаты сводятся к следующему.

1. Разработан, и создан специализированный лазерный комплекс для исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме, состоящий из модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мишени 2><101S Вт/см2, системы диагностики параметров лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.

2. Разработаны, созданы и отработаны методики проведения экспериментов по исследованию перспективных ядерных реакций D(J, n)3He, 6Li(rf, а)4Не, 3Iie(i/, /;)4Не, "В(р, За), 7Li(р, а?Не в лазерной пикосекундной плазме на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов и а-чартиц -продуктов выхода данных ядерных реакций.

3. Доказана возможность инициирования перспективных ядерных реакций синтеза D(d, и)3Не, (,U{d, а)"Не, 3He(ci, р/Не, ПВ(р, За), 7Li(р, «)4Нс при взаимодействии лазерных импульсов с интенсивностью I = 2x10 Вт/см с

твердотельными мишенями. Выход продуктов ядерных реакций синтеза составил 103 ч- ю5 частиц в полный телесный угол за один лазерный импульс. Теоретически рассчитанные выходы данных реакций синтеза с использованием модели пучок-мишень находятся в разумном соответствии с экспериментальными результатами.

4. Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза D(d, л)3Не в лазерной пнкосекундной плазме на поверхности твердотельной (р « 1 г/см3) (CD2)„ мишени. Показано, что пикосекундный предымпульс, опережающий основной на 13 не, уменьшает выход нейтронов при интенсивности пре-дымпульса более 10 Вт/см2, а наиосекундный предымпульс - при интенсивности более 1012 Вт/см2. Максимальный выход нейтронов с энергией 2.45 МэВ составил 105 нейтронов в полный телесный угол за один импульс.

5. Обнаружено влияние пикосекундного предымпульса, опережающего основной на 13 не, на выход нейтронов при инициировании D(t/, я)3Не ядерной реакции в лазерной ликосекундной плазме с использованием малоплотных (р= 10 + 40 мг/см3) мишеней из дейтерированиого пенополиэтилена. Показано, что пикосекундный предымпульс уменьшает выход нейтронов при интенсивности предымпульса более 10" Вт/см2. Максимальный выход нейтронов с энергией 2,45 МэВ составил 105 нейтронов в полный телесный угол за один лазерный импульс.

6. Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого чиртгароваиного лазерного импульса на выход нейтронов при инициировании D(d, п)3Не реакции в лазерной пнкосекундной плазме. Показано, что в случае искажения спектра лазерного импульса в процессе усиления, вследствие развития мелкомасштабной самофокусировки и/или наличия предымпульсов пикосс-кундной длительности за десятки пикосекунд до основного импульса, выход нейтронов в лазерной плазме уменьшается.

7. На основе экспериментальных и теоретических исследований показано, что при оптимизации параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, параметров мишени и геометрии эксперимента можно увеличить выход ядерных реакций синтеза на несколько порядков.

8. Показано, что в плазме, создаваемой пикосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 2x1018 Вт/см2, генерируются электроны и у-кванты с максимальной энергией около 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 к:>В, Наиболее эффективно процесс ускорения протонов происходит в случае ускорения протонов с тыльной стороны поверхности мишени наружу, при этом существует оптимальная толщина А1 мишени, равная 10 мкм, при которой генерируются протоны с максимальной энергией 5 МэВ. Пучки протонов распространяются по нормали к мишени и угол отклонения протонов уменьшается для протонов большей энергии, при использовании мишеней с большей толщиной и с большим атомным номером атомов мишени.

9. Показано, что при взаимодействии интенсивных (2х1018 Вт/см2) пикосе-кундпых лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования фотоядерных реакций 9Ве(^, п) 2а, 181Та(/, п)'80Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 11л(р, п)1 Бе, 6 Си(р, n)63Zn, ™Ti(p, «)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

10. Сравнение наблюдаемых доплеровских контуров спектральных линий ионов фтора при различных интснсивностях лазерного излучения позволяет сделать вывод о том, что начиная с интенсивности 10IS Вт/см2 в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный «хвост», отвечающий генерации быстрых ионов с энергией до 1.4 МэВ и температурой 350 кэВ. Обнаружено также направленное движение быстрых ионов вглубь мишени, зарегистрированное прямыми измерениями красного смещения доплеровского профиля лаймановской линии водородоподобного иона фтора.

11. Зарегистрированы спектры многозарядиых ионов фтора в плазме пикосе-кундных лазерных импульсов умеренной интенсивности (около 1017 Вт/см2), свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения. Положение сателлитов и расстояние между ними позволило связать их с интенсивными электростатическими колебаниями с амплитудой Е = (4+6)х108 В/см и частотой вблизи й>= (0.7-И.0)х1015 с"1.

Список основных публикаций

1*. Matafonov А.Р., Bclyaev V.S., Golovin A.F., Kolyadin S.A. Spectroscopic Diagnostics of a Magnesium Plasma Produced by Short Laser Pulses // Laser Physics, v.3, No.5, p.l024-1029 (1993).

2*. Матафонов А.П., Федюшин Б.Т., Головин А.Ф., Беляев B.C. Порош плаз-мообразования при облучении твердых мишеней лазерными импульсами длительностью ~ 10 'п и 10"'° с (длина волны X = 1,06 мкм) // Квантовая электроника, т.25, Ns6, с.550-554 (1998).

3*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Курилов A.C., Матафонов А.П., Пакулев A.B., Яшин В.Е. Использование метода спектральной интерферометрии чирпированных импульсов для измерения параметров излучения сверхкороткой длительности Н Квантовая электроника, т.ЗО, №3, с.229-235 (2000).

4*. Горбачев С.Ф., Матафонов А.П., и др., Компактный УФ спектрометр для зондовых исследований верхних слоев атмосферы // Оптический журнал, т.67, № 3, с.74-79, (2000).

5*. Матафонов А.П., Колесников В.Н., Павлычева Н.К., Рахимов З.В., Фуни-коп А.Н., Поляничснко A.B., Южакова И.П., Компактный спектрометр "Сириус-УФ" // Журнал Наука производству, ФИАН, № 12(37), с. 14-15 (2000).

6*. Bryunetkin В.А., Belyaev V.S., Matafonov А.Р., Demchcnko N.N., Rozanov V.B., Vergunova G.A., Ivanov E.M. Radiative losses of the plasma at the inter-

action of ultra-short laser pulse with matter // Jom. of Russian Laser Research, v.22, No.5, p.383-402 (2001).

7*. Foumier K.B., A.Ya. Faenov, T.A. Pikuz, I.Yu. Skobelev, V.S. Belyaev, V.I. Vinogradov, A.S. Kyrilov, A.P. Matafonov, 1, Bellucci, S. Martellucci, G. Pet-rocelli, T. Auguste, S. Hulin, P. Monot, and P. D'Oliveira. Influence of optical thickness and hot electrons on Rydberg spectra of Ne-like and F-likc copper ions // Phys. Rew. E, v.67, p.016402 (2003).

8*. Магуиов А.И., Пикуз T.A., Скобелев И.Ю., Фаенов А.Я., Беляев B.C., Виноградов В.И., Курилов А.С., Матафонов А.П. О роли предымпульса при нагреве твердотельных мишеней мощным пикосекундным лазерным импульсом//ЖЭТФ, т. 123 (5), с.1019-1026 (2003).

9*. Foumier К,В., Faenov A.Ya., Pikuz Т.А., Magunov A.I., Skobelev I.Yu., Belyaev V.S., Vinogradov V.I., Kyrilov A.S., Matafonov A.P., Flora F., Bollanti S., Lazzaro P.Di., Murra D., Reale A., Reale L., Tomassetti G., Ritucci A., Francucci M., Martellucci S., Petrocelli G. Identification and precise wavelength measurements ofhigh-n transition inN-, O- and F-like Zn ions // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. v.36, p.3787-3796 (2003).

10*. Fourier K.B., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Skobelev I.Yu., Flora F., Bollanti S., DiLazarro P., Murra D., Grilli A., Reale A., Tomasetti G„ Ritucci A., Belucci I., Martellucci S., Petrocelli G., Auguste Т., Hilin S., Monot P., D'Oliveira P., Belyaev V.S., Vinogradov V.I., Kyrilov A.S. and Matafonov A,P. Rydberg transition in the spectra of near-neon-like Cu and Zn ions in different laser-produced plasmas: Observation and modeling // J. of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, v.81, p.167-182 (2003).

11*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Курилов A.C., Матафонов А.П., Лисица B.C., Гаврилешсо В.П., Фаенов А.Я., Пикуз Т.А., Скобелев Ю.И., Магунов А.И., Пшсуз С.А. мл. Плазменные сателлиты рентгеновских спектральных линий ионов в плазме твердотельных мишеней, нагреваемых пикосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ, т.78, вып.11, с.1216-1220

(2003).

12*. Fourier К.В., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Magunov A.I., Skobelev I.Yu., Flora F., Bollanti S., DiLazarro P., Murra D., Belyaev V.S., Vinogradov V.I., Kyrilov

A.S. and Matafonov A.P. Analysis of high-и dielectronic Rydbrg satellites in the spectra of Na-like Zn XX and Mg-like Zn XXI // Phys. Rev. E. v.70, p.016406

(2004).

13*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Курилов A.C., Матафонов А.П., Андрианов

B.П., Игнатьев Г,II. Генерация нейтронов в лазерной пикосекундной плазме при интенсивности излучения 10 Вт/см2 // ЖЭТФ, т. 125, вып.6, с. 12951301 (2004).

14*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Курилов А.С., Матафонов А.П., Лисица B.C., Гавриленко В.П,, Фаенов А.Я., Пикуз Т.А., Скобелев И.Ю., Магунов А.И., Пикуз С.А. мл. Плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов в пикосекундной лазерной плазме // ЖЭТФ, т. 126, вып.4(10), с. 819-832 (2004).

15*. Матафонов А.П. Плазменные сателлиты спектральных линий ионов в пикосекундной лазерной плазме // Труды VIII Международной иаучно-

технической конференции "Оптические методы исследования потоков", Москва, с.474-477 (2005). 16*. Belyaev V.S., Kurilov A.S., Matafonov А.Р., Vinogradov V.T., Lisitsa V.S., Gavrilenko V.P., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Scobelev I.Yu., Magunov A.I., Pi-kuz S.A. Jr. Detection and analysis of strong oscillating electric fields in a picosecond laser plasma with the help of plasma satellites of X-ray spectral lines // Contrib. Plasma Phys. v.45, No.3-4, p.169-176 (2005). ' '

17*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Матафонов А.Г1., Крайнов В.П., Лисица

B.C., Фаенов А.Я., Пикуз Т.А., Скобелев Ю.И., Магуиов А.И., Пикуз мл.

C.А.. Андрианов В.П., Игнатьев Г.Н., Кожунов Ю.И., Козлов О.Е., Чекма-рев A.M. Эффективная температура и направленное движение быстрых ионов в лазерной пикосекундной плазме // Письма в ЖЭТФ, т.81, вып.12, с.753-757 (2005).

18*. Belyaev V.S., Matafonov А.Р., Vinogradov V.I., Krainov V.P., Lisitsa V.S., Roussetski A.S., Ignatyev G.N., Andrianov V.P. Observation of neutronless fusion reactions in picosecond laser plasma // Phys. Rev. E, v.72, p.026406

(2005).

19*. Belyaev V.S., Vinogradov V.I., Matafonov A.P., Chekmarev A.M., Karabadz-hak A.G. Effect of the spectral distribution of a chirped pulse on the interaction of the high-power laser radiation with matter // Laser Physics, v.16, No.3, p.477

(2006).

20*. Matafonov A.P. Experimental study of nuclear processes in the presence of su-perstrong fields of a picosecond laser plasma // Laser Physics, v. 16, No.6, p.985-997 (2006).

21*. Матафоиов А.П. Диагностика высокотемпературной пикосекундной лазерной плазмы // Материалы V Российского семинара "Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды", Москва, МИФИ, с. 14 (2006). 22*. Belyaev V.S., Matafonov А.Р., Vinogradov V.I., Garanin S.G., Borisenko N.G., Chekmarev A.M., Demchenko N.N., Gromov A.L, Gusrkov S.Yu., Khalenkov

A.M., Merkulrev Yu.A., Rozanov V.B., Andrianov V.P., Ignat'ev G.N,, Mar-kushkin Yu.E. and Pimenov V.G. Composition, density and structure dependent neutron yields from deuteratcd targets in high-intensity laser shot // J. Phys. IV Francc, v.133, p.507-509 (2006).

23*. Belyaev V.S., Faenov A.Ya., Magunov A.I., Matafonov A.P., Pikuz T.A., Pikuz S.A. Jr., Skobclev I.Yu. and Vinogradov V.I. Directed inward beams of ions in laser produced plasma//J. Phys. IV France, v.133, p.525-527 (2006). 24*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Матафонов А.П., Крайнов В.П., Лисица.

B.C., Фаенов А.Я., Андрианов В.П., Игнатьев Г.Н., Кожунов Ю.И., Козлов, О.Б. Генерация нейтронов на Ве-мишени в лазерной пикосекундной плазме // Ядерная физика, т.69, №6, с.947-952 (2006).

25*. Belyaev V.S., Vinogradov V.I., Matafonov А.Р., Krainov V.P., Lisitsa V.S., Andrianov V.P., Ignatyev G.N. Effect of prepulses with various durations on the neutron yield in laser picosecond plasma // Laser Physics, v.16, No.12, p.1647-1657 (2006).

26*. Матафонов А.П. Экспериментальные исследования термоядерных реакций в лазерной пикосекундной плазме // Космонавтика и ракетостроение, вып.4(45), с.98-104 (2006).

27*. Gavrilenko V.P., Belyaev V.S., Knrilov A.S., Matafonov A.P., Vinogradov V.I., Lisitsa V.S., Faenov A.Ya., Pikuz T.A., Skobelev I.Yu., Magunov A.I., Pikuz Jr. S.A. X-ray-line plasma satellites of ions in a dense plasma produced by a picosecond laser pulse // J. of Phys. A: Mathematical and General, v.39(17), p. 43534358, (2006).

28*. Беляев B.C., Крайнов В.П., Лисица B.C., Матафонов А.П. Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей ггри взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями // Услехи физических наук, т. 178, №8, с.823-843 (2008).

29*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Матафонов А.П., Крайнов В.П., Лисица B.C., Андрианов В,П., Игнатьев Г.Н., Меркульев Ю.А., Бушуев B.C., Громов А.И. Генерация у-квантов и протонов МэВных энергий в лазерной пикосекундной плазме//Ядерная физика, т.71, No.3, с.466-477 (2008).

30*. Беляев B.C., Виноградов В.И., Матафонов А.П., Рыбаков С.М., Крайнов В.П., Лисица B.C., Андрианов В.П., Игнатьев Г.Н., Бушуев B.C., Громов А.И., Русецкий А.С., Дравин В.А. Инициирование перспективных реакций синтеза в лазерной пикосекундной ллазме // Ядерная физика, т.72, вып. 7, с.1121 (2009).

Цитируемая литература

1. Basov N.G., Gus'kov S. Yu., Feoktistov L.P. I.CF targets with direct heating of the ignitor. Book of Proceedings, 21-st European Conference on Laser Interaction with Matter, Warsaw, Poland, October 21-25, 1991, ed. H. Fieodorowich et al., p. 189-191,(1991).

2. Basov N.G., Gus'kov S.Yu., Feoktistov L.P // J of Soviet Laser Research V.13, p.396-399 (1992).

3. Tabak M., Hammer J., Glinsky M.E, et al. // Phys. Plasmas, Vol. 1(5), p.1626-1634(1994).

4. Мак A.A., Соме Л.Н., Фромзель B.A., Яшин В.Е. Лазеры па исодимовом стекле - М. Наука (1990).

5. Андреев А.А., Мак А.А., Яшин В.Е. Генерация и применение сверхсильных лазерных полей // Квантовая электроника, том 24(2), с,99 (1997).

6. Ваньков А.Б., Козлов А.А., Чижов С.А., Яшин В.Е. // Оптика и спектроскопия, том 84, с.94 (1990).

7. Басов Н.Г., Захаренков Ю.А., Рупасов А.А., Склизков Г.В., Шиканов А.С., "Диагностика плотной плазмы", ред. Басов Н.Г. - М. Наука, 368с. (1995).

8. Взаимодействие лазерного излучения сверхвысокой интенсивности с плазмой, Труды ИОФ РАН, т. 50, отв. ред. Коробкин В.В. М. Наука-Физматлит, 186с. (1995).

9. Брюнеткин Б.А., Калашников М.П., Никлое П.В., Скобелев И.Ю., Фаенов А.Я., Хахалин С.Я., Шшорер М. Рентгеновская диагностика плазмы, нагреваемой лазерными импульсами пикосекундной длительности // Квантовая электроника т.20(6) с.619-622 (1993).

10. Андреев С.Н., Тараканов В.П. Ускорение электронов и протонов в сверхсильном лазерном поле: расчеты и модели // Физика плазмы (2009) (в печати).

11. Басов Н.Г., Захаров С.О., Крюков П.Г. и др. // Письма в ЖЭТФ, т.8, вып.1, с.26-29 (1968). 2

12. Физические величины. Справочник, под ред. КС. Григорьева, Е.З. Мейли-хова. - М. Энергоиздат (1991).

13. Гамалий Е.Г., Гуськов С.Ю., Крохин О.Н., Розанов В.Б. О возможности измерения характеристик лазерной плазмы по нейтронам ДТ-реакций // Письма в ЖЭТФ, т.21, №2, с.156-158 (1975).

14. Гуськов С.Ю., Розанов В.Б. Кинетика термоядерных частиц в лазерной плазме // Труды ФИАН, т.134, с.115-152 (1982).

15. Gus'kov S.Yu., Il'in D.V., Levkovsky A.A., Rozanov V.B., Sherman V.E., Vy-godsky O.B. Monte-Carlo simulation of fusion kinetic processes used to evaluate diagnostic technique for laser target plasma // Laser and Particle Beams, v. 16, No.l, p.129 (1998).

16. Крайнов В.П., Смирнов Б.Н., Смирнов М.Б, Фемтосекундное возбуждение кластерных пучков // УФН, т. 177(9), с.953 (2007).

17. Demchenko N.N. and Rozanov V.B. Simulation of hydrodynamic phenomena caused by pre-pulse in picosecond laser-plasma interaction, ECLIM 2002 // Proc. SPIE v.5228, p.427 (2003).

18. Madison K.W., Patel P.K., Allen M. et al. // Phys. Rev. A, v.70, p.053201 (2004).

Формат 60x84 1/16. Усл. печ, л. 1,8. Зак. №6176. Тир. 150 экз. ФГУП ЦНИИМАШ г. Королев

Введение.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В последние годы прогресс в исследованиях физических свойств вещества под действием сверхинтенсивного электромагнитного излучения был непосредственно связан с созданием и развитием импульсных лазеров суб-пикосекундной длительности, основанных на принципе усиления чирпи-рованного импульса. Развитие нового поколения твердотельных лазеров привело к уникальным условиям облучения лазерных мишеней в диапазонах длительностей импульса 10 — 1000 фс, интенсивностей 1017 1021 Вт/см2, пиковых значений мощности 10+ 1000 ТВт. При этих условиях лазерное излучение достаточно эффективно трансформируется в потоки быстрых электронов и ионов, взаимодействие которых с веществом мишени приводит к генерации рентгеновского и жесткого гамма-излучения, различным ядерным и фотоядерным реакциям, чего нельзя было достичь при использовании импульсов нано- и субнаносекундной длительности с энергией в десятки джоулей. В результате формируемая фемто- и пикосекунд-ная лазерная плазма является своеобразным "настольным" импульсным "микроускорителем" и "ядерным микрореактором", отличающимся относительной компактностью, к которому не предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. Такой источник допускает относительно простую возможность управления энергетическими и другими параметрами корпускулярного и электромагнитного излучений.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований можно определить следующие диапазоны изменения параметров образующейся лазерной плазмы: температура электронов составляет -1 — 10 кэВ, температура быстрых электронов ~ 0.1 - 10 МэВ (с максимальной энергией свыше 100 МэВ), температура быстрых протонов и ионов - от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ (с максимальной энергией протонов до 60 МэВ и ионов свыше 400 МэВ), величина пондеромоторного давления 1 ^ 50 Гбар, амплитуды электрического и спонтанного магнитно

О | о го полей ~ 10 — 10 В/см и ~ 1 -ь 700 МГс соответственно. Энергии высо-коэнергетичных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, генерация позитронов, (р, п) ядерные реакции и т.д.

Исследование ядерных реакций синтеза в лазерной плазме проводилось одновременно с бурным« развитием самой лазерной физики, где достаточно

17 18 быстро произошел переход от умеренных интенсивностей — 10 -^-10

19 212

Вт/см к более высоким интенсивностям Ю1*- 10" Вт/см , соответствующим релятивистским условиям движения электронов создаваемой плазмы. При этом ядерные реакции синтеза в области умеренных интенсивностей ~1018 Вт/см2 не были достаточно подробно исследованы. В то же время исследование ядерных реакций синтеза в данной области интенсивностей представляет несомненный интерес, по крайней мере, в трех отношениях: для установления законов подобия по выходу ядерных реакций синтеза в зависимости от интенсивности лазерного излучения; для эффективного * инициирования ядерных реакций синтеза, обладающих резонансами сечений как раз в той области энергий частиц, ускоряемых лазерным излучением, которая соответствует указанным умеренным интенсивностям; из-за относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок, обеспечивающих интенсивности излучения ~1018 Вт/см2, по сравнению с крупными лазерными установками 100 ТВт 1 ПВт мощности, обеспечивающими интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1019 — 1021 Вт/см2.

Среди реакций синтеза наибольший интерес вызывают реакции синтеза, перспективные для использования в управляемом термоядерном синтезе (УТС): D{d, я)3Не, 6U{d, а)4Не, 3Нe(dt р)4Не, пВ(р, За), 7U(p, dfНе, у которых основное энерговыделение идет в заряженных частицах (что сильно упрощает утилизацию этой энергии), а нейтронные потоки ослаблены по сравнению с реакцией Т(4, и)4Не, используемой в традиционной схеме УТС. Схема управляемого синтеза на реакции Т(с/, и)4Не является лишь этапом, позволяющим продемонстрировать саму возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза. Анализ возможности использования перспективных ядерных реакций синтеза в схеме УТС с магнитным удержанием приводит к весьма жестким требованиям к соответствующим плазменным параметрам ввиду больших значений ионной, температуры (свыше 100 кэВ), требуемой для по джига таких ядерных реакций. В то же время, в плазме, создаваемой лазерами ПВт мощности, которые могут использоваться в схемах быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [1-3], возможно»достижение требуемых столь высоких температур ионов. Однако до последнего! времени в плазме, создаваемой мощными-лазерами, из перечисленных выше перспективных ядерных реакций- синтеза экспериментально исследовалась только^ одна реакция* синтеза и)3Не. При этом- в недостаточной' степени исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции* синтеза.

Таким образом, исследование перспективных ядерных реакций синтеза, инициируемых при взаимодействии^ интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

Цели диссертационной работы

Основные цели работы заключались в следующем: 1. Создание специализированного лазерного комплекса для исследования перспективных ядерных реакций синтеза, в лазерной-плазме в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мише-18 2 ни 2x10» Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.

2. Разработка методик проведения, экспериментов по* исследованию! перспективных ядерных реакций 0(с!, п)ъНе, 6Ы(с1, а)4Не, 3Не(й?, р)4Не, пВ(р, За), 7Ь 1(р, а)4Не, протекающих в лазерной пикосекундной плазме.

3. Оптимизация условий генерации высокоэнергетичных заряженных частиц, инициирующих ядерные реакции, в том числе перспективные ядерные реакции синтеза в лазерной пикосекундной»плазме.

4. Доказательство возможности инициирования« перспективных ядерных реакций синтеза Щс1, п)2Не, б1а)1Не, 3Не(//, р)4Не, ПВ(/?, За), 7Ы(р, а)4Не при взаимодействии лазерных импульсов с интенсивностью /да 1018 Вт/см2 с твердотельными мишенями:

Состояние вопроса и основные направления исследований

В последнее время уникальные возможности для постановки новых задач в ядерной физике, физической кинетике, физике атомных и радиационных процессов в плазме и др. связаны с развитием лазерной техники в области создания мощных лазеров с ультракороткой длительностью (50 фс + 1 пс) импульсов. Такие лазерные системы обеспечивают мощность вплоть до 1015 Вт, а при фокусировке излучения на мишень интенсивность свыше Ю20 Вт/см2.

Именно эти качества лазеров пико- и фемтосекундной длительности импульсов явились причиной создания таких лазеров в ведущих научных центрах развитых стран. В таблице 1 приведены параметры основных мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса, созданных как в России, так и за рубежом.

Образующаяся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом лазерная плазма является источником быстрых электронов с энергией свыше 100 МэВ, быстрых протонов с энергией до 60 МэВ, муль-ти-МэВных у-квантов, высокоэнергетических ионов с энергией свыше 100 МэВ. В нашей работе [4] дан обзор недавних экспериментальных и теоре тических исследований по генерации быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких лазерных

Таблица 1. Параметры мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса. п/п Фирма, страна т, фс Р, 1012 Вт I, Втхсм"2

1 Lawrence Livermore Nat. Lab. (USA) 500 1000 >Ю20

2 California Univ. (USA) 30 50 5х1019

3 4 Michigan Univ. (USA) Texas Univ. (USA) 30 35 40 20 2х1019 2х1017

5 6 Rutherford Lab. (Great Britain) Astra (Great Britain) 500 40 1000 40 >102и ЗхЮ18

78 Instit. of Laser Engin. (Japan) Jap. Atomic Energy Agency (Japan) 500 30 1000 500 Ю20 Ю20

9 10 MBI (Berlin, Germany) ATLAS (Germany) 30 100 100 30 1019 5х1018

11 12 LULI (France) LOA (France) 30 30 100 100 5х1019 5х1019

13 Lund (Sweden) 30 30 10|у

14 Changhai Inst. Opt. (China) 500 1000 Ю20

15 ИПФ (г. Нижний Новгород, Россия) 40 560 ю20

16 НИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Россия) 1000 40 1019

17 ЦНИИмаш (г. Королев, Россия) 1500 10 2х1018

18 ГОИ (г. Санкт-Петербург, Россия) 1500 5 ю18

19 ИОФАН (г. Москва, Россия) 40 0,5 ю18

20 МГУ (г. Москва, Россия) 55 0,4 ю18

21 ВНИИТФ (г. Челябинск, Россия) 1500 5 ю18 импульсов с твердотельными мишенями, рассмотрены механизмы генерации быстрых заряженных частиц в сверхсильных световых полях лазерно

1*7 01 О го излучения с интенсивностями в диапазоне 10 +10 Вт/см", детально анализируется ускорение электронов, обусловленное их вакуумным нагревом, пондеромоторным потенциалом, резонансным поглощением, полем кильватерной волны в докритической части плазмы, циклотронным и другими механизмами, приведены, экспериментальные данные по ускорению протонов и« атомарных ионов полями пространственного заряда на тонких и толстых твердотельных мишенях и их теоретическая интерпретация. Значительное внимание уделено генерации сверхсильных квазистатических магнитных полей в лазерной плазме и методам их измерения для различных лазерных импульсов как фемто-, так и пикосекундной длительности. Обсуждаются возможности возникновения магнитных плазменных конфигураций и возможностей магнитного удержания плазмы. Генерация мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов открывает широкие возможности для их применения в ускорительной технике и ядерной физике [5], в исследованиях быстрого поджига лазерного синтеза [6], в радиографии- [7], диагностике лазерной плазмы [8], материаловедении [9], медицине [10] и т.д. В связи с этим в последние годы проводятся широкие исследования мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов (см. обзор [4]), генерируемых в лазерной плазме.

Энергии высокоэнергетйчных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, реакции генерации позитронов, (р, п)- ядерные- реакции и т.д. На рис. 1 показан спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью импульса [11].

В LLNL в экспериментах на петаваттном лазере (7 ~ 6x1020 Вт/см2), а также в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) на 50 ТВт

10 О

101У Вт/см ) установке VULCAN наблюдались ряд реакций {у,п) типа: пС(у,п)пС (порог 18,7 МэВ), 39К(7,и)38К (13,7 МэВ), 63Cu(;r,rc)62Cu (10,9 МэВ), 64Zn(^)63Zn (11,9 МэВ), 65Си(у,п)мСи (10,9 МэВ), 107Ag(^,«)106Ag (9,5 МэВ) и ряд других [12-17]. По активности образовавшихся изотопов и известным сечениям (^,и)-реакций определялось число жестких у-квантов в каждом выстреле. При наибольшей активности ~3 кБк

8 9 это число составляло 10-10 у-квантов.

Прямое) взаимодействие с; нуклонами

Рассеяние на кртоноБском потенциале иона

Ускорение легких токов

Ускорение ионов

Деление ядер

Генерация 'галиа-изпуче ния

- Термоядерные реакции и наработка кзотогов

Зпекгроиагнитш е взаимодействие

Г (cU) j». Генерация поз игронов е')

Фотоядерные реакции (% п)

Деление ядер Í)

Трансмутация и наработка изотопов

Ядерное взаимодействие

F, п) (р,

Возбуждение вращательных ядерных спектров р. Создание квазиато нов

Реакция слияния

Передача нуклонов

Рис. 1. Спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью.

Если в экспериментах [12-17] использовались мультитераваттные лазерные установки суб- и пикосекундной длительности (0,45 пс; 1 пс), то в экспериментах [18,19] использовались лазерные установки фемтосекунд-ной длительности (30 фс; 60 фс) с частотой повторения 10 Гц. В работе [18] при интенсивности лазерного излучения 4x1019 Вт/см2 наблюдались следующие реакции (в скобках указано число реакций на один импульс): пС(г,п)иС (1.4х103), 63Си(Г,п)62Си (l.lxlO4), mAu(r,n)l96Au (5х104), 238U(;/,fisión) (2.3х104). В работе [19] при интенсивности лазерного излучеg 9 Q ния 5x10 Вт/см" наблюдалась фотоядерная реакция Ве(/, п)2а, для которой требуются кванты с энергией более 1,67 МэВ. Было зарегистрировано около 100 фотонейтронов {у, и)-реакции за один лазерный импульс.

В мишенях из ~ U по радиоактивности, характерной для осколков деления, установлено наличие реакции деления 238 XJ(y,f) 134Г, 138 Cs, 92Sr (поЛЛ л рог 7,8 МэВ). При интенсивности 6x10 Вт/см полный выход реакции деления составил примерно (1,8±0,2)х10 событий (LLNL), на установке

10 9

VULCAN (Резерфордовская лаборатория) при интенсивности 10w Вт/см выход составил 10б событий [16].

Отметим некоторые возможности, которые обсуждаются в литературе. Интересно сравнить выход реакций (у,п), {у,2п), (у,3,Л,.п) для одного и того же облучаемого изотопа. Порог реакции для каждого последующего нейтрона повышается примерно на 10 МэВ. Это дает возможность более точно установить вид у-спектра и значение температуры электронов. Возt можно также уточнение моделей ядра и сечений (у, п) реакций. Интересной представляется возможность наблюдения реакции деления (у, f) для ядер со средним атомным номером А=150-200. Например, для Hg (А=200) порог реакции (у; f) оценивается в 42 МэВ [17].

Позитроны могут генерироваться как за счет механизма рождения пар, так и за счет Р+ распада изотопов, возникающих в (у; п) реакциях. Приведенные в начале этого раздела примеры (у; п) реакций практически все приводят к изотопам, распадающимся через (3+канал. Выход электрон-позитронных пар составляет ~10"5 от количества быстрых электронов с энергией 5^-10 МэВ [20]. Измеренный на петаваттном лазере (LLNL) выход позитронов из Аи мишени (толщиной 125 мкм) составил (3-^-5)х107 пози-тронов/МэВ в области энергий электронов 3-Я 5 МэВ.

Генерация высокоэнергетичных протонов с энергией, достигающей нескольких десятков МэВ, открывает возможности для развития важных прикладных направлений ядерной физики. Одно из них связано с возможностью создания интенсивного источника нейтронов с энергиями частиц в несколько десятков МэВ при воздействии на вещество пучка протонов с энергиями, превышающими энергию связи нуклонов в ядре. При воздействии протонов с энергиями 20-50 МэВ на мишень из дейтерия могут генерироваться потоки нейтронов с энергиями 10-30 МэВ.

Другое направление связано с ядерными реакциями высокоэнергетичных протонов с тяжелыми элементами. В экспериментах [21] наблюдалась интенсивная ядерная'активация различных материалов за счет воздействия) высокоэнергетичных протонов с энергией до 30 МэВ из лазерной плазмы, образованной при воздействии мощного короткого импульса с интенсив

10 9 ностыо, 2x10 Вт/см .

В ядерных реакциях, протекавших при воздействии высокоэнергетичных протонов, образовывались изотопы 63Zn, "С и N с периодами полураспада, соответственно, 38, 47, 20, 38 и 9.96 мин. Первые два изотопа

ДОI 1 I 1 образовывались, соответственно, в реакциях ""Си(р, «Г2п , "В(р, ?2) С, которые дают примерно одинаковый выход. Выполненные эксперименты позволили установить характеристики спектра быстрых протонов: 1012 частиц/стерадиан с энергиями 1-5 МэВ и 1011 частиц/стерадиан с энергиями свыше 5 Мэв. Активация материалов под действием высокоэнергетичных ионов из лазерной плазмы, образующейся при воздействии короткого' импульса мощного лазерного^ излучения, представляет собой очень привлекательный метод создания источника короткоживущих радионуклидов. В работе [22] наблюдались ядерные слияния (синтез) тяжелых ионов

1 Q О при интенсивности лазерного излучения 5x10 . Вт/см . При облучении

12 мишени из А1 потоком углеродной (< С) лазерной плазмы зарегистрировано излучение 34тС1 (146, 1177, 2127 и 3304 кэВ) и 38К (2167 кэВ). Кроме того, было зарегистрировано излучение позитронов. Это можно объяснить тем, что изотопы возникают в результате синтеза высоковозбужденного 39К в реакции 12С + 27А1 —> 39К и последующих распадов. 34тС1 и 38К един- , ственные изотопы с достаточно большим периодом полураспада (-10 мин), позволяющим произвести наблюдение. Порог реакции « 40Мэв, сечение «0.3 барна, выход реакций составил около 5x104 ядер 34шС1 и 2x104 ядер 38К.

Также были проинициированы ядерные реакции 27А1 + 27А1 и 1бО + 27А1 [22].

В последнее время опубликован ряд работ по генерации нейтронов в лазерной плазме на поверхности твердотельных (CD)n и (CD2)n мишенях л при инициировании ядерной реакции синтеза п) Не с использованием лазерного излучения со сверхкороткой длительностью импульса т = 35 фс -г 1.5 пс и интенсивностью в диапазоне 1016 - 1019 Вт/см2 (см. таблицу 2).

Эксперименты с использованием твердотельных мишеней (СБ2)и и (СО)„ были»выполнены с использованием лазерного излучения с интенсивностью в диапазоне'1018 - 1019 Вт/см2. Все эксперименты, за исключением экспериментов [25], были выполнены с использованием лазерных импульсов, которые имеют существенные предымпульсы различной, длительности, с интенсивностью предымпульсов свыше порогов образования-плазмы на мишени. Таким образом, практически во всех экспериментах основной лазерный импульс взаимодействовал с созданной предымпульсами преплаз-мой. При этом контраст лазерного излучения по интенсивности К = /0/7 - отношение интенсивности^ основного лазерного импульса к интенсивности предымпульса) на различных лазерных, установках имел* разную величину от 102 [24] до 109 [25]. Поэтому неудивительно, что измеренный выход нейтронов на различных лазерных установках отличается на несколько < порядков при одной и той же интенсивности основного лазерного импульса: Однако систематического исследования влияния контраста лазерного излучения' на протекание термоядерных Э(с1,п) Не реакций* в лазерной пи-косекундной плазме проведено не было.

Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований ядерной реакции синтеза Б(с1, п) Не в лазерной плазме.

Ссыл ка Мишень Выход нейтронов Параметры лазерного импульса

Энергия (Дж) Длитель тель-ность X (мкм) / (Вт/см2)

23] Св08 и твердотельная мишень 109 20 1.3 пс 1.054 1019

24] с2ъ4 1x102 0.2 160 фс 0.79 1018

25] св2 1хЮ7 7.0 О.Зпс 0.529 3.5хЮ19

26] съ2 ч 1хЮ4 0.3 0.05 пс 0.8 2хЮ18

27] 1С 9*Ю5 50 500 фс 1.054 2хЮ19

Г28] CD2 £С 105 10 1.5 пс 1.055 2хЮ18

30] газ 1хЮ6 62 1 пс 1.05 2хЮ19

31] В2 кластеры 1 хЮ4 0.12 35 фс 0.82 2хЮ16

31] а 2x106 10 100 фс 0.8 2x102и

32] СВ4 и 7хЮ3 0.8 35 фс 0.82 2хЮ17

33] сб4 и 1хЮ5 2.5 100 фс 0.8 4хЮ19

Таким образом, анализ состояния вопроса и основных направлений исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. До настоящего времени исследования практически всех-ядерных реакций (за исключением ядерной реакции Т){с1, я) Не) в лазерной плазме проводились при релятивистских интенсивностях лазерного излучения

19 20 2

10 -МО Вт/см с использованием крупных лазерных установок 100 ТВт - 1 ПВт мощности. Количество таких установок крайне ограничено и они расположены в крупных лазерных центрах, таких как Резер-фордовская лаборатория (Великобритания), Институт ядерной инженерии (Япония), Институт прикладной физики (Нижний Новгород) и т.д. Количество же лазерных установок 1-10 ТВт мощности, обеспечивающих интенсивность в диапазоне 1018 1019 Вт/см2, значительно больше, и они расположены в научных и учебных институтах (университетах).

2. До настоящего времени в лазерной плазме из термоядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция п) Не. При этом в недостаточной мере исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции синтеза.

Научная новизна

1. Впервые проведено инициирование перспективных ядерных" реакций . синтеза 61л(с/, а)4Не, 3Не(с/, р)4Не, пВ(р, За), 71л(р, а)4Не при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

2. Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на вы3 ход нейтронов при инициировании п) Не реакции в лазерной пи-косекундной плазме.

3. Впервые проведено инициирование перспективной ядерной реакции о » синтеза и(с1, п) Не в пикосекундной лазерной плазме с использованием о малоплотных р— 10-^-40 мг/см мишеней на основе дейтерированного пенополиэтилена.

4: Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого лазерного л импульса на выход нейтронов при инициировании п) Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.

5. Определены оптимальные значения для параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, для параметров мишени и геометрии эксперимента, при которых возможно значительно увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза-в лазерной пикосекундной плазме.

6. Обнаружено, что начиная с интенсивности

101в Вт/см в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный «хвост», отвечающий генерации быстрых ионов-с температурой около 350 кэВ.

7. Впервые в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности лазер

18 ? ного излучения

2x10'° Вт/см- проведено инициирование фотоядерных реакций* 9Ве(;г, п)2а, шТа(у, я)180Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций,

7 "7 инициируемых при воздействии быстрых протонов 1л(р, п) Ве, 63Си(р, п)6ъЪп, 48И(р, и)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. Впервые зарегистрированы плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов фтора в лазерной пикосекундной плазме, свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

Практическая ценность работы

1. Результаты работы по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза могут найти применение при разработке новых схем быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе с использованием перспективных ядерных топлив.

2. Созданный специализированный'лазерный комплекс ЮТВт мощности позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых технологий, связанных с генерацией быстрых заряженных частиц и инициированием перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

3. Результаты работ позволяют существенно расширить фронт исследования ядерных реакций, в том числе перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме за счет привлечения лазерных установок 1-НОТВт мощности с интенсивностью на уровне 1018 Вт/см2, количество которых в научных и учебных институтах (университетах) значительно больше, чем количество крупных лазерных установок с мощностью ЮОТВт ч- 1ПТВт и интенсивностью 10,9*102° Вт/см2.

4. Результаты работ по разработке методик диагностики лазерной плазмы использовались при создании в НИИИТ (г. Москва) многоканальной автоматизированной системы диагностики для обеспечения исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме в ведущих научных центрах Росатома.

5. Результаты работы могут найти применения в следующих направлениях науки и технологии:

- исследование ядерных реакций, в т.ч. синтеза, протекающих в условиях

О 0 1 высоких (более 10 °К) температур, плотностей (более 10 г/см ), маг

О е нитных полей (более 10 Гс) с разработкой и созданием новых наукоемких технологий, прежде всего энергетических; -' экспериментальные исследования ядерных реакций, протекающих на астрофизических объектах путем моделирования соответствующих условий на созданной лазерной установке;

- исследование и создание основ энергетических технологий на базе безнейтронных (экологически чистых) реакций синтеза ядер;

- создание высокоинтенсивных источников нейтронов, электронов, заряженных ионов пикосекундной длительности для целей диагностики различных веществ и их состояний;

- диагностика лазерной плазмы, созданной при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями;

- технология производства радиоактивных изотопов.

Защищаемые положения

1. Созданный специализированный лазерный комплекс в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на 18 2 мишени 2x10 Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы позволяет проводить исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме.

2. Созданные методики проведения экспериментов позволяют проводить исследования по инициированию перспективных ядерных реакций синтеза D(d, rif Не, eU(d, a)4 Не, 3He(d, р)4Не, ПВ (р, За), 7Li (р, а)4Не в лазерной плазме'на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов, а-частиц — продуктов выхода данных ядерных реакций.

1 О Л

3. При взаимодействии интенсивных (2x10 Вт/см ) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза Щс1, п)3Не, а)4Не, 3Не(^,/?)4Не, ИВ(р, За), 7П(р, а)4Не с выходом

3 5 продуктов ядерных реакций 10 10 частиц за один лазерный импульс.

4. Выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза Х)(с1, п) Не с использованием твердотельных (СОг)« мишеней с о ря 1 г/см уменьшается при интенсивности наносекундного предым

Р 2 л пульса более 10 ** Вт/см и при интенсивности более 10 Вт/см для пи-косекундного предымпульса, опережающего основной импульс на 13 не. При использовании мишеней из дейтерированного пенополиэтилео на с плотностью р— 10 40 мг/см выход нейтронов уменьшается при интенсивиостях предымпульсов, превышающих пороги плазмообразо-вания на поверхности мишени.

5. Искажение спектра чирпированного лазерного импульса в процессе усиления приводит к уменьшению выхода нейтронов - продуктов ядерной реакции синтеза и)3Не.

6. В плазме, создаваемой пикосекундным лазерным импульсом с интен о сивностью 2x10 Вт/см , генерируются электроны и у-кванты с максимальной энергией 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 кэВ, ионы с температурой 350 кэВ.

18 ^

7. При взаимодействии интенсивных (2x10 Вт/см") пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования фотоядерных реакций

9Ве(г, п)2а, шТа(г, и),80Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 11л(р, п)1 Be, б3Си(р, я)63Zn, 48Ti(p, «)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. В плазме, создаваемой пикосекундными лазерными импульсами уме

17 2 ренной интенсивности (около 10 Вт/см), генерируются сильные плазменные колебания с частотой со= (0.7-^1.0)х1015 с"1, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

Достоверность работы

Достоверность основных научных результатов подтверждается применением надежных методов диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме и апробированных вычислительных методов. Полученные в экспериментах данные там, где это возможно, сравнивались с результатами других авторов и известными теоретическими моделями. Все сравнения дали положительный результат.

Апробация работы и публикации

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в ФИАН, ИОФРАН, МГУ, ВНИИЭФ. Кроме этого, основные результаты представленных в диссертации исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:

- XXVI - XXVIII, XXXIII, XXXIV Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1999, 2000, 2001, 2006 и 2007 годы);

- American Physical Society Topical Conference on Atomic Processes in Plasmas, USA, Reno, Nevada, March 19-23, 2000;

- V Международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Москва, май 2000г;

- XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2001), Minsk, Belarus, June 26 - July 1, 2001;

- International Quantum Electronics Conference (IQEC2002), Moscow, Russia, 2002;

- XVII European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM2002) Memorial to Nobel Price Winner, Academician N.G.Basov, Moscow, Russia, 2002;

- 31th European Physical Society Conference on Plasma Physics, London, England, 28th June - 2nd July 2004;

- 32st European Physical Society Conference on Plasma Physics, Tarragona, Spain, June 27 - July 1, 2005;

- Fourth International Conference on Inertia! Fusion Sciences and Applications (IFSA2005), Biarritz, France.

По теме диссертации опубликовано 47 работ в реферируемых научных изданиях, в том числе 27 статей в отечественных и зарубежных научных журналах (из них 17 статей в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК) и 20 статей в сборниках и трудах конференций, а также более 50 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 247 страницах, включает 82 рисунка, 15 таблиц и списки литературы (по частям, общее число ссылок 211, включая пересекающиеся).

1. Basov N.G., Gus'kov S.Yu., Feoktistov L.P // J of Soviet Laser Research v.13, p.396-399 (1992).

2. Tabak M., Hammer J., Glinsky M.E. et al. // Phys. Plasmas, v. 1(5), p. 1626-1634(1994).

3. Беляев B.C., Крайнов В.П., ЛисицаВ.С, Матафонов^АТу^ №8, c.823 (2008).

4. Андреев А.В., Гордиенко В.М., Савельев А.Б. // Квантовая электроника т.31, вып. 11, с.941 (2001).

5. Roth М., Cowan Т.Е., Key М.Н. et al. // Phys. Rev. Lett, v.86, p.436 (2001).

6. Lancaster K.L., Karsch S., Habara H. et al. // Phys. Plasmas v. 11, p.3404 (2004).

7. Santala M.I.K., Zepf M., Beg F.N. et al. // Appl. Phys. Lett, v.78, p.l (2001).

8. Gemmel D.S. // Rev. Mod. Phys. v.46, p. 129 (1974).

9. Santala M.I.IC., Zepf M., Beg F.N. et al. // Appl. Phys. Lett, v.78, p. 19 (2001).П.Савельев А.Б. Ядерные процессы в поле релятивистского фемтосе-кундного лазерного излучения // http://nounivers.narod.ru/pub /phis.htm.

10. Perry M.D., Cowan Т. et al. // Abstract of IQEC'99, OSA Technical Digest Series Washington, OSA, vol.7, p.74, (1998).

11. Cowan Т.Е., Hunt A.W., Phillips T.W. et al. // Phys. Rev. Lett. v.84,p.903 (2000).

12. Perry M.D., Sefcick J.A., Cowan T. et al. // Rev. Sci. Instrum. v.70, p.265 (1999).

13. Norreys P.A., Santala M., Clark E. et al. // Phys. Plasmas v.6, p.2150 (1999).

14. Ledingham K.W.D., Spencer I., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. v.84, p.899 (2000).

15. Ledingham K.W.D., Norreys P.A. // Contemporary Physics v.40, p.367 (1999).

16. Malka G, Aleonard M.M. et al. // Proceedinf of IFSA-2001, Elsever Publ. Edit., p.930 (2002).

17. Schwoerer H., Gibbon P. et al. // Phys. Rev. Lett, v.86, p.2317 (2001).

18. Roth M. et al. High-energy electron, positron, ion and nuclear spectroscopy in ultra-intense laser solid experiments on the petawatt // Proc. of IFSA'99, ElsevierPubl.Edit. p.1010-01015 (2000), ,

19. Ledingham K. et al. Laser induced nuclear reactions // Proc. of ECLIM'2000, Prague, June 12-17, (2000).

20. McKenna P., Ledingham K.W.D., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. v.91, No.7, p.0750061 (2003).

21. Norreys P.A., Fews A.P., Beg F.N. et al. // Plasma Phys. Controlled Fusion v.40, p.175 (1998).

22. Pretzler G., Saemann A., Pukhov A. et al. // Phys. Rev. E v.58, p. 1165 (1998).

23. Disdier L., Garconnet J.-P., Malka G., and Miquel J.-L. // Phys. Rev. Lett. v.82, p.1454 (1999).

24. Hilscher D., Berndt О., Enke M. et al. // Phys. Rev. E v.64, p.016414 (2001).

25. Izumi N., Sentoku Y., Habara H. et al. // Phys. Rev. E v.65, p.036413 (2002).

26. Fritzler S., Najmudin Z., Malka V. et al. // Phys. Rev. Lett, v.89, p. 165004 (2002).

27. Ditmire Т., Zweiback J., Yanovsky V.P. et al. // Nature (London) v.398, p.489 (1999).

28. Madison K.W., Patel P.K., Allen M., Price D., and Ditmire T. // J. Opt. Soc. Am. В v.20, p.113 (2003).

29. Grillon G., Balcou Ph., Chambaret J.-P. et al. // Phys. Rev. Lett, v.89, p.065005 (2002).

30. Madison K.W., Patel P.K., Price D. et al. // Phys. Plasmas v.ll, p.270 (2004).

31. Ваньков А.Б., Козлов A.A., Чижов C.A., Яшин В.Е. // Оптика и спектроскопия т.84, с.94 (1990).

32. Андреев С.Н., Тараканов В.П. Ускорение электронов и протонов в сверхсильном лазерном поле: расчеты и модели. // Физика плазмы (2009) (в печати).

33. Физические величины. // Справочник, под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Энергоиздат, Москва (1991).

34. Крайнов В.П., Смирнов Б.Н., Смирнов М.Б. Фемтосекундное возбуждение кластерных пучков. // УФН т. 177, вып.9, с.953 (2007).

35. Разрушение оптических элементов лазерной установки, в особенности их полированных поверхностей и диэлектрических покрытий.

36. Мелкомасштабная самофокусировка, приводящая к увеличению угловой расходимости излучения, к распаду пучка на нити — филаментьг, в которых интенсивности излучения могут нарастать, вплоть до уровня, вызывающего разрушения оптических элементов.

37. Насыщение усиления, связанное с конечной величиной'запасаемой5 в»л.щ^лях э!iерп iи—--,