Исследование коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи УДК 621.3:533.9:535.42

БЕЛЯЕВ ВАДИМ СЕВЕРИАНОВИЧ

Исследование коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме

Специальность: 01.04.04 - Физическая электроника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 1997

Работа выполнена в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения Российского космического агентства.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Бонюшкин Е.К.

доктор физико-математических наук, профессор Коробкин В.В.

доктор физико-математических наук, профессор Платоненко В.Т.

Ведущая организация

Физический институт Российской академии наук (ФИАН)

Защита состоится " "Ок'/ПЛЗйЛ 1997 в час 00 мин на заседании диссертационного совета Д.063.91.03 при Московском физико-техническом институте по адресу: 141700, Московская обл., г.Долгопрудный, Институтский пер., 9, МФТИ, ауд. 204 Нового корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан

Ученый секретарь Диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук V. ^ иУ ' СкорикВ.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

Развитие лазерной техники привело в настоящее время к созданию мощных лазеров с длительностью импульса порядка десятков фемтосекунд и интенсивностью излучения в фокальном пятне порядка гигатераватт на квадратный сантиметр, с потоками энергии порядка сотен мегаджоулей на квадратный сантиметр, объемной концентрацией световой энергии, превышающей тераджоуль в кубическом сантиметре, что открыло качественно новый этап развития физики взаимодействия излучения с веществом.

Принципиально новые возможности исследования такого взаимодействия связаны, во-первых, с тем, что напряженность электрического поля в падающем на вещество излучении в сотни раз превышает напряженности внутриатомных полей и, во-вторых, в тем, что длительность воздействия меньше характерных атомных времен. За это время не успевает развиться плазменная корона, что приводит к уникальной возможности исключения экранирующего действия плазмы в классическом ее понимании. Возникает новое понятие - фемтосекундная лазерная плазма; образующийся в результате туннельной ионизации (частота которой на несколько порядков превышает плазменную) свободный электронный континуум совместно с практически неподвижными ионами представляет собой релятивистскую металлизированную плазму.

Исследование такой лазерной плазмы является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

Фундаментальные исследования в этой области имеют очень широкий диапазон, обусловленный разнообразием и сложностью процессов, в т.ч. атомных и ядерных, в релятивистской сверхплотной плазме. Такая плазма - уникальный объект исследований, представляет интерес как источник сверхсильных электромагнитных полей, как источник релятивистских частиц, как среда для рентгеновского лазера, как среда, обеспечивающая экстремальные условия воздействия на вещество - атомы и молекулы. Последнее связано с направлением, разрабатывающим перспективы использования сверхкоротких импульсов для решения проблемы управля-

емого ядерного синтеза. Сверхкороткоимпульсные лазерные системы, сравнительно недорогие, компактные, работающие с большой частотой повторения импульсов, обеспечивают интенсивности излучения, превосходящие характеристики установок мегаджоуль-ного уровня, создаваемых для управляемого термоядерного синтеза.

Актуальность исследований коллективных процессов (неустойчивостей) в лазерной плазме связана также с возможностью моделирования как астрофизических объектов, так и техногенных процессов атомной и ядерной физики. Развитие лазерной техники и связанные с этим темпы освоения новых диапазонов интенсивности воздействия электромагнитной энергии на вещество побуждает уже сейчас исследователей на разработку экспериментальных схем по проверке основных положений квантовой электродинамики.

Несмотря на то, что в настоящее время в значительной мере осознаны перспективы исследований фемтосекундной лазерной плазмы с точки зрения фундаментальной физики и разнообразных приложений, в этой области, связанной с освоением гигантских световых интенсивностей в сочетании с длительностью воздействия много меньше периода релаксационных процессов в атоме, с полным основанием можно рассчитывать на принципиально новые идеи, результаты, применения. Цель работы

Целью проводившихся около десяти лет работ являлось создание модели взаимодействия с веществом интенсивного (более 1016 Вт/см2) сверхкороткоимпульсного (время воздействия менее 1 пи-косекунды) лазерного излучения, основным отличием которой от известных ранее является учет воздействия образованной при этом лазерной плазмы на атомные и ядерные структуры вещества, а также создание экспериментальной базы для проверки основных положений построенной модели.

В ходе работы решались следующие задачи:

1. Развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.

2. Создание экспериментальной базы для исследования взаи-

модействия с веществом высокоинтенсивного сверхкороткоим-

пульсного лазерного излучения.

3. Отработка методик проведения экспериментов по направлению исследований с целью корректировки на основе полученных данных разработок теории.

4. Поиск предложений по практическому применению полученных результатов.

Перечисленные задачи являются содержанием решаемой диссертацией на\чной проблемы - исследования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, которая имеет важное народнохозяйственное значение, связанное с перспективой разработки принципиально новых наукоемких технологий в атомной промышленности и энергетике. Перспективы таких разработок обусловлены использованием существенно новых диапазонов параметров электромагнитного излучения, с освоением управляемого его воздействия на атомы и ядра. Научная новизна диссертации

1. В развитии теории лазерной плазмы, образованной воздействием высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения на вещество впервые получены следующие результаты:

- аналитически исследованы особенности развития в лазерной плазме коллективных явлений - неустойчивостей вейбелевского типа с учетом полевых ионизационных процессов. Показано, что их роль с ростом интенсивности лазерного излечения становится определяющей для скорости развития коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме;

- найдено, что энергия и темп коллективного ускорения в лазерной плазме малой группы частиц - электронов определяются частотой ионизации атомов в сильных электромагнитных полях, индуцируемых в плазме. Отсюда следуют высокие значения энергии (> 50 МэВ) и темпа ускорения (> 10 МэВ/фсек) малой группы частиц с концентрацией п\/п0 ~ 10°:

- показано, что процесс ионизации атомов в лазерной плазме в рассматриваемых условиях описывается уравнением диффузии с коэффициентом диффузии Б ~ /г/те и носит характер ионизацио-

оного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов;

- коллективный процесс структурной перестройки электронных оболочек атомов в лазерной плазме рассмотрен на масштабах развитой вейбелевской неустойчивости (~ 10"8 см) в условиях образования на этих масштабах энергетически выгодных атомных структур с обобщенными электронными оболочками;

- показано с нахождением критериальных условий, что воздействие индуцируемых в лазерной плазме магнитных полей на атомные электроны приводит в зависимости от направлений их спинов либо к туннельной ионизации, либо к коллапсированию электронов к ядру;

- показано, что уже при существующих параметрах лазерного излучения индуцируемые в лазерной плазме магнитные поля достаточны чтобы вызвать процесс нелинейного волнового коллапса электронных оболочек атомов и, как следствие этого, сильного воздействия на ядро;

- на основе квантовомеханической модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, описаны коллективные процессы внутренней и внешней конверсий - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы. Показано, что учет структуры ядра позволяет объяснить самосогласованным образом процесс ионизации, в т.ч. процесс образования конверсионных электронов.

2. Разработан и создан комплекс лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы -стендовая база для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.

3. Предложены, созданы и отработаны методики проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных. На основе этих методик проведены серии экспериментов по воздействию интенсивного (> 1016 Вт/см2) лазерного излучения на вещество и исследованию характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высо-

коэнергетичных потоков (> 200 кэВ) и др. Практическая значимость результатов исследований

Представленное развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме позволяет объяснить и получить основные характеристики физических процессов в лазерной плазме с учетом взаимного влияния плазменных и атомно-ядерных процессов.

С прикладной точки зрения главный итог диссертации связан с открывающимися возможностями реализации экспериментальных исследований с отработкой новых технологий в атомной и ядерной физике, в т.ч. в области управляемого ядерного синтеза, искусственно стимулированной радиоактивности ядер, создания высокоэффективных ускорителей частиц, синтеза элементов и веществ.

Созданная стендовая база, оснащенная лазерами тераваттного уровня мощности и комплексом аппаратуры для физических исследований позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых ключевых технологий. связанных с показанной в работе возможностью реализации электромагнитного стимулирования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Внедрение результатов работы

Результаты развития теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме легли в обоснование направления работ, развиваемых во ВНИИЭФ (Арзамас-16) и в основу программы исследований с участием ведущих физических институтов и организаций России.

Результаты по разработке и созданию лазерной стендовой базы использованы при определении облика лазерного стенда ВНИИЭФ, создаваемого для проведения исследований по электромагнитному стимулированию атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. Апробация работы.

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в МГУ, ИОФРАН, ФИАН, ВНИИЭФ.

Кроме того, основные результаты работы докладывались на международных конференциях:

- "Оптика лазеров", Санкт-Петербург, 1993 (три доклада);

- "Lasers' 92", Houston, USA, 1992;

- "Lasers'93", Lake-Tahoe, USA, 1992;

- 21 International Conference on Plasma Science, "ICOPS'94", Santa Fe, USA, 1994;

- "Lasers'94", Quebec, Canada, 1994;

- "Lasers'95", Charleston, USA, 1995;

- 24 European Conference on Laser Interaction with Matter, Madrid, Spain, 1996 (два доклада);

- 5 International Workshop on Laser Phvsics (LPHYS'96), Москва, 1996.

На защиту выносятся:

1. Результаты развития теории коллективных процессов в лазерной плазме - неустойчивостей вейбелевского типа с учетом туннельной ионизации, определение основных параметров указанных неустойчивостей - масштабов, спектра, инкремента нарастания, связанных с параметрами создающего плазму лазерного излучения при интснсивностях ,/>101бВт/см2, длительности импульса r< 10"12 сек.

2. Теоретические расчеты энергии и темпа коллективного ускорения в лазерной плазме малой группы частиц - электронов, механизм которого определяется частотой туннельной ионизации и обеспечивает высокие значения энергии (>50 МэВ) и темпа ускорения (> 10 МэВ/фсек) малой группы частиц с относительной концентрацией П\/по ~ 10"5.

3. Теоретическое описание процесса ионизации в лазерной плазме в рассматриваемых условиях (J> 1016 Вт/см2, г < 10'12 сек) на основе уравнения диффузии с коэффициентом диффузии D ~ fi/me как процесса, носящего характер ионизационного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов.

4. Теоретическое рассмотрение коллективного процесса структурной перестройки электронных оболочек атомов в лазерной пла-

зме на масштабах развитой вейбелевской неустойчивости (~ 10"8 см) в условиях образования на этих масштабах энергетически выгодных атомных структур с обобщенными электронными оболочками.

5. Нахождение критериальных условий нелинейного волнового коллапса электронных оболочек атомов в лазерной плазме и, как следствие этого, сильного воздействия на ядра.

6. Теоретическое рассмотрение на основе квантовомехани-ческой модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, коллективных процессов внутренней и внешней конверсий - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы.

7. Разработка и создание комплекса лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы - стендовой базы для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.

8. Создание и отработка методик проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных.

9. Основные результаты экспериментальных исследований по воздействию интенсивного (> 1016 Вт/см") лазерного излучения на вещество и характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высокоэнергетичных потоков (> 200 КэВ).

Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию

Выбор направления в целом, постановка задач и способов их решения, а также основные научно-технические принципы работы, обобщение результатов, формулировка выводов, представленных к защите, принадлежат автору.

Автором были выработаны принципиальные идеи реализации стендовой экспериментальной базы и методология экспериментов. Он руководил экспериментами и участвовал в них сам или совместно с сотрудниками предприятий - участников кооперации

исполнителей выполняемых исследований проводил работы по созданию стендовой базы, ее отработке и затем экспериментов.

Теоретические исследования неустойчивостей в лазерной плазме были выполнены совместно с профессором В.И.Арефьевым. В создании стендовой базы принимали участие сотрудники Института лазерной физики Государственного оптического института (г.С.-Петербург), Московского госуниверситета, Института физики Беларуси, Вильнюсского госуниверситета, Новосибирского госуниверситета, Института сильноточной электроники СО РАН (г.Томск).

В проведении циклов экспериментальных исследований принимали участие сотрудники Физического энергетического института (г.Обнинск), Института общей физики РАН, Московского госуниверситета, ГНЦ ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений.

Особая роль в реализации идей автора принадлежит сотрудникам отдела ЦНИИМАШ, руководимого автором.

Всем участникам работы автор выражает свою искреннюю признательность.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Основные направления исследований концентрируются вокруг цели работы - построение модели взаимодействия лазерного излучения с веществом с учетом воздействия образованной плазмы на атомы и ядра.

Направления исследований включают как теоретические, так и экспериментальные работы. Теоретическая модель взаимодействия лазерного излучения строится с начала воздействия, образования плазмы, развития в ней коллективных процессов - неустойчивостей, приводящих к генерации в лазерной плазме сверхсильных магнитных полей. Среди разнообразных свойств и структур фемтосекундной лазерной плазмы именно способность такой плазмы генерировать сверхсильные электрические и магнитные поля является главной, определяющей направления исследования, так как эти поля действуют непосредственно на атомы, прежде всего на их электронные оболочки, через которые воздействие

осуществляется и на ядро.

Одним из важнейших направлений исследований является создание стендовой базы для проведения экспериментов по взаимодействию сверхкороткоимпульсного высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом. Помимо создания лазерных систем в задачи исследований входит создание соответствующего цели работ комплекса систем диагностики параметров лазерного излучения и параметров процессов, сопровождающих взаимодействие лазерного излучения с веществом.

Разработка этой лазерной стендовой базы продолжается более десяти лет. на протяжении которых менялись в соответствии с развитием лазерной и измерительной техники направления развития тактического характера, оставаясь подчиненными основной цели. Было проанализировано множество технических решений, некоторые из них получили развитие, в последнее время развитие стендовой базы получило определенное направление, связанное с интересами основного Заказчика данных работ - Минатома России - исследование ядерных реакций в лазерной плазме.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения.

Во введении обосновывается необходимость для построения полной картины взаимодействия лазерного излучения с веществом учета воздействия образующейся плазмы на атомные структуры, их электронные оболочки и ядра. Обозначена область исследования - область коллективных процессов в лазерной плазме, приведены критериальные параметры лазерного излучения, при которых роль этих процессов становится определяющей для эффективного воздействия на атомные и ядерные структуры вещества.

Таких параметров лазерного изл\-чения два - интенсивность и длительность импульса излучения. Интенсивность должна быть больше ./<, - той, которой отвечает напряженность электрического поля, равная напряженности Еа на первой боровской орбите атома радиуса га:

г Р с . г _

''а ~ ? ~~ . -1 ' 'а ~ -> >

I Ч7Г£0Г~ те'

где £о - электромагнитная постоянная, с - скорость света, е,т - за-

ряд и масса электрона, Й - постоянная Планка. Таким образом, интенсивность должна удовлетворять условию

Л = 3,4-1016 Вт/см2

Физический смысл этого условия состоит в том, чтобы обеспечить туннельной ионизации преобладающий характер уже на начальной стадии взаимодействия лазерного излучения с веществом. Отметим, что в силу ряда причин, прежде всего в уменьшении энергии связи электронов атомов в сильных магнитных полях, это условие является излишне строгим и развитие процессов, приводящих к сильному воздействию на ядра может быть обеспечено условием когда существенно развитие туннельной ионизации, т.е. уже при интенсивности падающего излучения 7 > 1015 Вт/см2.

Условие, накладываемое на длительности импульса излучения, должно обеспечить взаимодействие лазерного излучения только с электронной подсистемой, при котором ионы практически остаются на своих местах или, по крайней мере, не выходят за время воздействия из области скин-слоя, т.е.

где 1шп - с1соре ~ 10"5 см - толщина скин-слоя, соре = пее2/те£() - плазменная частота, V, - скорость разлета ионов, V, « 107 - 108 см/с. Таким образом , условие, накладываемое на длительность взаимодействия гтаково:

т< 10"13 сек.

При этих параметрах падающего излучения скорость (частота) ионизации за счет туннельного эффекта лежит в диапазоне (1017 -1018) сек'1, что на один или даже два порядка больше плазменной

частоты соре = ^п0е2 /те 0 = (1015 - 1016) сек"1. При этих условиях

роль коллективных эффектов, связанных с анизотропией туннельной ионизации возрастает и становится определяющей. Линейная теория неустойчивостей при этом предсказывает существование широкого спектра электромагнитных колебаний (от 1015 до 1018 сек"1) - электронного континуума. Благодаря короткому времени

воздействия и большой скорости ионизации функция распределения электронов в такой среде становится существенно анизотропной и неравновесной.

Сложный процесс развития фемтосекундной лазерной плазмы условно можно разделить на пять стадий, каждая из которых характеризуется своим масштабом событий:

1. Взаимодействие излечения со свободными электронами, развитие плазменных неустойчивостей в масштабе скин-слоя (10"5 см).

2. Процесс туннельной ионизации, структурная перестройка внешних электронных оболочек, образование электронного континуума, развитие сопутствующих процессов в масштабе размеров ~ 10~8 см.

3. Спиновое разделение атомных электронов с компрессией электронных оболочек вблизи ядра до масштаба ~ 10 й см:

4. Действие трансформированных через электронные оболочки электромагнитных полей лазерной плазмы на ядра, масштаб явлений ~ 10~13 см.

5. Коллективный процесс воздействия синхронно возбужденных ядер на лазерную плазму.

Детальное теоретическое исследование этих процессов является частью решаемой проблемы.

Во второй главе приведены результаты работ по развитию теории электромагнитного стимулирования атомных и ядерных процессов в лазерной плазме. В основе исследований лежит построение модели взаимодействия интенсивного (> 1016 Вт/см2) лазерного излучения сверхкороткой длительности (< 10'1" сек) с веществом. Модель построена на основе аналитического решения самосогласованной системы уравнений - для электромагнитного поля - уравнений Максвелла, для состояний электронов в плазме -уравнения Власова, уравнения Келдыша, описывающее процесс ионизации и уравнения Шредингера для атома как квантовой системы.

Система этих уравнений в состоянии описать самосогласованным образом эффекты нестационарной ионизации, используя функцию распределения электронов по состояниям. Из этих эффе-

ктов два наиболее существенные, которые полностью определяются функцией распределения - анизотропия нагрева электронов и анизотропия ионизации. Анизотропия нагрева главным образом связана с появлением компоненты Рхг в тензоре электронного давления при падении на вещество лазерного излучения по оси 2. Такие компоненты тензора электронного давления ответственны за эффективное преобразование энергии электромагнитного поля лазерного излучения в СВЧ-излучение и в энергию спонтанно генерируемых квазистационарных магнитных полей в плазменной среде благодаря развитию неустойчивостей, получивших название вейбелевских. Неустойчивости такого типа возникают в общем случае в плазме при наличии анизотропного распределения частиц по скоростям.

Исследованию этих неустойчивостей посвящено много работ. Рассматриваемый диапазон параметров падающего лазерного излучения, а также направленность на исследование воздействия магнитных полей, генерируемых в лазерной плазме, на атомные структуры, обусловили отличия данного исследования от других, в т.ч. основанных на исследовании магнитных полей лазерной плазмы как результата развития коллективных процессов (неустойчивостей) в лазерной плазме.

С этой точки зрения проведено описание процесса развития вейбелевских неустойчивостей в рамках квазигидродинамического приближения. Такой подход обосновывается в теории плазменных неу стойчивостей и оправдан в нашем случае. Смысл гидродинамического приближения кратко состоит в том, что если на все частицы, находящиеся в малом объеме, действуют одинаковые в первом приближении силы, то частицы будут совершать одинаковые движения, даже если они и не связаны с ближайшими соседями посредством столкновений.

В случае сильно анизотропной плазмы коллективные эффекты (неустойчивости) играют большую, определяющую роль в изотро-пизации, нежели парные столкновения. Результаты исследования вейбелевских неустойчивостей на первой стадии взаимодействия лазерного излучения с веществом могут быть сведены к следующему.

Уравнение Власова позволяет найти отклик /к на произвольные возмущения ЕК,ВК и вместе с уравнениями Максвелла дает

дисперсионные уравнения для волн вида Ек ехр

¡[кх - ¿уг|

Эти

дисперсионные уравнения используются для нахождения зависимости со(к), а также критериев устойчивости, инкрементов и длин неустойчивых волн.

Вейбелевские неустойчивости являются ответственными за генерацию сильных магнитных полей и играют основную роль в изотропизации лазерной плазмы, причем не только на первой стадии ее развития.

Инкремент вейбелевских неустойчивостей на первой стадии взаимодействия лазерного излучения с веществом определяется плазменной частотой и величиной анизотропного давления:

, АР V2

У шах ~ ^ ре I ?

\тпс

Электрические и магнитные поля, индуцируемые в скин-слое, определяются при этом как:

Е =

^ 2АР^

V У

2А11

> 5• 10у В/см; Н = |-1 >10МГс

/'о

при ./> Л.

Физический смысл процесса возникновения в лазерной плазме магнитных полей такой величины может быть пояснен условием замкнутости траекторий ускоренных под действием электрического поля лазерного луча электронов внутри скин-слоя толщиной к = с1юре. Это условие сводится к равенству центростремительной силы, действующей на электрон, силе Лоренца: ту2¡Л = е^0Н0. Максимальная кинетическая энергия электронов в поле лазерного излучения оценивается через плотность энергии этого излучения д - пту1 ¡2 - ц/с. Эта величина равна максимальному значению

фактора анизотропии давления, т.е. АР. Из этих равенств непосредственно вытекает значение циклотронной частоты электронов в скин-слое и связанное с ним значение напряженности индуциро-

ванного вращением электронов магнитного поля:

АР е]и0Н0

П = со,

\тпс2 т

откуда для соре = 1014 сек"1 и <7 = 1016 Вт/см2 напряженность магнитного поля Н0 = 10 МГс.

Детальное исследование вейбелевских неустойчивостей показывает, что они носят взрывной характер; при этом нарастанию магнитного поля соответствует уменьшение характерного масштаба вихревых структур. В нашем случае этот масштаб уменьшается от первоначального масштаба скин-слоя с/соре до величины с/ ц, который определяется частотой туннельной ионизации и и достигает в нашем случае величины 10"8 см. В процессе эволюции вихревых движений сохраняется степень анизотропии давления, происходит вращение вектора анизотропии, образуются тороидальные вихревые структуры типа 0 и 7-пинчей, структуры типа магнитной спирали.

В рассматриваемых нами условиях следствием этих процессов является быстрое уплотнение вихревой энергии на переднем фронте лазерного импульса, развитие короткомасштабных неустойчивостей с более высокими амплитудами электрического и магнитного полей. Одновременно с этим процессом на границе горячей и холодной плазмы на масштабах порядка периода решетки 10"8 см идет взаимодействие развитой электронной вихревой структуры с более мелкомасштабной структурой электронных оболочек ионизированных атомов. Под действием электромагнитного поля развитой электронной структуры происходит сильная поляризация оболочек в направлении электрического поля, туннельная ионизация электронов, образование обобщенных электронных оболочек группы атомов на масштабах ~ с/ц ~ 10"8 см. Последнее аналогично известному в теории плазмы явлению захвата электронов плазменной волной. При этом величина магнитного поля на масштабах размера атома га для обобщенных оболочек определяется как

на - Н0

Г яш Л

> 100 МГс.

V г. у

Этой напряженности поля достаточно для реализации преобладания процесса туннельной ионизации. Потенциал электрического поля, индуцированного за счет роста магнитного поля (на масшта-- у ^Ф Л

ое га) равен £Шд = = У1 - где ® " магнитный поток, у, -

частота ионизации, и равен потенциалу ионизации внешнего электрона. Для и = Ю17 сек"1 из условия лг^0Н^у, = 13.6 эВ действительно следу ет величина критического поля Н^р — 100 МГс, равная напряженности магнитного поля На, трансформированного на масштаб первой боровской орбиты.

При действии такого магнитного поля непосредственно на электронные оболочки вследствие коллективного "ионизационного" взрыва группы сфазированных внешним полем атомов энергия электронных оболочек за короткие времена ионизации порядка Ю-17 сек преобразуется в вихревую энергию связи группы атомов, энергетически более выгодную структуру - электронный континуум с большой концентрацией "связанных" или квазисвободных электронов, порядка Иа ~ 10~4 см"'.

Образование подобных периодических стру ктур - гру пп атомов в поле лазерного излучения - известное явление. Создаваемые в нашем случае периодические структуры могут быть обратиУ1ые и необратимые, т.е. устойчивые и после действия лазерного импу льса. В последнем слу чае устойчивость связана с более низким энергетическим состояниеу1 группы атомов - элементов структуры по сравнению с энергией, запасенной в атомах в виде энергии связи электронов и находящимися в неупорядоченных несвязанных между собой состояниях. Это дало основание утверждать о возможности стимулированного высвобождения энергии электронного континуума как дефекта структур, образованных в результате воздействия на атомы лазерного излучения.

Рассмотренные процессы носят пороговый характер по интенсивности Зиор. связанный с характеристиками как плазмы - плотностью электронов, так и атома, точнее самого электрона - постоянной тонкой структуры а соотношением

При этом пороговая интенсивность для начальной плотности электронов в металле совпадает со значением ранее введенной интенсивности Ув ~ 1016 Вт/см2.

Развитие в лазерной анизотропной плазме долгоживущих (> тимп) тороидальных вихревых структур, уплотнение вихревой энергии в них на переднем фронте лазерного импульса с созданием в этих структурах сверхсильных электромагнитных полей и, соответственно, высоких давлений (> 108 атм) создает благоприятные условия для синтеза ядер атомов, находящихся внутри тороидальных структур. Достигаемые современной лазерной техникой параметры падающего излучения обеспечивают в таких структурах подавление кулоновского потенциала ядер и тем самым качественно иной характер процесса синтеза, который может реализоваться для более тяжелых ядер по сравнению с ядрами водорода и его изотопов - дейтерия и трития.

Принципиально новый механизм ускорения электронов дает рассмотрение этого процесса как коллективного с участием атомов, находящихся в условиях протекания туннельной ионизации, идущей с большой скоростью, определяемой высокой частотой ионизации в сильных магнитных полях.

Коллективный механизм ускорения электронов в лазерной плазме рассмотрен на основе гидродинамической модели лазерной плазмы. Показано, что основной вклад в ускорение малой группы электронов - быстрых частиц дает сила радиационного ускорения, появляющаяся вследствие туннельной ионизации. Отсюда следует, что значение энергии малой группы быстрых электронов определяется отношением частоты туннельной ионизации к плазменной частоте а/тпс2 = у^/аю^, где а - постоянная тонкой структуры.

На основе гидродинамического приближения определен также темп ускорения малой группы частиц с концентрацией щ/п0 ~ 10"5, который также определяется частотой ионизации и может достигать 10 МэВ/фемтосекунду. Приведенные результаты теории хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными американскими учеными и не объяснимыми в рамках существующих моделей.

Воздействие сильных магнитных полей на атом приводит к необходимости решения нелинейного уравнения Шредингера. Показано, что в данном случае эта задача сводится к известной, имеющей решение сингулярного характера. Такие задачи рассматривались в рамках теории волновых коллапсов, существование сингулярных решений нелинейного уравнения Шредингера аналогично известному в квантовой механике явлению "падения на центр", описанному Л.Д.Ландау как случай, представляющий академический интерес. Здесь, при воздействии на атом электромагнитных полей, равных по напряженности или превышающих внутриатомные, это явление приобретает реальный характер.

Развитие непотенциальных вихревых неустойчивостей вейбе-левского типа приводит к генерации в лазерной плазме мелкомасштабной по сравнению со скин-слоем вихревой магнитной структуры с напряженностями магнитного поля, эффективно влияющими на процессы энергопреобразования в металлизированной плазме и самом атоме. Мерой взаимодействия внешнего магнитного поля с атомными электронами служит энергия магнитного момента (энергия спинового взаимодействия), равная

МВ =

ПО. ehjU0H

2 2т где и = ch/2me - магнетон Бора.

Из условия "вмороженности" магнитного поля. т.е. условия постоянства магнитного потока через сечение электронной орбиты в атоме радиуса /* (Ф0 - В-т'2 - Ва ■ 7tr~ - const) следует значение потенциальной энергии спинового взаимодействия на произвольной ороите, равное и =--=--'-f-. При такой зависимости

2 2 г

потенциальной энергии от радиуса г становится возможным, как показано Л.Д.Ландау, процесс свободного "падения на центр", т.е. на ядро атома, если критический потенциал взаимодействия составляет величину U^p = -ti2 ¡Ыг2 = -TiQ.ar2 /lr2 . откуда находится критическая величина электрон - циклотронной частоты и критической магнитной индукции Ва на боровской орбите:

jU0H0e/m = П0 = h/4mr¿ = 1016 сек1, Ba = 100 МГс.

Поле с величиной напряженности такого порядка, как было показано выше, образуется на масштабах первого боровского радиуса при интенсивности падающего на вещество лазерного излучения ~ 1017 Вт/см2. Результатом анализа нелинейного уравнения Шредингера в данном случае является высокоэффективный процесс спинового разделения атомных электронов. Электроны с ориентацией спина вдоль магнитного поля, приобретая энергию tiQ., преодолевают потенциальный барьер, и этот процесс носит диффузионный, а не квантовый характер.

В отличие от других работ, в той или иной степени затрагивающих диффузионный характер ионизационных процессов в сильных электромагнитных полях, в данном случае интерес к этим процессам связан с исследованием механизма перестройки атомных электронных оболочек, в результате которого осуществляется воздействие на ядро. В основе этого механизма лежит стохастический характер процессов в атоме при воздействии на него сильных электромагнитных детерминированных полей. Такой подход позволил найти коэффициент диффузии атомных электронных оболочек, ответственный за перенос энергии из атома (ионизация) и вглубь атома (падение на центр). Найденное значение коэффициента диффузии равно Тг/т-К и определяется параметрами электрона - значением его спина (пропорциональность постоянной Планка) и массой электрона. Постоянная Планка, входящая в выражение коэффициента диффузии, как следует из построенной модели, говорит о спин-орбитальном характере взаимодействия электрона с полем, вмороженным в электронные оболочки - орбиты. Величину этого поля, действующего на атом, учитывает параметр К - обратный параметр Келдыша, равный отношению энергии хаотических осцилляций к средней энергии квантового состояния электрона. При высоких интенсивностях падающего на вещество лазерного излучения этот параметр равен единице и коэффициент диффузии зависит только от характеристик электрона: D = h/m.

Высокий коэффициент диффузии, а также малое время тун-

нельной ионизации (~ 10'17 сек) придают этому процессу характер ионизационного взрыва. Другая часть электронов с противоположным спином под действием сильного магнитного поля "падает" на нижние уровни, уплотняя нижележащие электронные оболочки. Это уплотнение идет до масштаба Ле = Ь/тес - компто-новской длины волны электрона и приводит к сильному изменению потенциального ядерного барьера, к воздействию на ядро. Для тяжелых ядер с заметным квадрупольным моментом это воздействие может приводить к искусственной радиоактивности с возрастанием вероятности всех видов распада, включая фрагментарную (кластерную) радиоактивность. Ядра в таких условиях ведут себя подобно искусственно созданным делящимся изомерам. Наведенная изомерия ядер может носить необратимый характер для устойчивых изотопов.

На базе стохастического подхода рассмотрены процессы, также носящие коллективный характер и связанные с передачей энергии возбужденных ядер.

Разработана также модель внутренней конверсии - передачи энергии возбужденного ядра в результате электромагнитного взаимодействия непосредственно атомным электронам. Такое построение модели стало возможным в рамках капельной оболочеч-ной модели ядра с колеблющимися ну клонами, т.е. с учетом внутренней стру кту ры ядра. Показано, что учет вращения или колебания нуклонов (протонов) в ядре существенно влияет на устойчивость связанных с ядром электронов и при определенных условиях ведет к ионизации атома. Наряду с описанием на базе стохастического подхода процесса внутренней конверсии исследован коллективный процесс внешней конверсии, при котором избыток энергии ядра передается внешним электронам. Показано, что последний процесс может идти с высокой эффективностью благодаря высокой степени синхронизма, сфазированности наведенных в ядрах вещества мультипольных моментов, взаимодействующих к тому же друг с другом через поле излучения и поле, индуцированное в лазерной плазме. Построенная модель является важным этапом решения самосогласованной задачи взаимодействия лазерного излучения с веществом с учетом воздействия на лазерную плазму возбужденных ею атомов и ядер.

Полученные к настоящему времени результаты теоретических исследований по электромагнитному стимулированию коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме позволили определить условия проведения экспериментов по инициированию ядерных реакций при воздействии на мишень мощного лазерного излучения.

В третьей главе приводится описание разработанной и созданной в ЦНИИМАШ при руководстве и участии автора экспериментальной базы для исследования взаимодействия с веществом высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения.

В ЦНИИМАШ работы по созданию экспериментальной базы, предназначенной для проведения комплексных исследований по взаимодействию лазерного излучения тераваттного уровня мощности с веществом ведутся около десяти лет. За этот период разработано и создано несколько типов лазерных систем сверхкороткой длительности импульса. Испробовано множество вариантов, накоплен большой опыт в разработке и создании сверхкороткоим-пульсных лазеров на различных средах - на красителях, на экси-мерах, твердотельных. В настоящее время на основе успешных теоретических исследований по электромагнитному стимулированию коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, проведенных в ЦНИИМАШ, в т.ч. и с целью поиска направлений эффективного использования созданной экспериментальной базы, наметилось и проводится дальнейшее развитие

Лазерная система иа неодим овом фосфатном стекле

Мншгшт

вакуумный

комплекс

Система дцагносгаки

Лазерная система с пссимсрными конечными каскадами усиления

Рис. 1. Блок-схема экспериментальной базы, созданной в ЦНИИМАШ

Система автоматизации процессов сбора и о ¿работай ивф ормации

стендовой базы.

Существующая лазерная база в настоящее время состоит из трех типов сверхкороткоимпульсных систем - на фосфатном стекле, на легированном титаном сапфире и на эксимерной среде. Блок-схема экспериментальной базы показана на Рис. 1.

Лазерные системы на неодимовом фосфатном стекле и на сапфире с титаном были разработаны, созданы и использовалась в проводимых экспериментах. Эксимерная система разработана принципиально, создана ее задающая (стартовая) часть и один из четырех каскадов эксимерных усилителей.

Все разработки по сверхкороткоимпульсным лазерным системам представляют интерес с точки зрения основы для развития с высоким темпом экспериментальных исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме как фундаментального, так и прикладного характера с отработкой принципиально новых технологий в атомной и ядерной физике и технике.

Лазеры на неодимовом стекле технически отработаны значительно лучше кристаллических, допускают сравнительно простое масштабирование энергии и позволяют работать в пико- и субпи-косекундном диапазонах длительности импульса излучения. Именно на лазерах на неодимовом стекле получены рекордные значения мощности, превышающие петаваттный (Ю1^ Вт) ру беж. Лазерная система на неодимовом фосфатном стекле, созданная в ЦНИИМАШ при активной поддержке Института лазерной физики ГОИ, собрана по уже ставшей классической схеме: задающий генератор - стретчер - усилитель - компрессор. Сначала в лазере на неодимовом фосфатном стекле с пассивной синхронизацией мод и отрицательной обратной связью генерируется цуг коротких лазерных импульсов длительностью ~ 1 псек, выделенный одиночный импульс затем удлиняется с помощью системы из двух дифракционных решеток (стретчера). Далее у длиненный импульс у силивается сначала в двухпроходпом предварительном усилителе, затем в оконечном усилителе, после которого лазерный импульс компрессируется до первоначальной длительности на паре дифракционных решеток и направляется в вакуумную мишенную камеру. Данная лазерная система позволяет получать выходную энергию 1 Дж при

длительности импульса ~ 1 псек.

Основные энергетические и пространственные характеристики задающей части системы на сапфире с титаном:

- излучение задающего генератора одномодовое с гауссовым распределением энергии по поперечному сечению диаметром 1.5 мм, длительность импульсов 5.5 нсек, энергия не менее 12 мДж;

- после первого каскада сжатия в ВРМБ-компрессоре и усиления длительность импульсов около 0.5 нсек, энергия не менее 25 мДж, диаметр пучка 4 мм, длина волны 1.06 мкм;

- после преобразования излучения во вторую гармонику кристаллом КДР длина волны 0.53 мкм, энергия импульсов не менее 8 мДж;

- после второго каскада сжатия в ВКР-компрессоре длина волны 0.63 мкм, длительность импульсов не более 15 псек, энергия не менее 3 мДж;

- после третьего каскада сжатия во втором ВКР-компрессоре длина волны 0.78 мкм, длительность импульсов не более 3 псек, энергия не менее 0.5 мДж.

Для усиления излучения на длине волны 0.78 мкм используется усилительная часть системы.

Излучение с длиной волны 0.78 мкм усиливается в двухкаскадном усилителе на сапфире с титаном (кристалл АЬОз'.Тл3 ). Накачка кристаллов А120з".Т13+ осуществляется с помощью лазерного излучения. Часть излучения из задающего генератора с помощью полупрозрачной пластины и глухого зеркала направляется на двухкас-кадный усилитель на кристаллах УАО:Ш. Диаметр первого кристалла 8 мм, второго - 12 мм. после прохождения этого двухкас-кадного усилителя энергия излучения на длине волны 1.06 мкм равна примерно 1 Дж при длительности импульса 5 нсек. После удвоения частоты в кристалле КДР излучение направляется на дихроичное зеркало, которое отражает излучение на длине волны 1.06 мкм и пропускает на длине волны 0.53 мкм. Отраженное излучение 1.06 мкм проходит еще один кристалл КДР, фокусируется линзой и направляется на следующее дихроичное зеркало, после которого используется для накачки первого каскада усиления -кристалла А1203:Т13+ диаметром 4 мм. Пропущенное излучение

длиной волны 0.53 мкм расширяется телескопом, с помощью зеркала и линзы направляется на дихроичное зеркало и используется для накачки второго каскада усиления - кристалла АЬОз.П3' диаметром 10 мм. После прохождения излучения длиной волны 0.78 мкм, энергией 0.5 мДж и длительностью импульса 1.5 - 3 псек через двухкаскадный усилитель на кристаллах сапфира с титаном излечение имеет длину волны 0.78 мкм, длительность импульса 1.5-3 псек и энергию в импульсе 30 - 50 мДж.

Функциональная схема мощной фемтосекунной эксимерной системы, создаваемой в ЦНИИМАШ, разработана совместно с МГУ. Система содержит пять основных блоков: блок задающего генератора, струйный лазер на красителе, блок регенеративного усилителя, трехкаскадный усилитель на красителе и блок эксимер-ных усилителей на ХеС1.

Задающий генератор "Ягуар" генерирует непрерывную последовательность импульсов длительностью 100 псек на длине волны 1.064 мкм с интервалами около 10 нсек между импульсами при средней мощности излучения 4 Вт. Это излучение фокусируется на нелинейно-оптический кристалл калий - титанил фосфата (КТР). где часть его (около 10%) преобразуется во вторую гармоник}'. Излучение на длине волны 0.53 мкм с помощью селективного зеркала отделяется от основного и обеспечивает накачку лазера на красителе.

Струйный лазер на красителе настроен на режим синхронной накачки импульсами задающего генератора. На выходе лазера на красителе наблюдается непрерывная последовательность импульсов на длине волны 0.616 мкм с интервалами около 10 нсек между импульсами. Энергия отдельного пичка составляет 0.4 нДж. Длительность импульсов лазера на красителе, измеренная автокорреляционным методом, составляет 500 фсек. Излч'чение струйного лазера на красителе направляется на вход трехкаскадного усилителя на красителе.

Непреобразованная часть излучения ЗГ "Ягуар" проходит через селективное зеркало и попадает в блок регенеративного усилителя (РУ). Впускающим затвором РУ выделяется один из импульсов ЗГ, который усиливается в РУ с 30 нДж до 1 мДж и

выпускается вторым затвором после примерно 50 проходов по резонатору. Контрастность выходного импульса не хуже 104. Затем усиленный в регенеративном усилителе одиночный пикосекудный импульс направляется на дальнейшее усиление в мощный двух-проходный усилитель, где усиливается до 100 мДж. После этого происходит преобразование частоты этого импульса во вторую гармонику (длина волны 0.53 мкм) в нелинейно-оптическом кристалле КДР с эффективностью не хуже 30%. Далее этот импульс используется для накачки трехкаскадного усилителя на красителе.

В блоке трехкаскадного усилителя на красителе происходит выделение одного из импульсов лазера на красителе и его усиление с уровня 0.4 нДж до 0.1 - 0.5 мДж. Три каскада усиления увеличивают энергию выделенного импульса лазера на красителе в 10б раз. Затем этот импульс преобразуется во вторую гармонику с эффективностью не хуже 10% и инжектируется в блок эксимерных усилителей.

Последовательное усиление импульса длительностью 500 фсек энергией 10-20 мкДж на длине волны 0.308 мкм в четырех каскадах эксимерных усилителей на ХеС1 может обеспечить увеличение энергии этого импульса до 1 Дж. Соответственно пиковая мощность такого импульса достигнет тераваттного уровня.

Излучение трех типов лазерных систем направляется в вакуумную мишенную камеру, снабженную системой откачки.

Откачная система выполнена на базе турбомолекулярного насоса производительностью 500 л/сек и фор вакуумного насоса 2НВР5Д. Кроме этого, откачная система содержит высоковакуумный шибер Ду 150, вакуумные вентили форнасоса и байпасной откачки, вентиль напуска газа в форнасос.

Приборный стол представляет собой стойку, на которой смонтированы вакуумная камера и откачная система. На отдельной стойке размещены приборы управления насосами и вакууметры. Предельный вакуум в камере составляет 5ТО"6 мм рт.ст.

Управление стендом ведется со специальной стойки. В ее состав входит блок питания для турбомолекулярного насоса, система управления форвакуумным насосом, прибор 1ЗВТЗ-ООЗ - для измерения низкого вакуума, и прибор ВМБ-14 с датчиком для замера

высокого вакуума. Рабочий вакуум порядка 2-10"6 мм рт.ст. в рабочей части достигается за 30 минут при работе ТМН-500.

Мишенная вакуумная камера снабжена системой фокусировки лазерного излучения с длинами волн 1.06 и 0.53 мкм с энергией в импульсе ~ 1 Дж и длительностью 1 псек.

В качестве концентраторов излучения мощных лазеров видимого и ближнего ИК диапазонов в настоящее время используются линзовые объективы.

Общая схема комплекса систем диагностики представлена на рис. 2. Комплекс состоит из систем измерений и контроля параметров лазерного излучения (основные характеристики этих систем представлены в табл. 1) и систем диагностики параметров лазерной плазмы (основные характеристики - в табл. 2).

Автоматизированная система Система диагностики лазерной

контроля параметров лазер- плазмы

ного излучения

Спектральный комплекс УФ -б.ипшей ИК области

Автокорреляторы Рентгеновский снестральный комплекс

С т е н Л

Спектр-контроллер Комплекс регистра] рш люминесценции

Измерители энергии Узкополосный КАРС-спектрометр

Регистратор распределения мощности Комплекс зондовых, индуктивных, волоконно-оптических датчиков

Автоматизированная система сбора и обработки данных. Ядерно-физический комплекс

Автоматизированная система сбора и обработки данных.

Рис. 2. Общая схема комплекса систем диагностики.

Автоматизированная система измерений и контроля параметров лазерного излучения

Табл. 1.

№ Аппаратура Основные характеристики

1 а) Автокорреляторы для измерения длительности ультракоротких одиночных импульсов б) Стрик-камера для измерения длительности коротких одиночных импульсов - временное разрешение не хуже 100 фсек; - диапазон обзора 2 псек; - чувствительность по энергии измеряемого импульса 1 мДж; - спектральный диапазон 1.06 мкм; 0.8мкм. Временное разрешение ~ 20 псек.

2 Спектр-контроллер для измерения ширины спектра одиночных ИМПУЛЬСОВ - спектральное разрешение 1 А°; - чувствительность по энергии одиночного импульса 0.1 мДж.

3 Измерители энергии одиночных импульсов типа ИКТ-2Н, ИМО-3, ИЛД-ЗМ - диапазон измеряемых энергий от 0.1 мДждо 150 Дж.

4 Регистратор распределения мощности на базе супервидикона ЛИ-704 - число регистраторов по каждой координате 256; - динамический диапазон 100; - чувствительность по энергии одиночного импульса 0.1 мДж.

5 Автоматизированная система сбора и обработки данных на базе КРЕЙТ-КАМАКов и ЮМ РС - число каналов 4; - возможность работы в режиме реального времени.

Системы диагностики лазерной плазмы

Табл. 2.

№ Аппаратура Основные характеристики

1 2 ->

1 Спектральная система для регистрации спектров излучения плазмы в УФ - ближней ИК области спектра на базе монохроматоров МДР-23, спектрографов ДФС-452, СТЭ1, систем регистрации на базе ПЗС-линеек, усилителей яркости, супервидикона ЛИ-407, набора ФЭУ. - спектральный диапазон 0.2 - 1.1 мкм; - временное разрешение ~ 1 нсек; - чувствительность по энергии 0.1 мДж.

2 Рентгеновская спектральная система для регистрации рентгеновских спектров излучения плазмы на базе рентгеновских спектрографов с плоским и сферическим кристаллом слюды, камер-обскура, рентгеновской стрик-камеры. - спектральный диапазон 1.0 - 100 А°; - временное разрешение ~ 7 псек.

3 Система регистрации люминесценции для регистрации люминесценции прозрачных материалов, находящихся при различной температуре, на базе монохроматора МДР-23, - спектральный диапазон 0.26 - 1.1 мкм; - временное разрешение 2 нсек: - температу ра образца 80 - 800 °К.

1 2 3

ФЭУ типа 10 ЭЛУ-ФК, специальной вакуумной камеры с охлаждением и нагреванием образца, осциллографов С7-19, С8-12.

4 Узкополосный КАРС-спектрометр для регистрации КАРС-спектров плазмы на базе лазеров УАО:Ш и лазера на красителе "С-160". - лазеры накачки на длинах волн 0.53, 0.6 мкм; - временное разрешение 10 нсек; пространственное разрешение 0.2x0.2x5 мм.

5 Системы на базе зондо-вых, индуктивных, волоконно-оптических электрических и магнитных датчиков для измерения напряженности электрических и магнитных полей в лазерной плазме. - зондовые датчики электрических полей обеспечивают измерение потенциалов электрических полей с чувствительностью 1 мВ/В и временным разрешением 200 псек; индуктивные и волоконно-оптические датчики обеспечивают измерение напряженности магнитных полей с чувствительностью 0.03 - 3.0 В/Э с временным разрешением 200 псек.

6 Система ядерно-физических средств для регистрации нейтронного и у-излучения из лазерной плазмы на базе сцинтилляционного детектора (кристалл стильбена и ФЭУ-30), работающего в режиме счета фотонов, схемы совпадений с исполь - измеряемая энергия больше 20 кэВ; - временное разрешение 7 нсек; - возможность раздельной регистрации нейтронного и у-излучения.

1 2 3

зованием время-амплитудного преобразователя (ВАП). КРЕЙТ-КАМАКа, осциллографов С1-75, С8-14, супервидикона ЛИ-704, набора свинцовых фильтров.

7 Автоматизированная система сбора и обработки данных на базе КРЕЙТ-КАМАКов и ЮМ РС - число каналов 6; - возможность работы в режиме реального времени

В системе автоматизации экспериментального стенда использованы ПЭВМ типа 1ВМ РС 486 и система КАМАК (стандартные модули) для стыковки регистрирующих и исполнительных органов с ПЭВМ. В качестве примера типичной конфигурации системы автоматизации на рис. 3 приведена схема управления, регистрации и обработки данных спектральных экспериментов.

Схема управления, регистрации и обработки данных спектральных экспериментов выполняет следующие функции: синхронизация работы элементов экспериментальной системы, прием, запоминание и обработка результатов экспериментов, управление шаговыми двигателями и реле.

Контроллер крейта обеспечивает связь с ПЭВМ, синхронизатор-таймер СТ-1 ведет отсчет временных интервалов, сдвоенный цифро-аналоговый преобразователь 2ЦАП-10 во взаимодействии с релейным мультиплексором ФК-79 передает отметки времени лазерной системе, второй 2ЦАП-10 перестраивает временную задержку стробоскопического преобразователя, аналогово-цифровой преобразователь с аналоговым запоминающим устройством ФК-71 измеряет сигналы с выхода стробоскопического преобразователя, мощный выходной регистр РУР-1Р управляет монохроматором,

Рис. 3. Функциональная схема системы автоматизации управления, регистрации и обработки данных спектральных экспериментов

второй ФК-71 измеряет сигналы ФЭУ, МУШД управляет перемещениями шаговых двигателей в вакуумной камере. Результаты спектральных измерений от спектрометра через многоканальный оптический анализатор напряму ю вводятся в ПЭВМ, записываются в файл и направляются на дальнейшую обработку с помощью специально разработанных программ или отображаются в виде графиков или таблиц универсальными программами обработки числовых массивов для ПЭВМ.

В четвертой главе приведены основные результаты экспериментальных исследований взаимодействия с веществом сверхкоротко-импульсного высокоинтенсивного лазерного излучения. Эксперименты проводились на лазерных установках разного типа, носили как методический, так и исследовательский характер. Были отработаны различные методики исследования магнитных полей

лазерной плазмы, регистрации и обработки спектров излучения лазерной плазмы в различных диапазонах (включая рентгеновский), регистрации КАРС-спектров плазмы с поиском возможностей КАРС-спектрометрии для исследования процессов в плазме сверхкороткоимпульсного излучения. Отработаны методики на базе ядерно-физических средств для регистрации потоков нейтронного и /-излучения из лазерной плазмы.

Среди проведенных экспериментальных исследований непосредственно к изучению проблемы коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме ближе всего стоят эксперименты, направленные на подтверждение теоретических разработок и исследование параметров потоков нейтронов и /-излучения из лазерной плазмы.

В основе метода измерения суммарных потоков нейтронного и у-излучения, возникающего при взаимодействии мощного лазерного пучка с мишенью, лежит использование сцинтилляционного детектора на основе кристалла стильбена и техники совпадений, позволяющей дискриминировать фон. разделять вид излучения и измерять энергию нейтронов по времени пролета. Блок-схема эксперимента приведена на Рис. 4.

Рис 4 Блок-схема эксперимента.

ЗГ - задающий генераюр Л3 - линия задержки ФЭК - фотоэлектронный

ка гол

БД - быстродействующий

дискриминатор ЗО - запоминающий осциллограф ВАЛ - время-амплитудный

преобразователь ИД - интегральный дискриминатор ИП - источник питания

фотоэлектронного усилителя (ФЭУ) ПП - пересчетный прибор КС - кристалл стильбена

Детектор излучения располагается в непосредственной близости от мишени в стакане вакуумной камеры. Толщина дна стакана, изготовленного из алюминиевого сплава, составляет 2 мм, а толщина стенки упаковки детектора, также изготовленного из этого сплава -1,5 мм. Таким образом, суммарная толщина алюминиевого фильтра, равная 3,5 мм, позволяет устранить регистрацию детектором мягкого (до ~ 20 кэВ) рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии лазерного пучка с мишенью. Для устранения более жесткого рентгеновского излучения служит дополнительный фильтр из свинца, установленный перед детектором.

Сцинтилляционный детектор включает в себя кристалл стиль-бена размерами 050x50 мм и фотоэлектронный умножитель ФЭУ-30, работающий в режиме счета фотонов. Известно, что кристалл стильбена (С14Н12), относящийся к классу органических сцинтил-ляторов, обладает высокой эффективностью и высоким быстродействием благодаря малому времени высвечивания быстрой компоненты ( г ~ 6 не). Кроме того, кристалл стильбена позволяет разделять вид излучения путем применения специальных методов разделения импульсов от электронов, возникающих при регистрации ^-квантов и протонов отдачи, возникающих при регистрации нейтронов. Методы разделения основаны на различных соотношениях интенсивностей быстрой и медленной компонент высвечивания.

В качестве мишени был выбран бериллий. Этот выбор обу словлен минимальной энергией связи в ядре бериллия ~ 1.655 МэВ/нуклон, а также структурой электронных оболочек его атомов. Было зарегистрировано суммарное нейтронное и жесткое у-излучение (~ 200 кэВ) из лазерной плазмы. Определена пороговая интенсивность появления этих излучений ~ 5-1015 Вт/см2, хорошо совпадающая с результатами проведенных теоретических расчетов.

Регистрируемая энергия суммарного нейтронного и у-излучения свидетельствуют о наличии ядерных процессов в лазерной плазме.

Основные результаты.

В диссертации решена актуальная научная проблема -"Исследование коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме"', имеющая большую научную, практическую значимость и народнохозяйственное значение. Основные полученные в диссертации результаты сводятся к следующему.

1. На базе цикла теоретических и экспериментальных работ проведены комплексные исследования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, образованной воздействием на вещество интенсивного (более 1016 Вт/см") сверхкороткоим-пульсного (время воздействия менее 1 пикосекунды) лазерного излучения.

2. В развитии теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме полученные основные результаты сводятся к следующему:

- исследованы с учетом ту ннельной ионизации особенности развития в лазерной плазме коллективных процессов - неустойчи-востей вейбелевского типа, приводящих к развитию тороидальных вихревых структу р, эффективно трансформирующих энергию лазерного излучения в другие виды энергии - сверхсильные магнитные поля, рентгеновское излучение, быстрые частицы, высоко-энергетичные потоки и др.;

- исследован коллективный механизм ускорения малой группы частиц - электронов в лазерной плазме, высокие значения их энергии (> 50 МэВ) и темпа ускорения (> 10 МэВ/фсек) определяется высокой величиной частоты ионизации атомов в сильных электромагнитных полях, индуцированных в плазме;

- показано, что в плазме, образованной воздействием на вещество лазерного излу чения интенсивностью > 1016 Вт/см2 процесс ионизации приобретает диффузионный характер, определяемый коэффициентом диффузии Б ~ /г/тс. и носит характер ионизационного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов;

- найден критерий возникновения в лазерной плазме нелиней-

ного волнового коллапса электронных оболочек, приводящего к сильному воздействию на ядра, описан механизм такого процесса;

- на основе квантовомеханической модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, описаны процессы внутренней и внешней конверсий - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы.

3. Разработан и создан комплекс лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы -стендовая база для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.

4. Предложены, созданы и отработаны методики проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных. Отработаны методики исследования магнитных полей лазерной плазмы, регистрации и обработки спектров излучения лазерной плазмы в различных диапазонах включая рентгеновский, регистрации спектров плазмы, в т.ч. спектров когерентного антистоксова рассеяния света, с поиском возможностей спектроскопии для исследований процессов в плазме сверхкорот-коимпульсного излучения. На основе этих методик проведены серии экспериментов по воздействию интенсивного (> 1016 Вт/см2) лазерного излучения на вещество и исследованию характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высокоэнергетичных потоков (> 200 кэВ) и др. Зарегистрированы суммарные потоки нейтронов и жесткого ^-излучения из плазмы, образованной воздействием на мишень (бериллий) высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения. Определенная экспериментально пороговая интенсивность этих потоков хорошо совпадает с результатами теоретических расчетов.

Содержание диссертации опубликовано в работах автора:

1. Беляев B.C., Валянский С.И., Комиссаров A.B., Матафонов А.П., Смирнов В.В., Фабелинский В.И., Локальные измерения

вращательной и колебательной температур азота в потоке плазмат-рона. Тезисы докл. IX Всесоюзн. конф. по генерации низкотемпературной плазмы, Фрунзе, 1983, "Илши", с.232-233.

2. Алексеев A.A., Беляев B.C., Комиссаров A.B., Крюков П.В., Магницкий С.А., Матафонов А.П., Тункин В.Г., Изобретение "Лазер с пассивной модуляцией добротности с перестраиваемой частотой излучения", а/с 1259927 от 29.04.84.

3. Беляев B.C., Комиссаров A.B., Матафонов А.П., Изобретение "Источник одиночного сверхкороткого импульса", а/с 1667586 от 19.01.89.

4. Belyaev V.S., Komissarov A.V., Matafonov А.Р., Schevchenko A.M., The Use of CARS-Spectroscopv in Applied Gas Dynamics, Intern. Symposium on Coherent Raman Spectroscopy, Samarkand, 1990.

5. Беляев B.C., Валянский С.И., Комиссаров A.B. и др., Бесконтактные локальные измерения колебательной и вращательной температур азота в потоке электродугового плазматрона. Письма в ЖТФ. т. 10. вып.4. 1984. с.231-234.

6. Аксенов А.Я., Беляев B.C.. Кудаков А.Д.. Кузьминов Ю.С.. Макшанцев Б.И.. Пакулев A.B.. Изобретение "Способ определения длительности лазерного импульса", а/с 1670996 от 24.07.87.

7. Беляев B.C.. Исаакян А.Р.. Колчин К.В.. Макшанцев Б.И., О формировании лазерных ультракоротких импульсов методом диф-лектирования. Квантовая электроника, т. 18. сб. 12, 1991, с. 14841488.

8. Беляев B.C., Залогин Г.Н., Крюков П.В., Кнотько В.Б., Лунев В.В., Матафонов А.П., Остапович О.Н., Редичкин С.Б., Семин

В.А., Исследование неравновесного течения в высокочастотном плазматроне, Тезисы докладов VIII Всесоюз. конф. по динамике разреженых газов, т.2. Москва, 1985.

9. Беляев B.C., Комиссаров A.B., Матафонов А.П., Шевченко A.M.. Локальные измерения колебательной и вращательной температур низкотемпературной плазмы методом КАРС-спектрометрии, Фи-

зика плазмы и некоторые вопросы общей физики, Сб. научных трудов под ред. чл.-корр. АН СССР Анфимова Н.А., ЦНИИМАШ, 1990, с.44-52.

10. Афанасьев А.А., Беляев B.C., Дриц В.В., Толкачева Е.Г., Распространение ультракоротких импульсов света в периодически модулированной резонансной среде, Труды VII Междунар. конф. "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993.

11. Беляев B.C., Биглов З.А., Гордиенко В.М., Магницкий С.А., Оганян П.Г., Формирование пикосекундных импульсов с интенсивностью 1014 Вт/см2 в твердотельной Nd:YAG системе с регенеративным усилителем, Труды VII Мнждунар. конф. "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993.

12. Беляев B.C., Виноградов В.И., Кабашин А.В., Конов В.И., Никитин П.И., Матафонов А.П., Электрические поля лазерной искры, поджигаемой субнаносекундными импульсами, Труды VII Мнждунар. конф. "Оптика лазеров", С.-Петербург, 1993.

13. Beliaev V.S., Pico-Femtosecond Science and Technology in Russia, Proc. of the Intern. Conf. on "Laser'92", Houston, USA, 1992, Ed. C.P. Wang STSPress, McLean, VA, 1993, p.216-219.

14. Beliaev V.S., Golovin A.F., Kolyadin S.A., Matafonov A.P., Spectroscopic Diagnostics of Magnesium Plasma Produced by Short Laser Pulses, Laser Physics, Vol.3. №5, 1993, p. 1-6.

15. Beliaev V.S., Some Aspects of Ultra-Short Pulses Amplification and Application, Proc.of Intern.Conf. on "Laser'93",Lake-Tahoe,USA,1993.

16. Беляев B.C., Виноградов В.И., Кабашин A.B., Конов В.И., Никитин П.И., Матафонов А.П., Исследование пространственно-временной структуры электрических полей лазерной плазмы при различных параметрах греющего излучения, Препринт №31 ИО-ФРАН, М., 1993, с.41.

17. Arefyev V.I., Beliaev V.S., The Nature of Spontaneous Magnetic Fields and RF-Radiation in Laser-Produced Plasmas, Rep. on 21 Intern. Conf. on Plasma Science, June 1994, Santa Fe, New Mexico, USA.

18. Arefyev V.I., Beliaev V.S., First Stage of Laser Produced Plasma, Proc of Intern. Conf. on "Lasers'94", Dec. 1994, Quebec, Canada.

19. Arefy ev V.I., Beliaev V S.. Specific Features of the Propagation of a High-Power Ultrashort Laser Pulse in a Solid State Plasma, Laser Physics, Vol.5, №4, 1995, p.856-867.

20. Beliaev V.S., Collective Effects of Ionizing Radiation Powerful Super Short Pulses Energy Transformation, Proc. of Intern. Conf. on "Lasers'95", Dec. 1995, Charleston, USA.

21. Arefyev V.I., Beliaev V.S., Electromagnetic Stimulation of Collective Atomic and Nuclear Processes in a Laser-Produced Plasma, Laser Physics, Vol.6, №5, 1996, p.906-924.

22. Арефьев В.И., Беляев B.C., Эффект стимулированного высвобождения энергии электронного континуума, ДАН, т.384, вып.З, 1996, с.318-322.

23. Beliaev V S., Brunetkin В.A.. Kurilov A.S., Matafonov А.P., Magunov A.I.. Vergunova G.A.. Vinogradov V.I.. Interaction of the Train of the Picosecond Laser Pulses with Solid Target. Proc. of 24th European Conf. on Laser Interaction with Matter. June 3-7. 1996, Madrid. Spain.

24. Arefyev V.I., Beliaev V.S.. Electromagnetic Stimulation of Collective Atomic and Nuclear Processes in Laser Plasma. Rep. on 5th Intern. Workshop on Laser Physic (LPHYS'96), July 22-26, 1996, Moscow. Russia.

25. Arefyev V.I., Beliaev V.S., Development of Atomic and Nuclear Processes in a Laser-Produced Plasma, Laser Physics, vol.7, № 5, 1997.

J

П p e з иди ум ВАК с с и и 1|

(решениеor " JL" ¿У í$fSi

присудил ученую степень, . ■. > __- ^ _

/Начальник управления ■

А/ / ; / : .. ;

/ А ' / * -л - С

4 I 7 / ■■■ < 7 -- . /

/

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского космического агентства

На правах рукописи УДК 621.3:533.9:535.42

БЕЛЯЕВ ВАДИМ СЕВЕРИАНОВИЧ

Исследование коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме

Специальность 01.04.04 - физическая электроника

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

г. Королев, Московская область 1997

Содержание

Стр.

I. Введение......................................;................................................................................................................................4

1.1. Общая характеристика работы............................................................................................................................4

1.2. Содержание работы .............................................................................................................................................................16

II. Развитие теории электромагнитного стимулирования коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме........................................................................26

2.1. Характеристики лазерной плазмы..................................................................................................................26

2.2. Постановка задачи. Исходные уравнения и процессы развития не-устойчивостей в плазме........................................................................................................................................................32

2.3. Механизмы генерации сильных магнитных полей в лазерной плазме 47

2.4. Коллективный механизм ускорения электронов в лазерной плазме ... 54

2.5. Воздействие электромагнитных полей лазерной плазмы на атом............66

2.6. Трансформация атомных структур под действием электромагнитных полей лазерной плазмы ....................................................................................................................................84

2.7. Коллективные ядерные процессы в лазерной плазме....................................................94

III. Экспериментальная база для исследования взаимодействия с веществом высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения ..........................................................................................................................................................................................................Ю6

3.1. Лазерная система на неодимовом стекле............................................................................................129

3.2. Лазерная установка на сапфире с титаном......................................................................................134

3.3. Мощная фемтосекундная эксимерная система........................................................................143

3.4. Обеспечение согласованности работы элементов лазерных систем ... 152

3.5. Мишенно-вакуумный комплекс............................................................ 156

3.6. Комплекс систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы..................................................................................... 160

3.7. Система автоматизации экспериментальной базы............................... 163

IV. Основные результаты экспериментального исследования взаимодействия с веществом лазерного сверхкороткоимпульсного высокоинтенсивного излучения....................................................................................... 169

4.1. Исследование магнитных полей в плазме, инициированной сверхкороткими лазерными импульсами на поверхности материала мишени .. 169

4.2. Экспериментальное определение порогов плазмообразования при облучении твердотельных мишеней пикосекундным лазерным импульсом с длиной волны 1.06 мкм........................................................... 192

4.3. Экспериментальное исследование генерации рентгеновского излучения плазмы, инициированной сверхкоротким лазерным импульсом . 199

4.4. Исследование взаимодействия пикосекундных лазерных импульсов с твердыми мишенями методами высокоразрешающей рентгеновской спектроскопии............................................................................................ 201

4.5. Локальные измерения вращательных и колебательных температур низкотемпературной плазмы методами КАРС-спектроскопии............... 204

4.6. Результаты экспериментов по электромагнитному стимулированию коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.......... 209

V. Заключение................................................................................................. 221

VI. Литература................................................................................................. 225

I. Введение.

1.1. Общая характеристика работы. Актуальность проблемы

Развитие лазерной техники привело в настоящее время к созданию мощных лазеров с длительностью импульса порядка десятков фемтосекунд и интенсивностью излучения в фокальном пятке порядка гигатераватт на квадратный сантиметр (1021 Вт/см2), с потоками энергии порядка сотен мегаджоулей на квадратный сантиметр (108 Дж/см2), объемной концентрацией световой энергии, превышающей тераджоуль в кубическом сантиметре (1012 Дж/см3), что открыло качественно новый этап развития физики взаимодействия излучения с веществом.

Принципиально новые возможности исследования такого взаимодействия связаны, во-первых, с тем, что напряженность электрического поля в падающем на вещество излучении на два - три порядка превышает напряженности внутриатомных полей и, во-вторых, в тем, что длительность воздействия меньше характерных атомных времен. За это время не успевает развиться плазменная корона, что приводит к уникальной возможности исключения экранирующего действия плазмы в классическом ее понимании. Возникает новое понятие -фемтосекундная лазерная плазма; образующийся в результате туннельной ионизации (частота которой на несколько порядков превышает плазменную) свободный электронный континуум совместно с практически неподвижными ионами представляет собой релятивистскую металлизированную плазму.

Исследование такой лазерной плазмы является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

Фундаментальные исследования в этой области имеют очень широкий диапазон и ведутся на базе разработки теории релятивистской сверхплотной одно-компонентной (электронной) плазмы с анизотропным (и неравновесным) распределением электронов по скоростям. Такая плазма - уникальный объект исследований, представляет интерес как источник сверхсильных электромагнитных полей, как источник релятивистских частиц, как среда для рентгеновского лазера, как среда, обеспечивающая экстремальные условия воздействия на вещество - атомы и молекулы. Последнее связано с направлением, разрабатывающим перспективы использования сверхкоротких импульсов для решения проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Актуальность исследований коллективных процессов (неустойчивостей) в лазерной плазме связана также с возможностью моделирования как астрофизических объектов, так и техногенных процессов атомной и ядерной физики. Развитие лазерной техники и связанные с этим темпы освоения новых диапазонов интенсивности воздействия электромагнитной энергии на вещество побуждает уже сейчас исследователей на разработку экспериментальных схем по проверке основных положений квантовой электродинамики.

Актуальность исследований коллективных процессов (неустойчивостей) в лазерной плазме связана также с возможностью моделирования как астрофизических объектов, так и техногенных процессов атомной и ядерной физики. Раз-

витие лазерной техники и связанные с этим темпы освоения новых диапазонов интенсивности воздействия электромагнитной энергии на вещество побуждает уже сейчас исследователей на разработку экспериментальных схем по проверке основных положений квантовой электродинамики.

Несмотря на то, что в настоящее время в значительной мере осознаны перспективы исследований фемтосекундной лазерной плазмы с точки зрения фундаментальной физики и разнообразных приложений, в этой области, связанной с освоением гигантских световых интенсивностей в сочетании с длительностью воздействия много меньше периода релаксационных процессов в атоме, с полным основанием можно рассчитывать на принципиально новые идеи, результаты, применения. Цель работы

Целью проводившихся около десяти лет работ являлось создание модели взаимодействия с веществом интенсивного (более 1016 Вт/см2) сверхкороткоим-пульсного (время воздействия менее 1 пикосекунды) лазерного излучения, построенной с учетом воздействия образованной при этом лазерной плазмы на атомные и ядерные структуры вещества, а также проверка основных положений построенной модели экспериментально.

В ходе работы решались следующие задачи:

1. Развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.

2. Создание экспериментальной базы для исследования взаимодействия с

веществом высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения.

3. Отработка методик проведения экспериментов по направлению исследований с целью корректировки на основе полученных данных разработок теории.

4. Поиск предложения по практическому применению полученных результатов.

Перечисленные задачи являются содержанием решаемой проблемы - исследование коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме.

Состояние вопроса и основные направления исследований

Исследование проблемы взаимодействия лазерного излучения с веществом всегда было связано с успехами лазерной техники. Как правило, развитие теории в этом направлении опережало или шло в соответствии с достижениями в создании новых лазеров, однако, в последнее время в экспериментальных исследованиях проблемы, связанной с применением высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения произошел заметный прорыв в создании лазерных систем. Созданы лазеры мощностью, превышающей петаватт-ный рубеж, построены лазерные системы, формирующие импульс короче пяти фемтосекунд. Исследователи получили возможность проведения экспериментов при интенсивности воздействующего на мишень лазерного излучения, превышающей гигатераватт на квадратный сантиметр (> 1021 Вт/см2).

Проводимые эксперименты поставили перед теоретиками, работающими в этой области, ряд новых задач. Оказалось, что их решение возможно с привле-

чением последних достижений, методов и средств самых разных физических дисциплин - теории плазмы, в т.ч. теории плазменных неустойчивостей разного типа, квантовой механики, квантовой электродинамики, теории устойчивости, атомной и ядерной физики.

Перспективно в связи с этим применение здесь и самых общих методов, хорошо разработанных в синергетике. Такое объединение физических наук требует времени и усилий ученых разных школ, направлений, дисциплин. Бурный рост в последнее время публикаций, конференций, симпозиумов по взаимодействию лазерного излучения с веществом обусловлен интересом к этой проблеме сейчас именно перспективами, которые открываются в связи с выходом лазерной техники на качественно новый этап развития. Теоретики получили необъяснимые старыми моделями экспериментальные результаты, создание картины взаимодействия с веществом интенсивного лазерного излучения сверхкороткой длительности далеко от своего завершения и открывает много качественно новых физических явлений, понимание которых важно для развития как физической науки, так и прикладных целей, прежде всего для ядерной энергетики.

Основные направления исследований концентрируются вокруг цели работы - построение модели взаимодействия лазерного излучения с веществом с учетом воздействия образованной плазмы на атомы и ядра.

Цель работы предусматривает экспериментальное подтверждение полученных теоретических результатов.

В связи с этим направления исследований включают как теоретические, так и экспериментальные работы. Теоретическая модель взаимодействия лазерного излучения строится с начала воздействия, образования плазмы, развития в ней коллективных процессов - неустойчивостей, приводящих к генерации в лазерной плазме сверхсильных магнитных полей. Среди разнообразных свойств и структур фемтосекундной лазерной плазмы именно способность такой плазмы генерировать сверхсильные электрические и магнитные поля является главной, определяющей направления исследования, так как эти поля действуют непосредственно на атомы, прежде всего на их электронные оболочки, через которые воздействие осуществляется и на ядро.

Одним из важнейших направлений исследований является создание стендовой базы для проведения экспериментов по взаимодействию сверхкороткоим-пульсного высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом. Помимо создания лазерных систем в задачи исследований входит создание соответствующего цели работ комплекса систем диагностики параметров лазерного излучения и параметров процессов, сопровождающих взаимодействие лазерного излучения с веществом.

Разработка этой лазерной стендовой базы продолжается более десяти лет, на протяжении которых менялись в соответствии с развитием лазерной и измерительной техники направления развития тактического характера, оставаясь подчиненными основной цели. Было проанализировано множество технических решений, некоторые из них получили развитие, в последнее время развитие

стендовой базы получило определенное направление, связанное с интересами основного Заказчика данных работ - Минатома России - исследование ядерных реакций в лазерной плазме. Научная новизна работы

1. В развитии теории лазерной плазмы, образованной воздействием высокоинтенсивного сверхкороткоимпульсного лазерного излучения на вещество впервые получены следующие результаты:

- аналитически исследованы особенности развития в лазерной плазме коллективных явлений - неустойчивостей вейбелевского типа с учетом полевых ионизационныых процессов. Показано, что их роль с ростом интенсивности лазерного излучения становится определяющей для скорости развития коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме;

- найдено, что энергия и темп коллективного ускорения в лазерной плазме малой группы частиц - электронов определяются частотой ионизации атомов в сильных электромагнитных полях, индуцируемых в плазме. Отсюда следуют высокие значения энергии (> 50 МэВ) и темпа ускорения (>10 МэВ/фсек) малой группы частиц с концентрацией щ/щ ~ 10~5;

- показано, что процесс ионизации атомов в лазерной плазме в рассматриваемых условиях описывается уравнением диффузии с коэффициентом диффузии I) ~ й/тс и носит характер ионизациооного взрыва, следствием которого является структурная перестройка электронных оболочек атомов;

- коллективный процесс структурной перестройки электронных оболочек атомов в лазерной плазме рассмотрен на масштабах развитой вейбелевской неустойчивости (~ 10~8 см) в условиях образования на этих масштабах энергетически выгодных атомных структур с обобщенными электронными оболочками;

- показано с нахождением критериальных условий, что воздействие индуцируемых в лазерной плазме магнитных полей на атомные электроны приводит в зависимости от направлений их спинов либо к туннельной ионизации, либо к коллапсированию электронов к ядру;

- показано, что уже при существующих параметрах лазерного излучения индуцируемые в лазерной плазме магнитные поля достаточны чтобы вызвать процесс нелинейного волнового коллапса электронных оболочек атомов и, как следствие этого, сильного воздействия на ядро;

- на основе квантовомеханической модели, учитывающей стохастические колебания нуклонов в ядре, описаны коллективные процессы внутренней и внешней конверсий - прямой передачи энергии возбужденного ядра внутренним атомным электронам и электронам плазмы. Показано, что учет структуры ядра позволяет объяснить самосогласованным образом процесс ионизации, в т.ч. процесс образования конверсионных электронов.

2. Разработан и создан комплекс лазерных установок, систем диагностики параметров лазерного излучения и лазерной плазмы - стендовая база для проведения экспериментальных исследований по взаимодействию с веществом импульсного лазерного излучения тераваттного уровня мощности пикосекундной длительности.

3. Предложены, созданы и отработаны методики проведения экспериментальных исследований процессов в лазерной плазме, в т.ч. атомных и ядерных. На основе этих методик проведены серии экспериментов по воздействию интенсивного (> 1016 Вт/см2) лазерного излучения на вещество и исследованию характеристик коллективных процессов в образованной таким воздействием плазме, в т.ч. сильных магнитных полей, рентгеновского излучения, высоко-энергетичных потоков (> 200 кэВ) и др.

Практическая значимость результатов исследований

Представленное развитие теории коллективных атомных и ядерных процессов в лазерной плазме позволяет объяснить и получить основные характеристики физических процессов в лазерной плазме с учетом взаимного влияния плазменных и атомно-ядерных процессов.

С прикладной точки зрения главный итог диссертации связан с открывающимися возможностями реализации экспериментальных исследований с отработкой новых технологий в атомной и ядерной физике, в т.ч. в области управляемого ядерного синт�