Поглощение, трансформация и перенос энергии в малоплотных гетерогенных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

КОПТЯЕВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ПОГЛОЩЕНИЕ, ТРАНСФОРМАЦИЯ И ПЕРЕНОС ЭНЕРГИИ В МАЛОПЛОТНЫХ ГЕТЕРОГЕННЫХ СРЕДАХ, ОБЛУЧАЕМЫХ МОЩНЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ И РЕНТГЕНОВСКИМИ ИМПУЛЬСАМИ

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Научный руководитель:

Гольцов

Александр Юрьевич

начальник лаборатории, доктор физ.-мат. наук, ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Официальные оппоненты:

Леонов

Алексей Георгиевич

профессор, доктор физ.-мат. наук, Московский физико-технический институт

Олейник

Георгий Михайлович

в. и. с, кандидат физ.-мат. наук, ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований

Ведущая организация

Физический институт РАН им. П.Н. Лебедева, г. Москва

Защита состоится

«УУ^и./ 2004 г. в [(о часов СО

минут на заседании

Диссертационного Совета К 212.156.01 в Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, г. Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32, к. В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московской обл., Институтский переулок, д. 9, МФТИ, Диссертационный Совет К 212.156.01. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета кандидат технических наук

/Чубинский Н.П./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Интерес к исследованию взаимодействия мощных импульсов лазерного излучения с малоплотными пористыми средами впервые проявился в научном сообществе, занимающемся проблемой лазерного термоядерного синтеза (ЛТС), в процессе поиска способов обеспечить за счет конструкции мишеней эффективное выравнивание неоднородностей в распределении давления на поверхности ускоряемой оболочки термоядерной мишени и реализовать симметричное сжатие термоядерного топлива. В настоящее время существует достаточно хорошее понимание основных физических процессов, протекающих при облучении термоядерных мишеней мощными лазерными импульсами, сформулированы основные требования к параметрам лазерного излучения и количеству лазерных пучков, разработаны конструкции мишеней для демонстрационного эксперимента. Начато строительство установок, на которых планируется продемонстрировать эффективный поджиг термоядерного топлива. Стоимость реализации проектов очень высока, поэтому ведутся поиски альтернативных схем демонстрационного эксперимента по зажиганию термоядерного топлива, в том числе поиски новых конструкций мишеней, которые могли бы позволить снизить требования к энергии лазерной системы, либо провести демонстрационный эксперимент по зажиганию термоядерной реакции с большим запасом качества. Так, в настоящее время предложен ряд конструкций перспективных мишеней на основе использования материалов с плотностью в 100 - 1000 раз меньше твердотельной плотности, которые позволяют существенно снизить требования к качеству лазерного излучения и энергии лазерной системы, а, следовательно, к стоимости всей установки вцелом. Численные расчеты мишеней типа «лазерный парник», в конструкциях которых используются малоплотные материалы, показали, что возможно достижение зажигания термоядерного топлива при энергии лазерного импульса в 5-10 раз меньшей, чем в случае использования традиционных оболочечных. мишеней. При этом однородность облучения оказывается вполне удовлетворительной для обеспечения устойчивого сжатия, достаточного для зажигания термоядерного топлива.

Использование малоплотных материалов представляется перспективным и в схеме ЛТС с непрямым воздействием лазерных пучков на термоядерную мишень, которая предполагает предварительную конверсию лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов на внутренней поверхности контейнера (хольраума), содержащего термоядерную капсулу. В этом способе покрытие внутренней поверхности хольраума слоем малоплотной среды могло бы, в принципе, привести к сдерживанию движения рентгеновских источников за счет противодавления плазмы, образующейся из вещества пониженной плотности, что и обеспечит высокую симметрию облучения и сжатия термоядерного топлива.

Малоплотные пористые среды могут также найти успешное применение при создании лазерно-плазменных "^"""""""ч кпгрр1*"'"""'" м,?ттуцг"нп в

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ I БНБЛИОТСКЛ I

рентгеновской области спектра. Достижение оптимальных значений температуры и плотности высокотемпературной плазмы с многозарядными ионами, являющейся активной средой для таких источников, возможно за счет выбора средней плотности пористого вещества и энергии греющего лазерного излучения. При этом, в случае применения малоплотных сред, появляется возможность независимо управлять температурой и плотностью плазмы в достаточно широких пределах, в отличие от плазмы, возникающей при облучении веществ твердотельной плотности, где эти параметры связаны друг с другом и меняются самосогласованно.

В настоящее время разработаны технологии изготовления малоплотных пористых мдтериалов на основе органических соединений со средней плотностью в. диапазоне 0.5 - 100 мг/см3 (агар, вспененный полистирол, аэрогели). Исследованы способы внесения добавок различных веществ в объём малоплотного образца.

Появляются и новые предложения по применению в облучаемых мишенях,малоплотных материалов. Так, например, проводятся эксперименты по моделированию астрофизических явлений в лабораторных условиях, в которых используются уникальные свойства сред с пониженной плотностью, основанные на возможности управлять параметрами высокотемпературной плазмы за счет выбора состава и конструкции мишеней.

Большой интерес для исследования радиационного механизма переноса энергии представляют эксперименты но облучению малоплотных образцов с объемными добавками веществ с высоким атомным номером. Возможность внесения в малоплотную среду добавок веществ с высоким атомным номером приводит к появлению новых схем ЛТС сочетающих особенности подходов как прямого, так и непрямого облучения оболочечных мишеней. Так, например, рассматриваются ЛТС мишени, в которых на поверхность термоядерной капсулы нанесен слой материала пониженной плотности с объёмными добавками золота, работающий как конвертер энергии лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов

- Уже первые эксперименты по исследованию взаимодействия мощных лазерных импульсов с малоплотными средами показали способность этих материалов эффективно поглощать энергию лазерных пучков, причем поглощение в этих средах носило объемный характер с образованием в облучаемой среде протяженной (сотни микрон) области высокотемпературной плазмы. Были разработаны упрощенные теоретические модели процессов поглощения лазерного излучения в пористой среде. Предложен способ создания мощного источника нейтронов, основанного на облучении вещества пониженной плотности содержащего DT топливо.

Использование малоплотных сред в конструкциях мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами, выглядит многообещающим и в таких областях, как низкоэнтропийное ускорение вещества, а также исследование свойств и поведения веществ при динамических нагрузках в мегабарном диапазоне давлений.

Цель работы. Экспериментальное исследование процессов поглощения, трансформации и переноса энергии при взаимодействии мощных импульсов лазерного и рентгеновского излучения (1~10,3-1014 Вт/см2) с малоплотными гетерогенными средами (р = 1 - 10 >мг/см3). Определение свойств высокотемпературной плазмы, образующейся при облучении малоплотного етерогенного вещества мощными световыми потоками.

Основные задачи, решаемые в рамках указанной цели.

1. Развитие диагностического метода, основанного на регистрации рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы с высоким пространственным (~20 мкм) и временным (~30 пс) разрешением для осуществления прямых измерений параметров процесса переноса энергии в малоплотной гетерогенной среде. Привлечение методов рентгеновской спектроскопии и их адаптация для определения плотности, электронной и ионной температуры плазмы, образующейся при облучении малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком.

2. Исследование механизмов переноса энергии в малоплотных гетерогенных средах, облучаемых мощным лазерным пучком. Определение особенностей переноса энергии при конверсии лазерного излучения в рентгеновское в экспериментах по облучению пористых мишеней, содержащих материалы с высоким атомным номером. Исследование специфических особенностей поглощения и переноса энергии при облучении мощными лазерными и рентгеновскими импульсами пористых материалов с различной внутренней структурой (беспорядочно распределенные тонкие волокна - агар и регулярная квазипериодическая среда-вспененный полистирол).

3. Детальное изучение процесса переноса энергии в направлении перпендикулярном греющему лазерному импульсу и исследование эффекта сглаживания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности малоплотной пористой мишени, облучаемой мощным лазерным пучком.

4. Исследование гидродинамических процессов, происходящих внутри малоплотной гетерогенной мишени, облучаемой мощным лазерным пучком, в результате испарения структурных элементов среды. Определение свойств высокотемпературной плазмы, образующейся в пористом веществе и изучение процесса ее гомогенизации.

Научная новизна.

1. Проведены комплексные исследования переноса энергии в малоплотных пористых материалах с плотностью 1-10 мг/см3, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами, с использованием набора

взаимодополняющих диагностических методов, основанных на регистрации излучения плазмы в видимом и рентгеновском диапазоне длин волн с высоким пространственным и временным разрешением, а также метода многокадрового теневого фотографирования плазмы.

2. Впервые определена ионная температура плазмы, генерируемой при лазерном облучении мишеней из малоплотных пористых материалов. При облучении мишеней из агара с плотностью 2 мг/см3 мощным лазерным пучком (I г» 10" Вт/см2, Х=1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Т, образующейся плазмы составила ~1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

3. Обнаружено, что при облучении пористых мишеней мощными лазерными и рентгеновскими импульсами (I ~ 10,3-1014 Вт/см2, Х,=1.054 мкм) скорость переноса энергии зависит от структурных особенностей вещества. При облучении лазерным пучком мишеней из вспененного полистирола с плотностью р = 10 мг/см3, имеющего регулярную квазипериодическую структуру, скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии составляет 1.7х107 см/с, что в 3-4 раза больше, чем при облучении лазерным пучком мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна,

с той же средней плотностью.

4. Экспериментально продемонстрировано, что при облучении мишеней из агара с плотностью р=2 мг/см' толщиной 300 мкм мощным лазерным пучком (1-1014 Вт/см2, Х.= 1,054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей с масштабом мкм, в распределении давления на тыльной поверхности мишени.

Практическая значимость.

1. Продемонстрированный в работе эффект сглаживания неоднородностей давления на тыльной поверхности малоплотной мишени, Облучаемой мощным лазерным пучком показывает перспективность использования таких материалов в качестве компонента мишеней ЛТС.

2. В работе впервые обнаружено, что скорость переноса энергии в среде, имеющей регулярную квазипериодическую внутреннюю структуру, оказывается значительно выше, чем в средах типа «агар», что позволяет улучшить эффективность переноса энергии, и делает эти среды более привлекательными для целого ряда практических применений.

3. Обнаружено, что при облучении гетерогенных мишеней мощным лазерным пучком плазма, образующаяся из малоплотного вещества, на стадии гомогенизации находится в неравновесном состоянии с температурой ионов в 1.5-2 раза превышающей температуру электронов. Использование этого свойства плазмы может быть полезно для решения целого ряда научно-технических задач, например, для создания мощного источника нейтронов.

4. Проведенные эксперименты показали возможность контролируемого управления параметрами лазерно-плазменных источников рентгеновского излучения путем использования в конструкциях мишеней малоплотных гетерогенных сред.

Защищаемые положения. На защиту выносятся:

I. Определена ионная температура плазмы, генерируемой при лазерном облучении мишеней из малоплотных пористых материалов. При облучении мишеней из агара с плотностью 2 мг/см3 мощным лазерным пучком (1~1014 Вт/см2, А,=1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Т, образующейся плазмы составила ~1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

II. Показано, что в малоплотных гетерогенных средах (р = 1-10 мг/см3), облучаемых мощным лазерным пучком (I ~ 10м Вт/см2, X = 1.054 мкм), обратно-тормозной механизм поглощения энергии лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

Ш. Установлено, что при облучении малошютных пористых мишеней (р = 1—10 мг/см3) мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии (Те = 0.3-1 кэВ) определяется средней плотностью пористой' среды, структурными особенностями вещества и слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (лазерным пучком или рентгеновским импульсом), а также от наличия в мишени объемно-распределенных примесей элементов с высоким атомным номером.

IV. Экспериментальные результаты, полученные при облучении мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) малоплотных пористых мишеней , содержащих вещества с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды) свидетельствуют о преднагреве вещества перед высокотемпературным фронтом волны переноса энергии, вызванном рентгеновским излучением плазмы.

V. Экспериментально продемонстрировано, что при облучении мишеней из агара с плотностью толщиной 300 мкм мощным лазерным пучком

(1 ~ 1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей с масштабом <300 мкм в распределении давления на тыльной поверхности мишени.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих российских и международных конференциях: XXVI, XXVII, XXVIII, XXIX, XXXI Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -99, -00, -01, -02, -04); First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, ,12-17 September 1999, Bordeaux, France; 26th European Conference on Laser Interaction with Matter, 12-16 June 2000, Prague, Czech Republic; Second International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan; Workshop on High Energy Density in Matter (Hersheg, Austria, -01); 28th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Madeira Techpololo, Funchal, Portugal, 18-22 June 2001; IV Харитоновские тематические научные чтения. Международная конференция (г. Саров, Россия, -02), а также на ежегодной конференции МФТИ (2000 г.) и научных семинарах Отделения магнитных и оптических исследований ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в виде 6 сгатей в российских и международных научных журналах и сборниках, а также в виде тезисов докладов перечисленных выше конференций.

Личный вклад автора. Ключевые эксперименты, описываемые в работе, проведены автором самостоятельно или при его ведущем участии. Расчёты и оценки, привлекаемые для анализа полученных экспериментальных результатов, также выполнены автором.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 143 страницах, включая 41 рисунок, 1 таблицу и 86 наименований в списке литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБРТЫ

Во Введении представлено описание объекта исследования, обоснованы актуальность проблемы и выбор темы диссертации, описываются направления исследований, формулируется цель работы, приведены защищаемые положения.

Основными направлениями исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными гетерогенными средами, связанными с практическим использованием этих материалов в различных областях науки и техники, являются:

- изучение особенностей взаимодействия лазерного излучения с пористыми веществами различной микроструктуры с учетом обратно-тормозного механизма поглощения, а также нелинейных процессов поглощения и рассеяния в образующейся плазме (распадные неустойчивости, ВРМБ, ВКР и т.д.).

- исследование механизмов переноса энергии в малоплотных гетерогенных материалах, в том числе и с добавками из элементов с различным значением атомного номера при разных способах воздействия на мишень (облучение лазерными пучками или рентгеновскими импульсами).

- разработка теоретической модели и создание программ численных расчетов, адекватно описывающих взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами.

непосредственная экспериментальная проверка предсказанных специфических эффектов, обусловленных использованием малоплотных пористых материалов в перспективных мишенях ЛТС.

Таким образом, исследование переноса энергии в малоплотных гетерогенных средах, облучаемых мощным лазерным пучком, а также изучение свойств и параметров образующейся плазмы, что было целью настоящей работы, являются важными и актуальными задачами.

Первая глава посвящена обзору литературы по теме диссертации и постановке задачи исследований.

В первой части главы приведено описание конструкций перспективных мишеней ЛТС (мишеней типа «лазерный парник»), с использованием в качестве компонента мишеней малоплотных пористых материалов.

Далее рассмотрены экспериментальные результаты, касающиеся процессов поглощения энергии в малоплотных средах с плотностью р = 10'3— 10 г/см3 (вспененный полистирол, (СН)„; аэрогель, БЮг; агар, (СпНщО^п,), облучаемых мощными лазерными импульсами (I ~ 10|4-1015 Вт/см2, >1=0.3-1 мкм). Основные результаты экспериментов, проводившихся в отечественных и зарубежных лабораториях, состоят в том, что в малоплотных пористых мишенях происходит эффективное 80% от энергии лазерного импульса) поглощение лазерной энергии. Размер области поглощения в малоплотной мишени зависит от средней плотности пористой среды и составляет сотни микрон в направлении вдоль лазерного пучка. Рассматриваются основные положения упрощенной теоретической модели поглощения и трансформации энергии в гетерогенной среде. Представлен анализ экспериментальных исследований процесса переноса энергии в пористых мишенях, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. Основные результаты экспериментов состоят в том, что поглощенная в малоплотном веществе энергия эффективно переносится в еще не прогретые области пористой мишени со скоростью близкой к скорости звука в образующейся плазме. Внесение в объем малоплотной мишени добавок веществ с высоким атомным номером, а

также облучение мишени лазерным пучком с предварительной конверсией лазерного излучения в рентгеновское, позволяет увеличить эффективность переноса энергии за счет дополнительного вклада механизма радиационной тепловой волны.

Далее в работе перечислен ряд вопросов, которые определили постановку задачи настоящих исследований.

При постановке задачи исследования был сделан акцент на экспериментальное изучение механизмов переноса энергии в малоплотных пористых средах в различных условиях воздействия на мишень. Представлялось важным путем прямых измерений рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением исследовать динамику формирования области поглощения энергии при облучении малоплотных материалов, в том числе содержащих добавки элементов с высоким атомным номером, с плотностью р = 1-10 мг/см' мощными лазерными и рентгеновскими импульсами

В план исследования входило изучение процесса переноса энергии при облучении малоплотных гетерогенных мишеней, обладающих различными структурными особенностями, отличающимися как формой структурных элементов пористой среды, так и характером из расположения в объеме

ПОРИСТОГО СЛОЯ.

Для выяснения механизмов поглощения и переноса энергии в гетерогенной среде интересным и важным представлялось экспериментальное изучение этих процессов в модельных экспериментах по облучению тонких органических пленрк и каскадных пленочных мишеней.

Учитывая перспективу использования малоплотных сред в качестве компонента ЛТС-мишеней, одной из центральных задач виделось исследование переноса энергии в направлении перпендикулярном греющему лазерному импульсу и экспериментальная проверка эффекта выравнивания давления на тыльной поверхности пористой мишени.

Для изучения гидродинамических процессов, протекающих в плазме пористого вещества на стадии гомогенизации (процессов «внутренней гидродинамики»), планировалась постановка специальных экспериментов, в которых путем рентгеноспектральных измерений определялась бы температура ионбв в образующейся плазме.

Для реализации намеченных целей в качестве основного диагностического метода, позволяющего проводить прямые измерения, был выбран метод регистрации рентгеновского излучения плазмы в диапазоне энергий квантов 0.3 -1.5 ,кэВ. с высоким пространственным (~20 мкм) и временным (~30 пс) разрешением. Развитие этого диагностического метода и адаптация его к условиям экспериментов по облучению малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком являлось одной из основных задач настоящей работы.

Во второй главе приведено описание мощной лазерной установки «Мишень» (ГНЦ РФ ТРИНИТИ), средств диагностики и совокупности диагностических методов, использовавшихся в экспериментах. Подробно описан метод регистрации рентгеновского излучения плазмы с пространственно-временным разрешением. Перечислены типы и конструкции применявшихся мишеней.

Установка «Мишень» состоит из мощной лазерной системы на неодимовом фосфатном стекле, камер взаимодействия лазерных импульсов с мишенями, систем фокусировки излучения на мишень и диагностического комплекса. Лазерная система установки «Мишень» содержит два канала -основной и вспомогательный (диагностический). В основном канале формируется мощный лазерный импульс для облучения мишеней. Выходные параметры этого импульса:

длина волны излучения X = 1.054мкм, выходная энергия Е„ < 100 Дж, ширина линии генерации 8Л < 0,5 А, расходимость ~ 4 х К/рад, длительность импульса ~3не, фронт нарастания ~ 0,3 не, энергетический контраст ~ ИТ6.

В диагностическом канале создается импульс, который используется для теневого фотографирования плазмы, синхронизации и запуска измерительных приборов, а также для осуществления временной и спектральной привязок к греющему лазерному излучению. Параметры диагностического импульса:

длина волны излучения Я ~ 0,53 мкм, выходная энергия Е < 10 Дж, расходимость ~4 х 1 (Г4рад, длительность импульса ~ 0,3 не.

Лазерное излучение фокусируется на мишень линзой с относительным отверстием 1:10 в фокальное пятно диаметром ~250 мкм. В ряде экспериментов, в которых исследовался процесс переноса энергии в мишени в направлении перпендикулярном греющему лазерному импульсу, гетерогенные мишени облучались двумя лазерными пучками, сфокусированными в пятна размером мкм, находящиеся на расстоянии мкм друг от друга.

Основные диагностические методы, основанные на регистрации рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы:

1. Построение изображения плазмы при помощи набора камер-обскур с размерами отверстий 15-30 мкм за фильтрами разной толщины из различных материалов в соответствии с регистрируемым диапазоном энергии квантов.

2. Регистрация рентгеновского излучения плазмы (в диапазоне энергий квантов ~ 0.3-1.5 кэВ) с высоким пространственным (~20 мкм) и временным

пс) разрешением при помощи рентгеновской электронно-оптической камеры (РЭОП), применявшейся в комбинации со щелью для построения изображения плазменного объекта на фотокатоде РЭОП. Этот диагностический метод позволил изучать динамику области

высокотемпературной плазмы в пористой мишени на протяжении всего лазерного импульса, и был основным методом исследования переноса энергии в гетерогенных мишенях.

3. Измерения линейчатого излучения плазмы с высоким спектральным (ДАЛ >5000) и пространственным (~20-30 мкм) разрешением при помощи спектрографов со сферически изогнутыми (фокусирующими) кристаллами слюды и кварца. Этим методом исследовались интегральные во времени параметры плазмы (температура и плотность), в частности, была измерена ионная температура плазмы пористого вещества.

Основные диагностические методы, основанные на регистрации излучения плазмы в видимом диапазоне длин волн:

1. Регистрация свечения тыльной поверхности мишени в диапазоне длин волн 400-700 нм при помощи электронно-оптической камеры «Агат-СФ» с пространственным (~30 мкм) и временным (~50 пс) разрешением.

2. Многокадровое теневое фотографирование области взаимодействия лазерного излучения с мишенью. Время экспозиции отдельного кадра составляет 0,3 не, длина волны зондирующего излучения = 0,53 мкм, пространственное разрешение 25 мкм. Время задержки между отдельными кадрами, регистрируемыми фотопленкой, варьировалось в диапазоне 1-15 не. Данные теневого фотографирования позволяют измерять скорость направленного движения вещества на тыльной поверхности мишени, распределение этой скорости вдоль координаты, параллельной поверхности мишени, оценить давление (плотность энергии) на тыльной поверхности пористого вещества.

Следует особо отметить, что метод регистрации рентгеновского излучения плазмы с пространственно-временным разрешением был специально развит автором при выполнении работы и адаптирован к условиям экспериментов по исследованию энергопереноса в гетерогенных мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами.

В экспериментах использовались плоские малоплотные пористые мишени со средней плотностью в диапазоне 1-10 мг/см3, изготовленные из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, и вспененного

полистирола (квазирегулярная пленочная структура, (СН)„)). Толщина мишеней изменялась в диапазоне 200-1000 мкм. Для исследования радиационного механизма переноса энергии в гетерогенной среде использовались малоплотные мишени, на облучаемой поверхности которых устанавливался рентгеновский конвертер - тонкая фольга из материала с высоким атомным номером (Си, Аи) ТОЛЩИНОЙ 0.2 мкм (Си) и ~ 0.04 (Аи), а также малоплотные мишени с объемно распределенными добавками элементов с высоким атомным номером ((ГиСЬ) в количестве 25-50% от общей массы мишени. Для исследования параметров высокотемпературной плазмы методами

рентгеновской спектроскопии применялись мишени, содержащие микродобавки различных элементов, в., частности Л1, S, О. На тыльной поверхности мишеней в диагностических целях устанавливалась тонкая фольга (алюминий, медь, никель)толщиной 1-1.5 мкм,

Третья глава посвящена исследованию процесса переноса энергии в малоплотных пористых средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. Приводятся и детально обсуждаются экспериментальные результаты, полученные при помощи трех взаимодополняющих диагностических методов.

Регистрация рентгеновского излучения плазмы (в диапазоне энергии квантов ~ 0.3-1.5 кэВ) с пространственно-временным разрешением позволяла исследовать динамику формирования области высокотемпературной плазмы в облучаемых образцах. Измерение свечения плазмы на тыльной поверхности мишени в видимом диапазоне длин волн (400-700 нм) с пространственно-временным разрешением давало информацию о моменте выхода волны переноса энергии из объема малоплотного слоя и о пространственной структуре области энерговыделения в этот момент времени в направлении перпендикулярном лазерному пучку. Наконец, многокадровое теневое фотографирование позволяло исследовать динамику ускорения вещества на тыльной поверхности пористой мишени, оценивать давление на тыльной поверхности облучаемого образца и эффективность переноса энергии в пористой среде, а также определять распределение давления вдоль координаты параллельной поверхности мишени.

В результате экспериментов было установлено, что размер области высокотемпературной плазмы (Те = 0.3-1 кэВ) в малоплотной мишени увеличивается в направлении вдоль лазерного пучка со скоростью см/с

для мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, С12Н18О9) с плотностью р = 10 мг/см3 и ~ 2х10 см/с для мишеней из агара с-плотностью = 1 мг/см3. Резкий градиент температуры на границе этой области на протяжении всего лазерного импульса свидетельствует о распространении вглубь малоплотного вещества волны переноса энергии. Перепад температуры на фронте волны составляет около 300-400 эВ.

Сравнение результатов экспериментов по облучению мишеней из различных материалов (агар, вспененный полистирол) показали, что скорость переноса энергии зависит от структурных особенностей вещества. При облучении лазерным пучком мишеней из вспененного полистирола, с

плотностью = 10 мг/см3, имеющего регулярную квазипериодическую структуру, скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии составляет 1.7х см/с, что в 3-4 раза больше, чем при облучении лазерным" пучком мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, с той же средней плотностью.

Экспериментальные результаты позволили построить зависимости скорости переноса энергии в мишенях различного типа (пористая мишень иг

агара, пористая мишень с рентгеновским конвертером на облучаемой поверхности, пористая мишень с объемно распределенными добавками элементов с высоким атомным номером) от плотности пористой среды, полученные при помощи двух независимых диагностических методов:

а) по Z-t диаграмме рентгеновского свечения, регистрируемого при помощи РЭОП (рентгеновский диагностический метод).

б) по разнице между началом свечения диагностической фольги на тыльной поверхности мишеней с одной и той же средней плотностью, но отличающимися по толщине (оптический диагностический метод).

Полученные зависимости показали, что скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии, измеряемая при помощи рентгеновского диагностического метода, определяется средней плотностью пористой среды, структурными особенностями вещества и слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (лазерным пучком или рентгеновским импульсом), а также от наличия в мишени объемно распределенных примесей элементов с высоким атомным номером. Скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии в гетерогенных мишенях равна по порядку величины скорости звука в образующейся плазме.

При облучении мишеней с малым атомным номером оба метода дают близкие значения скорости. С другой стороны, как показали эксперименты, свечение на тыльной поверхности мишеней с добавками элементов с высоким атомным номером возникает значительно раньше времени прихода к тыльной поверхности высокотемпературного фронта. Причем, в этих условиях скорость, измеряемая оптическим методом оказывается в 2-2.5 раза выше величины, даваемой рентгеновским методом, которая в агаре с плотностью 1-2 мг/см3 составляет ~ 1-2-107 см/с. Эти экспериментальные результаты можно интерпретировать, как свидетельство преднагрева вещества перед фронтом волны переноса энергии, вызванного рентгеновским излучением высокотемпературной плазмы за фронтом волны. Кроме того, поперечные размеры области высокого давления, создаваемого волной переноса энергии на тыльной поверхности таких мишеней, в 2-3 раза превышают соответствующие размеры, наблюдаемые в пористых мишенях без добавок.

В ряде экспериментов по облучению мишеней двумя лазерными пучками при помощи того же самого набора диагностических методов исследовался процесс переноса энергии в малоплотной среде в направлении перпендикулярном греющему лазерному пучку. Сравнивались результаты, полученные при облучении пористой мишени и мишени твердотельной плотности - тонкой фольги (А1, Си). Установлено, что в мишени из агара с плотностью 2 мг/см3, в отличие от мишени твердотельной плотности, «поперечный» перенос энергии обеспечивает выравнивание неоднородностей нагрева плазмы с пространственными масштабами мкм. Скорость

«поперечного» переноса энергии в пористой мишени из агара с плотностью 2 мг/см в пространстве между лазерными пучками составляет ~ 3х107 см/с.

Методом многокадрового теневого фотографирования было установлено, что перенос энергии в направлении, перпендикулярном греющему лазерному импульсу, обеспечивает выравнивание неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности мишени из агара (р = 2 мг/см3) с пространственным масштабом <300 мкм. Размер области высокого давленияна тыльной поверхности малоплотной мишени в несколько раз превышает суммарный размер фокальных пятен.

В четвертой главе представлены результаты экспериментов по изучению особенностей процесса поглощения и трансформации энергии в малоплотной гетерогенной среде, облучаемой мощным лазерным пучком. В модельных экспериментах по облучению тонких 1-3 мкм) лавсановых пленок и каскадных пленочных мишеней изучались гидродинамические процессы в плазме, формирующейся внутри гетерогенной среды, исследовалась их роль при поглощении и переносе энергии в пористом веществе.

Для получения сведений о плотности и температуре плазмы, образующейся в малоплотном веществе, проводился анализ контуров и относительной интенсивности спектральных линий многозарядных' ионов плазмы. Облучались мишени из агара толщиной 300-500 мкм с общей средней плотностью 2 мг/см3, содержащие добавки AI2O3 с плотностью 1 мг/см3, а также микродобавки соединений хлора (С1) и серы (S). С помощью трех кристаллических спектрографов (слюда, 2d = 1.988 нм) спектры ионов алюминия регистрировались во 2-м порядке дифракции, а с помощью спектрографа с кристаллом кварца (2d = 8.55 нм) — в 1-м. Слюдяные спектрографы были настроены на линии Hep A1 XII (\~6.63 А), Неу A1 XII (А.~6.31 A), Lya A1 XIII (Ал-7.17 А) соответственно, а кварцевый спектрограф -на линию Hca A1XII (Х-7,76 А). '

По отношению интенсивностей линий (kj/R) иона S XV было получено значение температуры электронов в плазме пористого вещества Те' = 800 эВ. Использование полученного значения температуры и отношения интенсивностей линий Og/Т) иона A1 XII позволило получить значение плотности плазмы Ne= 6 102 см"3. Путем анализа отношений интенсивностей линий (kj/R) иона С1 XVI были определены 'значения электронной температуры плазмы в областях внутри пористого образца, расположенных на расстояниях 190 мкм, 220 мкм и 250 мкм от поверхности облучаемой мишени, которые составили 750 эВ, 800 эВ и 650 эВ, соответственно.

Измеренные спектры позволили определить еще один весьма важный параметр, а именно, ионную температуру плазмы. Она определялась из измерений доплеровского уширения наблюдаемых спектральных линий. Для He-подобного иона CI XVI штарковское уширение заведомо очень мало для переходов 2-1 при электронной плотности <1021 см-3. Оптическая толщина плазмы меньше 1 даже для резонансной линии ввиду низкой концентрации хлора в мишени. В этих условиях ширина линии определяется только движением ионов. Обработка результатов экспериментов показала, что

наблюдаемая ширина интеркомбинационной линии иона С1 XVI по уровню половины интенсивности составляет ДАЛ.^.9'10"4, что приводит к значению Т> 1.4 кэВ.

Таким образом, при облучении мишеней из агара с плотностью 2 мг/см3 мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов образующейся плазмы в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов. Превышение ионной температуры плазмы над электронной при облучении малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком было ранее предсказано в теоретических работах1, в рамках модели поглощения энергии в гетерогенной среде, сопровождающегося действием механизма гидротепловой диссипации, в результате которого кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

В серии экспериментов по облучению тонких лавсановых пленок толщиной 0.8 - 7 мкм, моделирующих элементы структуры гетерогенной среды, было продемонстрировано, что лазерное излучение взаимодействует с этими элементами в режиме «теплового взрыва», в результате чего потоки высокотемпературной (Те = 0.3-1 кэВ) плазмы распространяются в направлении лазерного пучка со скоростью близкой к скорости звука в образующейся плазме. При облучении фольг из лавсана толщиной 0.8 мкм скорость образующихся потоков высокотемпературной плазмы (Те = 0.3-1 кэВ) составила ~ 3х107 см/с.

В модельных экспериментах по изучению гидродинамики высокотемпературной плазмы в пористых гетерогенных средах облучались каскадные мишени, состоящие из двух лавсановых пленок толщиной мкм, находящихся на расстоянии ~ 100-300 мкм друг от друга. Было показано:

- перенос энергии в мишени связан с гидродинамическим движением высокотемпературной плазмы (Те = 0.3-1 кэВ) в направлении вдоль лазерного пучка от одного каскада испаряющегося вещества к другому, еще не испарившемуся каскаду, со скоростью, близкой к скорости звука в образующейся плазме (2-3)-107 см/с).

- преобразование кинетической энергии плазменных потоков в тепловую энергию плазмы происходит при их столкновении с фольгами каскадной мишени.

На основании анализа совокупности полученных экспериментальных результатов, а также принимая во внимание развитую ранее упрощенную теоретическую модель1 поглощения лазерного излучения в гетерогенной среде, сделаны следующие выводы:

1 С.Ю. Гуськов, Н В. Змитреноко, В.Б. Розанов «Мощный источник термоядерных нейтронов на основе лазерного возбуждения гидротепловой диссипации в объем но-струету рированной среде» - 1997 г, Письма в ЖЭТФ, том 66, вып.8, стр. 521 -526.

С.Ю. Гуськов, В.Б. Розанов «Взаимодействие лазерного излучения с пористой средой и образование неравновесной плазмы». - 1997 г., «Квантовая электроника», т. 24, №8,715-720.

- в малоплотных гетерогенных средах (р = 1-10 мг/см3), облучаемых мощным лазерным пучком (I ~ Ю14 Вт/см2, X = 1.054 мкм), обратно-тормозной механизм поглощения энергии лазерного излучения сопровождается эффективной -гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

-при облучении малоплотных гетерогенных мишеней (р = 1 — 10 мг/см3)

мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) перенос энергии

2

осуществляется за счет гидротсплового механизма , связанного с гидродинамическим разлетом плазмы, образующейся при испарении структурных элементов среды, во внутренние области мишени.

Качественно рассмотрены и проанализированы условия реализации различных режимов гидротеплового механизма переноса энергии, позволяющих объяснить экспериментально наблюдаемые скорости энергопереноса в малоплотных средах. Анализ экспериментальных результатов показывает, что при облучении малоплотных гетерогенных мишеней в зависимости от интенсивности и длительности лазерного импульса, средней плотности пористого вещества, размеров и характера взаимного расположения структурных элементов среды может преобладать каждый из рассмотренных режимов.

В Заключении сформулированы основные результаты работы и обоснована их практическая значимость.

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Продемонстрирована перспективность использования методов рентгеновской спектроскопии для оценки параметров неравновесной плазмы, образующейся при облучении малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком.

2. Впервые определена ионная температура плазмы в экспериментах с малоплотными пористыми мишенями. При облучении агара с плотностью 2 мг/см3 мощным лазерным пучком (I ~ 10й Вт/см2, X = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Т, составила 1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

3. Показано, что в гетерогенных средах обратно-тормозной механизм поглощения лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

1 Понятие гидротеплового механизма (механизма «пирогепловой волны») было введено в работе

А.Э. Бугров, С. Ю. Гуськов, В Б Розанов и др Взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными

пористыми средами. -1997 г ЖЭТФ, т 111, вып 3,903-918.

4. Путем прямых измерений рентгеновского излучения плазмы с пространственно-временным разрешением установлено, что при облучении мощным лазерным пучком (I ~ Ю"-1014 Вт/см2) пористых мишеней из элементов с низким атомным номером, а также мишеней, содержащих добавки элементов с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды), перенос энергии имеет характер волнового фронта с резким градиентом температуры на фронте волны. (Перепад температуры плазмы на фронте волны составляет 300-400 эВ.)

5. При облучении малоплотной среды мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см2, = 1.054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности мишени. При облучении мишени из агара с плотностью = 2 мг/см3 толщиной 300 мкм сглаживаются неоднородности давления с пространственным масштабом мкм.

6. При облучении лазерным пучком (I ~ 10,3-10и Вт/см2, X = 1.054 мкм) пористых мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, С12Н18О9) размер области высокотемпературной плазмы в направлении распространения лазерного пучка увеличивается со скоростью ~5-106 см/с для мишеней с плотностью 10 мг/см3 и ~2-107 см/с для мишеней с плотностью 1 мг/см3.

7. Обнаружено, что при облучении пористых мишеней с низким атомным номером и мишеней с рентгеновским конвертером на облучаемой поверхности мощным лазерным пучком (I Ю,3-10и Вт/см2, X = 1.054 мкм) скорость переноса энергии зависит от средней плотности и структурных особенностей вещества. При облучении лазерным пучком мишеней из вспененного полистирола с плотностью = 10 мг/см3, имеющего регулярную квазипериодическую структуру, скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии составляет ~ 1.7'107 см/с, что в 3-4 раза больше, чем при облучении лазерным пучком мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, с той же средней плотностью.

8. В экспериментах установлено, что при облучении малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3) мощным лазерным пучком = 1.054 мкм) скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии (Те = 0.3-1 кэВ) слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (непосредственно лазерным пучком или рентгеновским излучением в мишенях с поверхностным или объемно распределенным конвертором).

9. Экспериментальные результаты, полученные при облучении мощным лазерным пучком = 1.054 мкм) малоплотных пористых

мишеней (р = 1 - 1 0 мг/см3) с добавками элементов с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды) показывают, что имеет место преднагрев вещества перед высокотемпературным фронтом волны переноса энергии, вызванный рентгеновским излучением плазмы.

10. Анализ совокупности результатов, полученных в экспериментах по облучению мощным лазерным пучком малоплотных гетерогенных сред на основе агара, вспененного полистирола, а также каскадных пленочных мишеней, свидетельствует о доминирующей роли гидротеплового механизма переноса энергии.

Полученные результаты представляют большой практический интерес в таких актуальных областях науки и техники, как: лазерный термоядерный синтез (ЛТС), создание лазерно-плазменных источников когерентното излучения в рентгеновской области спектра, моделирование астрофизических процессов радиационной гидродинамики в лабораторных условиях, исследование свойств и поведения веществ при динамических нагрузках в мегабаром диапазоне давлений.

Публикации автора по теме диссертации:

1. А. Е. Bugrov, I.N. Burdonskiy, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, S. Yu. Gus'kov, E.V. Zhuzhukalo, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, S.F. Medovchshikov, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, V. B. Rozanov. Interaction of powerful laser and X-ray pulses with porous materials for advanced ICF targets applications. // Inertial Fusion Sciences and Applications, eds. Ch. Labaune, W. Hogan, K.A. Tanaka, State ofthe art 1999, ELSEVIER, Paris, 2000, pp. 154-157.

2. A. E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, S. Yu. Gus'kov, E.V. Zhuzhukalo, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, S.F. Medovchshikov, V. G. Nikolaevskiy, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, V. B. Rozanov, A. A. Sorokin. Study of lateral heat transfer and pressure profile smoothing in laser-irradiated low-density targets. // Proceedings ofSPIE, 2001, v. 4424, pp. 367-370.

3. В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, Н. Г. Ковальский, С. Н. Коптяев, А. И. Магунов, Т. А. Пикуз, И. Ю. Скобелев, А. Я. Фаёнов. Измерение рентгеноспектральными методами параметров высокотемпературной плазмы в пористых мишенях, облучаемых мощными лазерными импульсами. // Квантовая электроника, 2001, т. 31, №12, с. 1071.

4. А. Е. Bugrov, I.N. Burdonskiy, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, E.V. Zhuzhukalo, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, S.F. Medovchshikov, M.I. Pergament, V.M. Petryakov. Experimental modeling of advanced ICF target design with porous low-density materials utilization. // 28-th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, 18-22 June 2001, Funchal; ECA, vol. 25A (2001), pp. 2041-2044.

5. A. E. Bugrov, I.N. Burdonskiy, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, E.V. Zhuzhukalo, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, I. K. Fasahov, G. M. Yankovskiy. Plasma diagnostics in interaction of powerful laser pulses with inhomogeneous low-density media. // Advanced Diagnostics for Magnetic and Inertial Fusion, ed. by P. E. Stott, A Wootton, G. Gorini. E. Sindoni, D. Batani, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, pp. 177-180,2002.

6. V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, S: N. Koptyaev, A. I. Magunov, T. A. Pikyz, I. Yu. Skobelev, A.-Ya. Faenov, I: K. Fasahov. X-ray measurements of plasma parameters in laser-irradiated low-density porous targets.' // Inertial Fusion Sciences and Applications 2001, editors: K. A. Tanaka, D. D. Meyerhofer, J. Meyer-ter-Vehn, State ofthe art 2001, ELSEVIER, Paris, 2002, pp. 323-326.

7. А. Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, С.

Ю. Гуськов, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондратов, С. Н. Коптяев, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, В. Б. Розанов. Доклад. Трансформация и перенос энергии в малоплотных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами.// Тезисы докладов XXVI Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 5-9 апреля 1999 г., с. 110.

8. А: Е. Bugrov, I.N. Burdonskiy,, V.V. Gavrilov, A.Y. Goltsov, S. Yu. Gus'kov, E.V. Zhuzhukalo, N.G. Kovalskiy, V.N. Kondrashov, S. N. Koptyaev, V. G, Novikov, M.I. Pergament, V.M. Petryakov, V. B. Rozanov, Q. A. Vergunova. Report. X-ray conversion and related phenomena in laser-irradiated porous targets doped with high-Z materials. // First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications. 12-17 September 1999, Bordeaux, France, Abstracts,

9. А,Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, А.

И. Громов, С. Ю..Гуськов, Е. В. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондратов, С. Н. Коптяев, С. Ф. Медовщиков, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, В. Б. Розанов, Е. М. Янковский. Доклад. Особенности процессов энергопереноса в малоплотных мишенях,

облучаемых мощными лазерными импульсами. // Тезисы докладов XXVII Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 2125 февраля 2000 г., с. 92.

10. А. Э. Бугров, И. Н. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, Е.

B. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В. Н. Кондратов, С. Н. Коптяев,

C. Ф. Медовщиков, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Характеристики создаваемой лазерным излучением плазмы и процессов взаимодействия в экспериментах с пористыми малоплотными мишенями. // IV Харитоновские тематические научные чтения, Международная конференция, 18-21 февраля, г. Саров, Сборник аннотаций, с. 65-66.

11. А. Э. Бугров, И. р. Бурдонский, В. В. Гаврилов, А. Ю. Гольцов, Е.

B. Жужукало, Н. Г. Ковальский, В.Н. Кондрашов, С. Н. Коптяев,

C. Ф. Медовщиков, М. И. Пергамент, В. М. Петряков, И. К. Фасахов, Г. М. Янковский. Доклад. Характеристики создаваемой лазерным излучением плазмы и процессов взаимодействия в экспериментах с пористыми малоплотными мишенями. // Тезисы докладов XXIX Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, г. Звенигород, 25 февраля - 1 марта 2002 г., с. 94.

Коптяев Сергей Николаевич

Поглощение, трансформация н перенос энергии в малоплотных гетерогенных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами

Автореферат

Подписано в печать 15 03 04 формат 60x90/16. Усл. Печ. Л. 40. тираж 80 экз. заказ № 356 Московский физико-технический институт (государственный университет)

Печать на аппарате Rex-Rotery Copy Printer 1280. НИЧ МФТИ

141700, г. долгопрудный Московской обл., Институтский пер., д.9, тел.: (095 ) 4088430, факс (095) 5766582

»- 5299

Введение

Глава I. Анализ состояния вопроса и постановка задачи исследования.

1.1 Перспективные мишени JITC.

1.2 Поглощение и трансформация энергии в малоплотном веществе при облучении мощным лазерным пучком.

1.3 Перенос энергии в малоплотном веществе при облучении мощными лазерными и рентгеновскими импульсами.

1.4 Постановка задачи исследования.

Глава II. Экспериментальная установка. Методы диагностики высокотемпературной плазмы. Диагностическая аппаратура.

2.1 Лазерная система.

2.2 Камеры взаимодействия и диагностический комплекс.

2.2.1 Диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением.

2.3 Мишени.

Глава III. Перенос энергии в гетерогенных средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами.

3.1 Исследования переноса энергии в пористых мишенях с низким атомным номером

3.1.1 Перенос энергии в направлении вдоль лазерного пучка.

3.1.2 Перенос энергии в направлении перпендикулярном греющему лазерному импульсу.

3.2 Перенос энергии в малоплотных пористых мишенях, содержащих вещества с высоким атомным номером.

3.3 Обсуждение экспериментальных результатов.

Выводы.

Глава IV. Особенности поглощения и трансформации энергии при облучении гетерогенных мишеней мощным лазерным пучком.

4.1 Измерение рентгеноспектральными методами параметров высокотемпературной плазмы в пористых мишенях.

4.2 Эксперименты по облучению мощным лазерным пучком тонких органических пленок и каскадных пленочных мишеней.

4.3 Обсуждение экспериментальных результатов.

Выводы.

Диссертационная работа посвящена экспериментальным исследованиям особенностей поглощения, трансформации и переноса энергии при взаимодействии мощных импульсов лазерного.и* рентгеновского излучения с малоплотными пористыми средами.

Интерес к подобным исследованиям впервые проявился в научном сообществе, занимающемся проблемой лазерного термоядерного синтеза (J1TC), в процессе поиска способов обеспечить за счет конструкции мишеней эффективное выравнивание неоднородностей в распределении давления на поверхности ускоряемой оболочки термоядерной мишени и реализовать симметричное сжатие термоядерного топлива. В настоящее время существует достаточно хорошее понимание основных физических процессов, протекающих при облучении термоядерных мишеней мощными лазерными импульсами, сформулированы основные требования к параметрам лазерного излучения [1, 2, 3] и количеству лазерных пучков, разработаны конструкции мишеней для демонстрационного эксперимента. Начато строительство установок, на которых планируется продемонстрировать эффективный поджиг термоядерного топлива [4, 5]. Стоимость реализации проектов очень высока, поэтому ведутся поиски альтернативных схем демонстрационного эксперимента по зажиганию термоядерного топлива, в том числе поиски новых конструкций мишеней, которые могли бы позволить снизить требования к энергии лазерной системы, либо провести демонстрационный эксперимент по зажиганию термоядерной реакции с большим запасом качества. Так, в настоящее время предложен ряд конструкций перспективных мишеней на основе использования материалов с плотностью в 100 — 1000 раз меньше твердотельной плотности [10, 11], которые позволяют существенно снизить требования к качеству лазерного излучения и энергии лазерной системы, а, следовательно, к стоимости всей установки вцелом. Численные расчеты мишеней типа «лазерный парник», в конструкциях которых используются малоплотные материалы, показали, что возможно достижение зажигания термоядерного топлива при энергии лазерного импульса в 5-10 раз меньшей, чем в случае использования традиционных оболочечных мишеней [12, 13]. При этом однородность облучения оказывается вполне удовлетворительной для обеспечения устойчивого сжатия, достаточного для зажигания термоядерного топлива [14].

Использование малоплотных материалов представляется перспективным и в схеме JITC с непрямым воздействием лазерных пучков на термоядерную мишень, которая предполагает предварительную конверсию лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов на внутренней поверхности контейнера (хольраума), содержащего термоядерную капсулу. В этом способе покрытие внутренней поверхности хольраума слоем малоплотной среды могло бы, в принципе, привести к сдерживанию движения рентгеновских источников за счет противодавления плазмы, образующейся из вещества пониженной плотности, что и обеспечит высокую симметрию облучения и сжатия термоядерного топлива [3, 9].

Малоплотные пористые среды могут также найти успешное применение при создании лазерно-плазменных источников когерентного излучения в рентгеновской области спектра. Достижение оптимальных значений температуры и плотности высокотемпературной плазмы с многозарядными ионами, являющейся активной средой для таких источников, возможно за счет выбора средней плотности пористого вещества и энергии греющего лазерного излучения [15]. При этом, в случае применения малоплотных сред, появляется возможность независимо управлять температурой и плотностью плазмы в достаточно широких пределах, в отличие от плазмы, возникающей при облучении веществ твердотельной плотности, где эти параметры связаны друг с другом и меняются самосогласованно.

В настоящее время разработаны технологии изготовления малоплотных пористых материалов на основе органических соединений со средней плотностью в диапазоне 0.5 — 100 мг/см3 (агар, вспененный полистирол, аэрогели). Исследованы способы внесения добавок различных веществ в объём малоплотного образца [16].

Появляются и новые предложения по применению в облучаемых мишенях малоплотных материалов. Так, например, проводятся эксперименты по моделированию астрофизических явлений в лабораторных условиях, в которых используются уникальные свойства сред с пониженной плотностью, основанные на возможности управлять параметрами высокотемпературной плазмы за счет выбора состава и конструкции мишеней [17-19].

Большой интерес для исследования радиационного механизма переноса энергии представляют эксперименты по облучению малоплотпых образцов с объемными добавками веществ с высоким атомным номером. Возможность внесения в малоплоплотную среду добавок веществ с высоким атомным номером приводит к появлению новых схем JITC сочетающих особенности подходов как прямого, так и непрямого облучения оболочечных мишеней. Так, например, рассматриваются JITC мишени, в которых на поверхность термоядерной капсулы нанесен слой материала пониженной плотности с объёмными добавками золота, работающий как конвертер энергии лазерного излучения в энергию рентгеновских квантов [20, 21].

Уже первые эксперименты по исследованию взаимодействия мощных лазерных импульсов с малоплотными средами показали способность этих материалов эффективно поглощать энергию лазерных пучков, причем поглощение в этих средах носило объемный характер с образованием в облучаемой среде протяженной (сотни микрон) области высокотемпературной плазмы [22-24]. Были разработаны упрощенные теоретические модели процессов поглощения лазерного излучения в пористой среде [22, 25]. Предложен способ создания мощного источника нейтронов, основанного на облучении вещества пониженной плотности содержащего DT топливо [27, 28].

Использование малоплотных сред в конструкциях мишеней, облучаемых мощными лазерными импульсами, выглядит многообещающим и в таких областях, как низкоэнтропийное ускорение вещества, а также исследование свойств и поведения веществ при динамических нагрузках в мегабарном диапазоне давлений. Наконец, изучение всего многообразия новых эффектов, которые уже обнаружены в экспериментах по взаимодействию мощных лазерных пучков со средами пониженной плотности, представляет интерес и с точки зрения фундаментальных исследований по физике плотной высокотемпературной плазмы.

Основными направлениями исследования взаимодействия мощного лазерного излучения с малоплотными гетерогенными средами, связанными с практическим использованием этих материалов в различных областях науки и техники, являются:

- изучение особенностей взаимодействия лазерного излучения с пористыми веществами различной микроструктуры с учетом обратно-тормозного механизма поглощения, а также нелинейных процессов поглощения и рассеяния в образующейся плазме (распадные неустойчивости, ВРМБ, ВКР и т.д.).

- исследование механизмов переноса энергии в малоплотных гетерогенных материалах, в том числе и с добавками из элементов с различным значением атомного номера при разных способах воздействия на мишень (облучение лазерными пучками или рентгеновскими импульсами).

- разработка теоретической модели и создание программ численных расчетов, адекватно описывающих взаимодействие мощного лазерного излучения с малоплотными пористыми средами.

- непосредственная экспериментальная проверка предсказанных специфических эффектов, обусловленных использованием малоплотных пористых материалов в перспективных мишенях ЛТС.

На момент постановки задачи исследований, которым посвящена настоящая работа, был накоплен значительный объем экспериментальных результатов по взаимодействию мощных лазерных и рентгеновских импульсов с малоплотными средами, полученных на различных установках, а также были предложены упрощенные теоретические модели. Было показано, что лазерное излучение эффективно поглощается в мишени из малоплотного пористого вещества и размер области поглощения составляет сотни микрон вдоль направления лазерного пучка. Поглощенная энергия эффективно переносится в пористом веществе со скоростью близкой к скорости звука в образующейся плазме. Внесение в объем малоплотной мишени добавок веществ с высоким атомным номером, а также облучение мишени лазерным пучком с предварительной конверсией лазерного излучения в рентгеновское, позволяет увеличить эффективность переноса энергии за счет дополнительного вклада механизма радиационной тепловой волны.

Вместе с тем, ряд важных вопросов оставался не изученным. Среди них можно выделить следующие: специфические особенности поглощения, трансформации и переноса энергии при облучении мощными лазерными и рентгеновскими импульсами пористых сред с различной внутренней структурой (беспорядочно распределенные тонкие волокна — агар и регулярная квазипериодическая среда -вспененный полистирол); свойства неравновесной плазмы, образующейся в пористом веществе, и процесс ее гомогенизации; перенос энергии в малоплотном образце на ранних этапах облучения и динамика формирования области энерговыделения в пористой мишени; перенос энергии в малоплотном веществе в направлении перпендикулярном направлению греющего лазерного пучка и возможность выравнивания давления на тыльной поверхности пористой мишени.

Именно эти вопросы явились предметом исследования данной диссертации.

Осуществление намеченной программы потребовало развития диагностических методов, основанных на регистрации рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы с высоким пространственным и временным разрешением, привлечения рентгеноспектральных диагностик, обеспечивающих высокое спектральное разрешение, а также использования в экспериментах целого ряда взаимодополняющих диагностических методов для правильной интерпретации полученных результатов.

В настоящей работе приведены результаты экспериментальных исследований процессов поглощения трансформации и переноса энергии при облучении мишеней с плотностью 1-10 мг/см3 мощными (1~1013-1014 Вт/см2) лазерными и рентгеновским импульсами. Эксперименты проводились в Троицком Институте Инновационных и Термоядерных Исследований на установке «Мишень».

Автор защищает следующие результаты:

• Определена ионная температура плазмы, генерируемой при лазерном облучении мишеней из малоплотных пористых материалов. При облучении мишеней из агара с плотностью 2

Я 1А 7 мг/см мощным лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , X = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Т; образующейся плазмы составила ~1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

• Показано, что в малоплотных гетерогенных средах, (р = 1 — 10

Я н ■) мг/см ) облучаемых мощным лазерным пучком (I ~ 10"* Вт/см , А=1.054 мкм), обратно-тормозной механизм поглощения энергии лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

• Установлено, что при облучении малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3) мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см , X = 1.054 мкм) скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии (Те = 0.3-1 кэВ) определяется средней плотностью пористой среды, структурными особенностями вещества и слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (лазерным пучком или рентгеновским импульсом), а также от наличия в мишени объемно-распределенных примесей элементов с высоким атомным номером.

• Экспериментальные результаты, полученные при облучении

14 2 мощным лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , А, = 1.054 мкм) малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3), содержащих вещества с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды) свидетельствуют о преднагреве вещества перед высокотемпературным фронтом волны переноса энергии, вызванном рентгеновским излучением плазмы.

• Экспериментально продемонстрировано, что при облучении мишеней из агара с плотностью р = 2 мг/см3 толщиной 300 мкм

1 *4 2 мощным лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , А, = 1.054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей с масштабом <300 мкм в распределении давления на тыльной поверхности мишени.

Научная новизна и практическая значимость представленных исследований состоят в следующем.

В работе проведены комплексные исследования переноса энергии в малоплотных пористых материалах с плотностью 1-10 мг/см3, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами, с использованием набора взаимодополняющих диагностических методов, основанных на регистрации излучения плазмы в видимом и рентгеновском диапазоне длин волн с высоким пространственным и временным разрешением, а также метода многокадрового теневого фотографирования плазмы. Впервые определена температура ионов в плазме, образующейся из малоплотного пористого вещества, и обнаружено, что на стадии развитой гомогенизации плазма находится в неравновесном состоянии с преимущественно нагретым ионным компонентом. Использование этого свойства плазмы, генерируемой при лазерном облучении малоплотного вещества, может быть полезно для решения целого ряда научно-технических задач, например, для создания мощного источника нейтронов. Продемонстрированный в работе эффект сглаживания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности мишени пониженной плотности, облучаемой мощным лазерным пучком показывает перспективность использования таких материалов в качестве компонента мишеней JITC. В работе впервые обнаружено, что скорость переноса энергии в среде, имеющей регулярную квазипериодическую внутреннюю структуру, оказывается значительно выше, чем в средах типа «агар», что позволяет улучшить эффективность переноса энергии, и делает эти среды более привлекательными для целого ряда практических применений. Проведенные эксперименты показали возможность контролируемого управления параметрами лазерно-плазменных источииков рентгеновского излучения (протяженность, спектральный состав излучения) путем использования в конструкциях мишеней малоплотных гетерогенных сред. Развитая в рамках настоящей работы диагностика рентгеновского излучения плазмы с высоким пространственным и временным разрешением позволяет изучать гидродинамику высокотемпературной лазерной плазмы в самых разнообразных постановках задачи исследования и совместно с другими диагностическими методами получать информацию об основных физических процессах протекающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом.

Структура и краткое содержание диссертации

Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

В первой главе представлен обзор литературы по проблеме взаимодействия мощных лазерных пучков с малоплотными средами; проведен анализ результатов экспериментальных исследований процессов переноса энергии в мишенях пониженной плотности, полученных разными научными коллективами; рассмотрены основные положения упрощенной теоретической модели, описывающей перенос энергии в малоплотном веществе; обсуждается возможность применения пористых сред в качестве компонента перспективных мишеней J1TC; перечислены различные механизмы, которые могут быть ответственными за перенос энергии в мишенях пониженной плотности при различных параметрах мишеней и условиях облучения; рассмотрены процессы поглощения и трансформации энергии в плазме пористого вещества; сформулированы задачи исследований.

Во второй главе приведено описание мощной лазерной установки «Мишень» и совокупности диагностических методов, использовавшихся в экспериментах. Основное внимание уделяется рентгеновским методам диагностики плазмы с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Описаны методы настройки и калибровки диагностической аппаратуры. Представлены типичные результаты, полученные при помощи различных диагностических методов. Приведено описание мишеней, использовавшихся в экспериментах.

В третей главе представлены результаты экспериментального исследования процессов переноса энергии в малоплотных пористых средах, облучаемых мощными лазерными и рентгеновскими импульсами. Исследуется перенос энергии в пористом веществе в направлении перпендикулярном греющему лазерному пучку и эффект выравнивания неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности малоплотной мишени. Представлены результаты экспериментов, в которых изучались особенности переноса энергии в пористой мишени, содержащей материалы с высоким атомным номером, при конверсии лазерного излучения в рентгеновское. На основе анализа совокупности экспериментальных результатов выявлен доминирующий механизм переноса энергии при облучении различных типов мишеней, облучаемых мощным лазерным пучком. Приведены основные выводы.

В четвертой главе описывается постановка эксперимента по измерению рентгеноспектральными методами температуры ионов плазмы, образующейся при облучении пористого вещества. Представлены экспериментальные результаты, полученные в экспериментах по облучению тонких лавсановых пленок и каскадных пленочных мишеней. Проведен сравнительный анализ гидродинамических процессов плазмы в малоплотных пористых средах и каскадных пленочных мишенях. На основе совокупности экспериментальных результатов обсуждается роль гидродинамических процессов в плазме при поглощении, трансформации и переносе энергии в малоплотных пористых средах, облучаемых мощным лазерным пучком. Приведены основные выводы.

В Заключении сформулированы основные выводы диссертационной работы и обоснована их практическая значимость.

Материалы диссертации докладывались на:

- XXVI, XXVII, XXVIII, XXIX, XXXI Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (Звенигород -99, -00, -01,-02,-04);

- First International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 12-17 September 1999, Bordeaux, France;

- 26-th European Conference on Laser Interaction with Matter, 12-16 June 2000, Prague, Czech Republic;

- Second International Conference on Inertial Fusion Sciences and Applications, 9-14 September 2001, Kyoto, Japan;

- Workshop on High Energy Density in Matter (Hersheg, Austria, 2001);

- 28-th European Physical Society Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, Madeira Techpololo, Funchal, Portugal, 18-22 June 2001;

- IV Харитоновские тематические научные чтения. Международная конференция (г. Саров, Россия, -02);

- Ежегодная конференция МФТИ (2000 г.); а также на научных семинарах Отделения Магнитных и Оптических исследований (ОМОИ), ГНЦ РФ ТРИНИТИ.

Выводы.

1. Продемонстрирована эффективность использования рентгеноспектральных методов для определения параметров неравновесной плазмы, образующейся при облучении малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком.

2. Интегральные во времени рентгеноспектральные измерения показали, что при облучении пористой мишени из агара с плотностью 2

Я I "1 л мг/см мощным лазерным пучком (1-5-10 Вт/см , X = 1,054 мкм, т = 2,5 не) внутри малоплотного образца формируется протяженный слой плазмы с размером вдоль направления распространения лазерного пучка - 400 мкм и электронной температурой - 800 эВ. Результаты выполненных измерений с хорошей точностью согласуются с данными, полученными ранее в аналогичных условиях другими диагностическими методами.

3. Впервые определена ионная температура плазмы в экспериментах с малоплотпыми пористыми мишенями. При облучении агара с

3 14 2 плотностью 2 мг/см мощным лазерным пучком (I ~ 1014 Вт/см , X = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Tj составила ~1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

4. Показано, что в гетерогенных средах обратно-тормозной механизм поглощения лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

5. Анализ совокупности результатов, полученных в экспериментах по облучению мощным лазерным пучком малоплотных гетерогенных сред на основе агара, вспененного полистирола, а также каскадных пленочных мишеней, свидетельствует о доминирующей роли гидротеплового механизма переноса энергии.

В заключение суммируем основные выводы диссертационной работы:

1. Продемонстрирована перспективность использования методов рентгеновской спектроскопии для оценки параметров неравновесной плазмы, образующейся при облучении малоплотных пористых мишеней мощным лазерным пучком.

2. Впервые определена ионная температура плазмы в экспериментах с малоплотными пористыми мишенями. При облучении агара с

7 II л плотностью 2 мг/см мощным лазерным пучком (I ~ 10" Вт/см , = 1.054 мкм) интегральная за время лазерного импульса температура ионов Tj составила ~1.4 кэВ, что в 1.5-2 раза превышает интегральную температуру электронов.

3. Показано, что в гетерогенных средах обратно-тормозной механизм поглощения лазерного излучения сопровождается эффективной гидротепловой диссипацией, в результате которой кинетическая энергия плазменных потоков, образующихся при испарении структурных элементов среды, трансформируется в тепловую энергию плазмы.

4. Путем прямых измерений рентгеновского излучения плазмы с пространственно-временным разрешением установлено, что при облучении мощным лазерным пучком (I ~ 1013-1014 Вт/см2) пористых мишеней из элементов с низким атомным номером, а также мишеней, содержащих добавки элементов с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды), перенос энергии имеет характер волнового фронта с резким градиентом температуры на фронте волны. (Перепад температуры плазмы на фронте волны составляет 300-400 эВ.)

5. При облучении малоплотной среды мощным лазерным пучком (I ~

I < ^

10"* Вт/см , X = 1.054 мкм) поперечный перенос энергии обеспечивает сглаживание неоднородностей в распределении давления на тыльной поверхности мишени. При облучении мишени из агара с плотностью р=2 мг/см3 толщиной 300 мкм сглаживаются неоднородности давления с пространственным масштабом <300 мкм.

6. При облучении лазерным пучком (I ~ 10,3-1014 Вт/см2, X = 1.054 мкм) пористых мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, C^HigOg) размер области высокотемпературной плазмы в направлении распространения лазерного пучка увеличивается со скоростью ~ 5-106 см/с для мишеней с плотностью 10 мг/см3 и ~ 2-107 см/с для мишеней с плотностью 1 мг/см3.

7. Обнаружено, что при облучении пористых мишеней с низким атомным номером и мишеней с рентгеновским конвертером на облучаемой поверхности мощным лазерным пучком (I ~ 10,3-1014 Вт/см , X = 1.054 мкм) скорость переноса энергии зависит от средней плотности и структурных особенностей вещества. При облучении лазерным пучком мишеней из вспененного полистирола ((СН)П) с плотностью р = 10 мг/см3, имеющего регулярную квазипериодическую структуру, скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии составляет ~ 1.7* 107 см/с, что в 3-4 раза больше, чем при облучении лазерным пучком мишеней из агара (беспорядочно распределенные тонкие волокна, С12Н18О9) с той же средней плотностью.

8. В экспериментах установлено, что при облучении малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3) мощным лазерным пучком (I ~

14 2

10" Вт/см , X = 1.054 мкм) скорость высокотемпературного фронта волны переноса энергии (Те = 0.3-1 кэВ) слабо зависит от способа воздействия на малоплотное вещество (непосредственно лазерным пучком или рентгеновским излучением в мишенях с поверхностным или объемно распределенным конвертором).

9. Экспериментальные результаты, полученные при облучении мощным

14 2 лазерным пучком (I ~ 10 Вт/см , А. = 1.054 мкм) малоплотных пористых мишеней (р = 1 - 10 мг/см3) с добавками элементов с высоким атомным номером (на облучаемой поверхности или в объеме пористой среды) показывают, что имеет место преднагрев вещества перед высокотемпературным фронтом волны переноса энергии, вызванный рентгеновским излучением плазмы.

10. Анализ совокупности результатов, полученных в экспериментах по облучению мощным лазерным пучком малоплотных гетерогенных сред на основе агара, вспененного полистирола, а также каскадных пленочных мишеней, свидетельствует о доминирующей роли гидротеплового механизма переноса энергии.

Полученные результаты представляют большой практический интерес в таких актуальных областях науки и техники, как: лазерный термоядерный синтез (J1TC), создание лазерно-плазменных источников когерентного излучения в рентгеновской области спектра, моделирование астрофизических процессов радиационной гидродинамики в лабораторных условиях, исследование свойств и поведения веществ при динамических нагрузках в мегабаром диапазоне давлений.

В заключение считаю своим приятным долгом выразить глубокую благодарность все тем людям, при активной поддержке которых выполнялась эта работа.

Я благодарен доктору физико-математических наук Гольцову Александру Юрьевичу за научное руководство, большую практическую помощь и приобретенный в результате совместной работы опыт экспериментальных исследований по физике плотной высокотемпературной плазмы.

Хочу выразить признательность доктору физико-математических наук Гаврилову Валерию Васильевичу за помощь при проведении экспериментов, обсуждение экспериментальных результатов и ценные замечания.

Я благодарю профессора МФТИ, доктора физико-математических наук Ковальского Николая Григорьевича и профессора МФТИ, доктора физико-математических наук Пергамента Михаила Иосифовича за те знания, которые приобрел па их лекциях, постоянную поддержку, критические замечания и неизменную благожелательность.

Слова благодарности говорю научным сотрудникам Отделения Магнитных и Оптических исследований (ОМОИ) ГНЦ РФ ТРИНИТИ: кандидату физико-математических наук Бурдонскому Игорю Николаевичу, кандидату физико-математических наук Жужукало

Евгению Васильевичу, кандидату физико-математических наук Кондрашову Владимиру Николаевичу; кандидату физико-математических наук Бугрову Алексею Эльмировичу. Без их постоянного участия в обсуждении постановки экспериментов, обеспечении работы лазерной установки и диагностической аппаратуры выполнение настоящей работы было бы, конечно же, невозможно.

Хочу также выразить признательность Владимиру Георгиевичу Николаевскому и его сотрудникам, обеспечившим работу системы управления и энергетического комплекса установки «Мишень».

Большое спасибо Петрякову В. М., Крыжко В. Н., Фасахову И. К, Миронову Б. Н. за конкретную помощь в настройке и отладке диагностической аппаратуры.

Я благодарю Дедову О. JI. за помощь при проектировании отдельных узлов экспериментальной установки и обработке результатов экспериментов, а также Кузнецову В. И. за постоянно оказывавшуюся техническую помощь.

Не могу не поблагодарить выпускника МФТИ и бывшего сотрудника ТРИНИТИ Федорова А. В., с которым мы весьма плодотворно работали бок о бок на начальном этапе выполнения настоящей работы.

Хочу также поблагодарить за помощь Янковского Г. М., Янковского Н. М. и Сорокина А. И.

Спасибо за поддержку Смирнову Р. В., Черняку В. М., Бикматову Р. И., Соколову В. И., Кузнецову Н. Г., Пергаменту М. М.

1. Н.Г. Басов, О.Н. Крохип. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора. ЖЭТФ 46, 1 (1997).

2. Н.Г. Басов, Ю.А. Захаренков, Н.Н. Зорев и др. Нагрев и сжатие термоядерных мишеней, облучаемых лазером. Итоги науки и техники: Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1982. — Т. 26.

3. J. Lindl, Phys. Plasmas 2, 3933 (1995).

4. W.H. Lowdermilk, «Status of the National Ignition Facility project», in Second Annual International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion, Michel L. Andre, Editor, Proceedings of SPIE Vol. 3047, pp. 16-37.

5. M.L. Andre, «Status of the National Ignition Facility project», in Second Annual International Conference on Solid State Lasers for Application to Inertial Confinement Fusion, Michel L. Andre, Editor, Proceedings of SPIE Vol.3047, pp. 38-42.

6. J. Nuckolls, J. Lindl, W. Mead et al, Proc. 5-th Intern Conf. on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research (11-15 Nov. 1974, Tokyo), Vol. II, IAEA, Vienna, 1975 p.535.

7. T. R. Dittrich, S. W. Haan, M.M. Marinak et al., XXV European Conf. on Laser Interaction with Matter, 4-8 May 1998, Formia, Italy.

8. S.W. Haan, S.M. Pollaine, J. D. Lindle et al., Phys. Plasmas, 2, 2480 (1995). J. Lindle. Preprint LLNL UCRL-JC119015, 1995.

9. С.Ю. Гуськов, В.Б. Розанов, Сб. Аннотаций докладов Всерос. Конф. по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу, Звенигород, 1994.

10. С. Ю. Гуськов, Н.В. Змитренко, В.Б. Розанов, ЖЭТФ, 108, 548 (1995) JETP 81, 296 (1995).

11. G.A. Vergunova, V.B. Rozanov, Proc. XXIII Europ. Conf. on Laser Interaction with Matter, 19-23 September 1994, Oxford, UK, 447.

12. С.Ю. Гуськов, В.Б. Розанов, Н.В. Змитренко, Т.В. Мищенко, И.В. Попов, В.Ф. Тишкин. Препринт ФИАН №57, 1997.

13. Г.А. Вергунова, А.И. Громов, С.Ю Гуськов, Н.Н. Демченко, И.Г. Лебо, Ю.А. Меркульев и др. Препринт ФИАН №58, 1999.

14. Р. Элтон, Рентгеновские лазеры, Москва, Мир, (1994).

15. N.G. Borisenko, A.I. Gromov, and Yu.A. Merkul'ev. Microgeterogeneous Targets — a New Challenge in Technology, Plasma Physics and Laser Interaction with Matter. Proc. of 10-th Target Fabrication Specialists Meeting, Taos, New Mexico, USA, 1996.

16. Axford, W.I., Philos. Trans. R. Soc. London A253, 301 (1961).

17. Goldstein W.H. et al., Inst. Phys. Conf. Ser. No 140: Section 9, 263 (1995).

18. B.A. Remington et al. Phys. Plasmas, 4, 1994 (1997).

19. С.Ю. Гуськов, Ю.А. Меркульев. Малоплотный поглотитель-конвертер лазерной мишени с прямым облучением лазерными пучками.//Препринт ФИАН №56, 1999.

20. С.Ю. Гуськов, Ю.А. Меркульев. Малоплотный поглотитель-конвертер в лазерных термоядерных мишенях прямого облучепия.//«Квантовая электроника», 31, №4 (2001).

21. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, С.Ю. Гуськов и др. ЖЭТФ, 111, 903 (1997) JETP 84, 497 (1997).

22. С.Ю. Гуськов, А. Карузо, В.Б. Розанов, К. Странгио. Тезисы докладов XXV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 2-6 Марта, 1998), Изд. Московского физического общества, с. 100(1998).

23. A. Caruso, S. Yu. Gus'kov, N.N. Demchenko, V.B. Rozanov and C. Strangio, J. Russian Laser Research 18, 464 (1997) Caruso A., Gus'kov S.Yu., Demchenko N.N., Rozanov V.B. and Strangio C. Preprint of Lebedev Physical Inst. N 18, 1997.

24. S. Yu. Gus'kov. Theory of laser stimulated homogenization of regularly volume - structured media and foams. Preprint of Lebedev Physical Inst. N49, 1998.

25. P. L. Andreoli, A. Caruso, G. Cristofary, A. Dattola, C. Strangio, S.Yu. Gus'kov, V.B. Rozanov. Powerful laser pulse interaction with supercritical density foams. Preprint of Lebedev Physical Inst. N 35, 1998.

26. С.Ю. Гуськов, H.B. Змитреноко, В.Б. Розанов «Мощный источник термоядерных нейтронов на основе лазерного возбуждения гидротепловой диссипации в объемно-структурированной среде» -1997 г, Письма в ЖЭТФ, том 66, вып.8, стр. 521-526.

27. С.Ю. Гуськов, В.Б. Розанов «Взаимодействие лазерного излучения с пористой средой и образование неравновесной плазмы». — 1997 г., «Квантовая электроника», т. 24, №8, 715-720.

28. К. Бракнер, С. Джорна. "Управляемый термоядерный синтез", Москва, Атомиздат, 1977.

29. Дж. Дюдерштадт, Т. Мозес, "Инерциальный термоядерный синтез", Москва, Энергоатомиздат, 1984.

30. S.E. Bodner. Critical Elements of High Gain Laser Fusion. Journal of Fusion Energy, 1981, vol. 1, n. 3, pp. 221 240.

31. R.G. Evans. The basic physics of laser fusion. Can. J. Phys., 1986, v. 64, pp. 893 899

32. N.G. Basov. et al, Laser interaction and Related Plasma Phenomena. N.Y. Plenum Press, 1974, 3B.

33. В.Ю. Афанасьев, Е.Г. Гамалий, С.Ю. Гуськов, В.Б. Розанов. Приближенная теория сжатия и соотношения подобия для тонких оболочечных мишеней. Труды ФИАН, т. 134, 1982 г., с.52 65.

34. А.А. Андреев, А.Г. Самсонов, Н.А. Соловьев. Нагрев и сжатие сферических оболочечных мишеней интенсивным лазерным излучением. Квантовая электроника, 14, 9 (1987), с. 1873 1882.

35. R.L. McCrory, L. Montierth, R.L. Morse, С.P. Verdon. Laser Interaction and Related. Plasma Phenomena, Proc. 5-th Worshop, Rochester, N.Y., 1979, New York.

36. H. Jacobs. Analitic correlations for Rayleigh Taylor Instabylity gross. Nuclear Technology, 71, 1985, pp. 131 - 144.

37. S.E. Bodner. Rayleigh Taylor Instabylity and Laser - Pellet Fusion. Phys. Rev. Lett., 33, 1974, pp. 761 - 775.

38. L. Baker. Stability of Ablation and Combustion Fronts. Phys. Fluids, 21, 1978, pp. 295-304.

39. R.L. McCrory et al. Laser compression and stability in ICF. Proc. 16 European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics. Venice, 1982.

40. J.D. Lindl, R.L. McCrory, and E.M. Campbell. Physics Today, 49, 32 (1992).

41. M. Desselberger, T. Afshar-rad, F. Khattak, S. Viana, O. Willy. Phys. Rev. Lett. 68, 1539(1992).

42. E. Storm, J.D. Lindl, E.M. Campbell et al. Preprint LLNL, 1988, UCRL.

43. H.G. Ahlstrom. Appl. Optics, 1981, 20, №11.

44. K.R. Manes, D.R. Speck, G.J. Suski et al. Laser interaction and Related Plasma Phenomena. N.Y. Plenum Press, 1984, v. 6.

45. H.N. Kornblum, R.L. Kauffman, J.A. Smith. Rev. Sci. Instrum., 1986, 57, №8.

46. K. Okada, T. Mochizuki, N. Ikeda et al. Jap. J. Appl. Phys., 1983, 22, №11.

47. G. Borisenko, A.I. Gromov, S. Yu. Gus'kov. Et al., Research of target fabrication possibility for new direct smoothing laser irradiation.// Preprint FIAN №62, 1999, c. 17.

48. V.N. Derkach, S.V. Bondarenko, S. G. Garanin et al., Book of abstract of 25-th Europ. Conf. on Laser Interaction with Matter, 4-8 May, 1998, Formia, Italy.

49. С.Ю. Гуськов, Ю.С. Касьянов, M.O. Кошевой и др. Письма в ЖЭТФ, 64, 462 (1996) S. Yu. Gus'kov, Yu. S. Kas'yanov, M.O. Koshevoi et al, JETP, 64,502(1996).

50. K.A. Tanaka et al. Phys. Fluids, 28, 2910 (1985).

51. Бугров А. Э. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва (ФИАН), 1998.

52. А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов и др., ЖЭТФ 115, 805 (1999).

53. J. A. Koch, К. G. Estabrook, J. D. Bauer et al., "Time-resolved X-ray imaging of high-power laser-irradiated underdense silica aerogels and agar foams target" — Phys. Plasmas 2(10), October 1995.

54. J. Massen, G. D. Tsakiris et al. "Supersonic radiative heat waves in low-density high-Z material" Phys. Review E, Vol. 50, 5130 (1994).

55. N. Kaiser, J. Mayer-ter-Vehn, and R. Sigel "The X-ray-driven heating wave" Phys. Fluids В1 (8), August 1989.

56. R. Sigel, G. D. Tsakiris, et al. "Experimental Observation of Laser-Induced Radiation Heat Waves" Phys. Rev. Lett., Vol. 6, number 5, 30 July 1990.

57. J.H. Gardner and S.E. Bodner, Phys. Rev. Lett. 47, 1137 (1981).

58. W.M. Manheimer, D.G. Colombant, and J.H. Gardner, Phys. Fluids 25, 1644(1982).

59. M. Dunne, B. Borghesi, A. Iwase, M.W. Jones, R. Taylor, O. Willi, R. Gibson, S.R. Goldman, J. Mack, and R.G. Watt, Phys. Rev. Lett. 75, 3858 (1995).

60. Я. Б. Зельдович, Ю. П. Райзер, «Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений», Наука 1965 г.

61. Н. Г. Басов, Ю.А. Захаренко и др. «Диагностика плотной плазмы», Наука 1989 г.

62. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц, «Гидродинамика», VI, Наука 1988 г.

63. В. В. Гаврилов, Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. Троицк, Московская обл. (ТРИНИТИ), 1999 г.

64. А. Ю. Гольцов, Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. Москва (ФИАЭ), 1989 г.

65. Л.А. Болыиов, И.Н. Бурдонский, А.Л. Великович и др., ЖЭТФ, 92, 2060(1987).

66. Б. Н. Базылев, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов и др., ЖЭТФ 106, 1628,(1994).

67. И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов и др., Физика плазмы 13, 819(1987).

68. I.N.Burdonskii, A.E.Bugrov, V.V.Gavrilov et al., 2co0 and Зюо/2 Harmonic Emission from a Plasma of Laser Irradiated Low Density Target. 25-th European Conf. on Laser Interaction with Matter, Formia, Italia, 1998, Book of Abstracts.

69. A.V. Batjunin, A.N. Bulatov, A.V. Branitsky et al. «Beam 90», 8-th Int. Conf. On High Power Particle Beams, 1990, Novosibirsk, USSR, P. V05.

70. V.A. Bolotin, I.N. Burdonsky et al., Rev. Sci. Insrum., 61, 3259, (1991).

71. B.A. Болотин, И.Н. Бурдонский, А.Ю. Гольцов и др. Мощная лазерная система на неодимовом фосфатном стекле для проведения комплексных модельных исследований по программе лазерного термоядерного синтеза. Препринт ИАЭ — 4967/7, Москва, 1989.

72. А.Е. Bugrov, I.N. Burdonskiy, I.К. Fasakhov et al., Laser plasma interaction in experiments with low-density volume-structured media on the «Mishen» facility. // Proc. of SPIE, v.5228 (2003).

73. В. Визе «Ширина спектральных линий». II «Диагностика плазмы» под редакцией Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, «МИР», Москва, 1967.