книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

ше оптимальных потеря части энергии вызвана теплопроводно­ стью. Справа от максимума часть энергии идет на увеличение степени ионизации и температуры испаренного вещества. В ре­ зультате передаваемый импульс оказывается меньше, чем в случае, когда то же самое количество энергии идет на испарение большего числа атомов.

При действии на металлические мишени излучения мощного лазера на неодимовом стекле с модулированной добротностью былп получены пиковые давления в десятки килобар [115]. Реги­ стрировалось отклонение мишеней, выполненных в виде маятни­ ков. Мощные лазерные импульсы могут, таким образом, генери­ ровать в веществе импульсы напряжения в виде слабых ударных волн.

з, Термоядерные аспекты

. Большая часть работ по исследованию лазерной плазмы была явно ^мотивирована желанием получить высокотемператур­ ную плазму для целей управляемого термоядерного синтеза. Пред­ ложение использовать лазеры для нагревания плазмы до термо­ ядерных температур было высказано в самом начале этих иссле­ дований [119, 120]. Это предложение стимулировало большое число работ. В настоящем разделе мы рассмотрим некоторые из работ, специально ориентированных на изучение термоядерных аспектов взаимодействия лазерного излучения с веществом. Сюда относятся выбор подходящих материалов для мишеней, системы подвески малых мишеней, применение магпитных полей для удержания плазмы и регистрация нейтронов.

Для термоядерного синтеза необходимы вещества с малыми атомнымп номерами. Более всего подходят твердый водород пли дейтерий, но с их использованием связаны экспериментальные трудности. В качестве компромисса часто использовались твердые шарики из гидрида лития или дейтрида лития [57, 97, 99, 121]. В одном из экспериментов пластинка из смеси LiH и LiD подве­ шивалась на кварцевой нити [122]. Для приготовления мишеней из твердого водорода применялись различные методы. В одном случае с помощью экструдера получали нити из твердого водорода диаметром около V3 мм и длиной в несколько миллиметров [123]. В работе [124] твердый водород прессовали в таблетки диаметром и толщиной около V4 мм. Затем таблетки выбрасывались в облу­ чаемый объем со скоростью около 1000 см/с. В качестве мишеней также использовались тонкие фольги из твердого водорода [125], дейтериевые нити [69] и частички из дейтерия [126].

Размеры этих мишеней малы, так что их величина довольно хорошо согласуется с размером сфокусированного лазерного луча. Типичные размеры мишени имеют порядок 100 мкм, хотя исполь­

зовались также и частички размером до 10 мкм [57]. Необходимо по возможности тщательно изолировать мишени от контакта с окружающей средой. Маленькие мишени подвешивались на тонких кварцевых нитях 168, 122], выстреливались из специаль­

[68]. Наиболее трудоемким является метод электростатического

и предотвращение контакта с другими телами. В область с под­ вешивающим полем вводят порошок из частичек гидрида лития диаметром от 10 мкм до 20 мкм. Путем соответствующего подбора напряжений на электродах можно выделить одну частицу из тех, которые попали в область с подвешивающим полем. Захваченная частица могла удерживаться на минимальной орбите с размером порядка одной трети фокального диаметра луча.

Для увеличения времени удержания плазмы в работах [68, 79, 127] использовались магнитные поля. Вычисления показали, что поглощение лазерного света в плазме возрастает в присутствии магнитного поля [128]. Исследования процесса расширения плаз­ мы, образующейся из одиночной частички гидрида лития в зер­ кальной и остроугольной магнитных конфигурациях, показывают, что лазерная плазма действительно удерживается магнитным полем [127]. В отсутствие магнитного поля плазма расширяется изотропно. В магнитном поле зеркальной конфигурации с напря­ женностью 240 Гс плазма уже не расширяется свободно, а посте­ пенно вытекает из области удержания. Уменьшается количество собранного заряда в направлении поперек магнитного поля, и сам процесс сбора происходит в течение более продолжительного времени. Поток плазмы движется в основном вдоль линий поля.

Скоростная киносъемка показала [68], что в магнитном поле с зеркальной конфигурацией и напряженностью в области зеркал 14 кГс при напряженности в центре 6 кГс происходит заметное изменение характера расширения плазмы. Плазма в поле излучает свет в течение 5 мкс по сравнению с 1 мкс в отсутствие поля, что указывает на наличие удержания. Однако скорость расширения плазмы поперек линий оказывается почти столь же высокой, как и в отсутствие поля. Микроволновые интерферометрические изме­ рения плотности плазмы обнаруживают несколько более медленное убывание электронной плотности в присутствии магнитного поля.

В работе [129] было высказано предположение, что направлен­ ный внутрь взрыв, вызванный действием лазерного излучения, приведет к увеличению температуры и поглощательной способно­ сти плазмы. Несколько лазеров, излучение которых сфокусиро­ вано в одну и ту же точку, могут заполнить излучением весь телесный угол. Временную форлгу импульса можно было бы подо­

брать таким образом, чтобы сначала образовалась взрывная волна, а затем сходящаяся сферическая ударная волна, которая создала бы очень высокие температуры и плотности в центре -1).

В литературе также описаны прямые наблюдения нейтронов, образующихся в лазерной плазме [99, 121, 122, 130—132]. Ней­ тронные импульсы наблюдались в эксперименте, в котором одиноч­ ный импульс выделялся из цуга импульсов, генерируемых лазером на неодимовом стекле с модулированной добротностью в режиме синхронизации мод, и фокусировался на мишень из LiD в вакууме [99, 121, 130]. Полная энергия порядка 20 Дж выделялась за время порядка 10-11 с. Детектор нейтронов состоял пз пластикового сцинтиллятора и фотоумножителя. Выходные импульсы часто совпадали по времени с лазерным импульсом, хотя во многих лазерных вспышках совпадения не было. Авторы полагают, что число наблюдаемых совпадений значительно превышало число возможных случайных совпадений п что наблюдаемые импульсы были вызваны нейтронами, образовавшимися в лазерной плазме.

Нейтронный выход от 100 до 500 нейтронов на лазерный импульс был получен при действпп излучения лазера на неодимовом стекле с интенсивностью около 1013 Вт/см2 па мишень из твердого дейтерия [132] 2). Лазер излучал энергию порядка 40 Дж в импуль­ се с передним фронтом около 3 нс. Времяпролетпые измерения показали, что энергия нейтронов равна 2,45 МэВ.

Суммируя результаты экспериментов, описанных в этом раз­ деле, мы видим, что использованные экспериментальные методы и полученные результаты аналогичны методам и результатам других исследований лазерной плазмы. Описанные работы были так или плаче связаны с термоядерными исследованиями; однако подобные результаты, за исключением образования нейтронов, получались и на мишенях нз других материалов. В описанных выше работах была получена высокотемпературная плазма. В одном из опытов плазма имела тепловую энергию около 200 эВ [123]; в экспериментах [99] с ппкосекундиым лазерным импульсом была получена плазма с электронной температурой 50 кэВ.

Для получения термоядерной лазерной плазмы, представляю­ щей практический интерес, необходимо еще решить целый ряд

плазме можно передать большое количество энергии, прежде чем она успеет расшириться. Необходимо дальнейшее увеличение пиковых мощностей лазерного излучения, чтобы создать полезное устройство для инжекции плазмы в термоядерный реактор 1).

и. Другие экспериментальные исследования

Большинство исследований по лазерной плазме было выполнено с помощью мощных рубиновых лазеров или лазеров на неодимовом стекле с модулированной добротностью. Проводи­ лись также исследования плазмы, получаемой с помощью лазеров других типов. В работе [133] микроволновыми методами изучалась плазма, выбрасываемая из мишени под действием миллисекундного лазерного импульса. Результаты показывают, что сравнительно долгоживущее и плотное плазменное облако можно получить, используя миллисекундный импульс излучения рубинового лазера с энергией 10 Дж, сфокусированного линзой с фокусным рас­ стоянием 15 см на металлическую мишень.

Для получения горячей плазмы на твердых мишенях использо­ валось также излучение С02-лазера с модулированной доброт­ ностью [134]. Импульсы излучения мощностью 0,35 МВт и дли­ тельностью 400 нс фокусировались в пятно диаметром 100 мкм. При действии на стеклянные мишени наблюдались линии одно-, двух- и трехкратно ионизованных атомов кремния. Металлические мишени, как выяснилось, имеют слишком высокую отражатель­ ную способность и не дают хороших результатов. Однако, как только возникнет плазма, поглощение света в ней, связанное с обратным тормозным эффектом, должно стать очень большим, поскольку коэффициент поглощения пропорционален кубу длины

которых в процессе расширения поддерживалось бы необходимое значение коэффициента поглощения.

Чтобы лазерная энергия проникала в плазму, оптическая частота должна быть больше плазменной частоты vp, которая дается соотношением [135]

Для длины волны излучения рубинового лазера критическая плотность электронов равна 2,4-1021 см-3. При больших плотно­ стях электронов плазма отражает излучение и свет не будет в нее проникать. При быстром расширении выброшенного материала его плотность быстро падает ниже критической.

Время равнораспределения поглощенной энергии между электронами и ионами мало. Приближенно оно выражается соот­ ношением х)

у

где In Л — функция, которая в широкой области изменения пара­ метров плазмы имеет порядок 10, А — атомный вес ионов. В боль­ шинстве случаев время Ч мало. Например, для водородной плазмы с плотностью 1018 см-3 при температуре 10 000 К имеем

Ч» 2,5 • 10~11 с.

Впредставляющих интерес условиях время Ч будет меньше длительности импульса излучения лазера с модулированной добротностью. Это означает, что в течение импульса электроны могут эффективно передавать поглощенную энергию ионам и мы

можем ввести упрощающее предположение, что электронная и ионная температуры одинаковы. В случае импульсов пикосекундиой длительности это условие может быть нарушено и про­ цесс передачи энергии от электронов ионам нельзя считать мгно­ венным 2).

Радиационные потери энергии плазмы в основном обусловлены тормозным излучением. Мощность излучения равна [135]

небречь по сравнению с получаемой мощностью. В качестве при­ мера рассмотрим водородную плазму с плотностью ионов 1010 см~3 и температурой около 105 К. Приведенные выше эксперименталь­ ные результаты показывают, что эти величины типичны для лазер­ ной плазмы. Начальный объем, занимаемый плазмой, можно принять равным 10 -5 саг3 (при поперечном сечении 1 0 _3 см2 и тол­ щине 0,01 см). Тогда полная излучаемая мощность оказывается порядка 50 Вт, что много меньше подводимой мощности. Плазма излучает как черное тело только на тех частотах, для которых длина поглощения меньше размеров области, занятой плазмой. При температурах ниже 10GК потерями на излучение черного тела, вероятно, можно пренебречь. Из изложенного ясно, что во многих реальных случаях потери иа излучение малы. При некоторых условиях, в частности при наличии в плазме высокопонпзованиых компонент, потери могут быть значительными.

Плазма может обладать высокой теплопроводностью. Для полностью ионизованной плазмы, состоящей пз покоящихся попов и невзаимодействующих электронов, коэффициент теплопровод­ ности К имеет вид [135]

В случае водородной плазмы с плотностью порядка 1019 см-3 и температурой примерно 100 эВ тепло распространяется на рас­ стояние нескольких миллиметров в течение 1 нс. Таким образом, при разумных условиях распределение температуры в плазме, нагретой лазером, может быть достаточно равномерным.

При расширении плазмы, согласно соотношению (4.30), коэф­ фициент поглощения уменьшается и вещество быстро становится прозрачным. Это обстоятельство накладывает ограничение на ре­ ально достижимую температуру. Чем больше интенсивность пада­ ющего лазерного излучения, тем больше скорость начального расширения и тем короче время разогрева. Как мы увидим в дальнейшем, 'максимальная температура, которая достигается в

плазмы с начальным радиусом 0,015 см при плотности поглощен­ ного потока излучения 1010Вт оценка [120] дает эффективное время нагревания до наступления прозрачности плазмы порядка 0,9 нс,

что значительно короче длительностей импульсов обычных лазеров

смодулированной добротностью.

Водном из расчетов [120] для определения температуры и раз­ мера плазмы в зависимости от времени работа, совершаемая давле­ нием, полагалась равной приращению кинетической энергии радиального расширения. Из закона сохранения энергии в пред-

Ф и г, 4.34.

Облако плазмы с начальным радиусом 0,015 см содержит 2 ,2 -1010 ионов. Стрелкой указан момент, когда плазма становится прозрачной.

положении, что плазма имеет сферическую форму с радиусом г, было получено уравнение

где W — скорость поступления лазерной энергии, Р — давление, a N e и N t — полное число электронов и ионов соответствеиио. Для W —const и drldt = 0 при £ = 0 были получены следующие выражения:

шений зависимости температуры и радиуса плазмы от времени показаны на фиг. 4.34. В качестве начального условия было при­

вится прозрачной п нагрев в основном прекращается приблизи­ тельно через 0,5 ис.

Вычисления, основанные на этой модели, показали, что излу­ чение лазера с мощностью порядка 10 ГВт могло бы испарить малую частицу и образовать плазму с температурой порядка

100 эВ.

Проведенный в этом разделе обзор физических явлений соот­ ветствует современному пониманию механизмов поглощения лазер­ ной энергии в испаренном веществе, приводящих к эксперименталь­ но наблюдаемым высоким температурам. Мы перейдем теперь к интерпретации других аспектов взаимодействия лазерного излучения с поверхностью и к построению единой картины экспе­ риментально наблюдаемых явлений.

б. Температура плазмы, образующейся при действии лазерного излучения на твердые мишени

Во многих экспериментах получены оценки температу­ ры плазмы, образующейся при действии лазерного излучения на поглощающие твердые мишени. Сами измерения уже были описаны, однако обсуждения измеренных значений температур пока не проводилось. В этом разделе мы соберем вместе резуль­ таты различных измерений и представим вытекающие из них оценки температур.

Данные, использованные в вычислениях, приведены в табл. 4.2. Многие из этих результатов были получены из спектроскопи­ ческих исследований; однако в таблице представлены и другие методы. При ее составлении результаты оригинальных работ были предварительно обработаны. Например, в некоторых слу­ чаях была взята наилучшая оценка температуры. В ряде работ не приведены значения температуры в явном виде, однако анализ результатов позволяет ее оценить. Некоторые данные таблицы получены именно таким способом, например в тех случаях, когда

вработе приводилось распределение ионов по скоростям.

Втаблице приведены ссылки на оригинальные работы, указа­ ны некоторые параметры используемого лазера, интенсивность лазерного излучения на мишени, измеренная величина темпера­ туры плазмы и метод ее определения. Предполагалось, что время выравнивания температур электронов и ионов мало, как было отмечено выше, и поэтому электронная и, ионная температуры примерно равны. В дальнейшем мы вернемся к этому вопросу.