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

1) П ри веден а в ы чпслсиная интенсивность.

и начинает расширяться, тепловая энергия переходит в энергию направленного разлета. Регистрация времени прихода переднего фронта плазмы в некоторую точку, находящуюся на определенном расстоянии от мишени, позволяет определить скорости частиц, которые соответствуют большим значениям энергии ионов. Позже мы проведем анализ формы импульсов, получаемых от коллекто­ ров частиц, и покажем ее связь с температурой плазмы.

в. Разделение электронов и ионов

В некоторых экспериментальных работах обнаружено, что средняя кинетическая энергия ионов в лазерной плазме воз­ растает с увеличением заряда [98, 143]. Эти наблюдения привели к построению модели для объяснения больших энергий ионов [106]. В этой модели предполагается, что электроны, которые легче ионов и имеют большие скорости, уходят из плазмы, образуя вокруг нее отрицательно заряженную оболочку. Электростатическое взаимодействие между отрицательной оболочкой и положительной плазмой приводит к ускорению ионов, причем в среднем они приобретают энергию Е, определяемую соотношением

Efa(Z-1-1) кТ.

Здесь Z — заряд, Т — начальная температура плазмы и А: — постоянная Больцмана.

Однако экспериментальные данные показывают, что вне зави­ симости от заряда максимальные энергии всех ионов одинаковы [98]. В случае, если большие скорости направленного движения ионов вызваны ускоряющими полями, следовало бы ожидать, что ионы с большим зарядом будут иметь и большую максималь­ ную энергию, чем ионы с меньшим зарядом. Более того, этому механизму противоречит опытный факт, состоящий в том, что нейтральные молекулы имеют ту же величину кинетической энер­ гии, что и ноны. Б ольш инство экспериментальных данных пока­ зывает, что очень плотная плазма, возникающая в результате взаимодействия лазерного излучения с поверхностью мишени, расширяется, но существу, как нейтральная плазма, т. е. поны и электроны движутся вместе [57]. Эксперимент по облучению фольг из гидрида лития разной толщины [107] показывает, что время испускания ионов намного больше, чем длительность лазерного импульса. Если это так, следует ожидать, что менее ионизованные компоненты будут испускаться в течение более длительного времени, причем в более позднне моменты времени они будут иметь меньшие энергии. По-видимомзг, этим можно ■объяснить тот факт, что средняя энергия ионов возрастает при увеличении кратности заряда, в то время как его максимальная энергия остается постоянной.

15-023

Большинство экспериментальных результатов, по-видимому, не согласуется с предположением о том, что электроны удаляются на заметное расстояние от ионов и ускоряют их вследствие электро­ статического взаимодействия х).

г. Расширение выброшенного вещества

Экспериментальные данные [72], свидетельствующие- о наличии ускорения выброшенного вещества во время действия лазерпого импульса, приводят к модели, в которой существенную роль играет поглощение лазерного света и нагревание разлетаю­ щегося вещества. Предполагаемым механизмом поглощения является обратное тормозное излучение (поглощение в результате свободно-свободных переходов электронов) в выброшенном веще­ стве. В характерных условиях возможен нагрев до температур порядка десятков или сотен электронвольт. Экспериментальные результаты, представленные на фиг. 4.35, показывают, что высо­ кие температуры действительно достижимы. Однако тепловая энергия вещества может быть на порядок меньше, чем энергия, соответствующая максимальной скорости фронта расширяющегося вещества. Для анализа процесса разлета нагретого материала было предложено много гидродинамических моделей [57, 70, 85, 105, 109, 119, 120, 127, 144—146]. Мы приведем подробный анализ одномерного расширения плазмы от поверхности твердого тела. Ситуация, близкая к этой, возникает, когда лазерный луч падает на поверхность металла и фокальный диаметр луча больше, чем толщина слоя плазмы иа начальной стадии разлета. Подобный случай часто реализуется на практике.

В некоторых исследованиях расширения плазмы плотность предполагалась постоянной по всему объему [см. уравнение (4.36)1. Физически ясно, что причиной расширения плазмы является гра­ диент давления. Поэтому мы будем рассматривать модель, в кото­ рой имеется градиент плотности [57]. Примем, что зависимость изменения давления от координат имеет вид

где Р — давление, P s — давление иа поверхности, X — расстоя-

*) В связи с обсуждаемым механизмом ускорения ионов в работе [184] в гидродинамическом приближении был проведеи численный расчет рас­ ширения трехкомпонентной плазмы (электроны и два сорта ионов) с уче­ том разделения заряда. Было показано, что вследствие трения между ион­ ными компонентами ионы с разными зарядами ускоряются до одной и той же энергии. В то же время в экспериментальной работе [185] подтверждено, что средняя энергия ионов с большой точностью пропорциональна заряду. Исчерпывающего объяснения этой зависимости пока не найдено.—

Прим. ред.

иие от границы плазмы до поверхности. Несомненно, что линейный закон изменения давления не точен и такой выбор до некоторой степени произволен. Но оказывается, что независимо от конкрет­ ного вида используемого выражения для градиента плотности результаты различных моделей одинаковы.

Если предположить, что потери на излучение пренебрежимо малы, то можно утверждать, что скорость W ввода энергии в плаз­ му равна скорости, с которой плазма совершает работу при рас­ ширении, плюс скорость, с которой возрастает ее тепловая энергия. Для одномерной плазмы (сечение которой равно А), расширяю­ щейся от поверхности £ = 0, это дает1)

где lij и пе — плотности ионов и электронов, F — интенсивность лазерного излучения, Kv — коэффициент поглощения [задавае­ мый соотношением (4.30)], а к — постоянная Больцмана. Из урав­ нения состояния плазмы

на поверхности. Если предположить, что расширение происходит по такому закону (форма профиля плотности не изменяется во вре­

1)Излагаемый далее простой расчет во всех деталях повторяет расчеты, проведенные в работах [57, 119, 120] п многих последующих. В указанных работах, однако, речь шла о нагревании и разлете плазмы от малой части­ цы, в то время как здесь рассматривается расширение плазмы от поверх­ ности твердого тела. К сожалению, именно вследствие этого отличия изла­ гаемый ниже расчет оказывается не вполне корректным, поскольку он ие учитывает изменения полного числа электронов и ионов вследствие испарения вещества с поверхности.

Вряде работ дан более обстоятельный анализ нагревания и расширения плазмы у поверхности твердого тела. Анализ, пригодный при не слишком высоких плотностях плазмы (плазменная частота везде в объеме меньше частоты света) и ограниченных интенсивностях (поглощение по классиче­

скому тормозному механизму), приведен в работах [186, 187]. Численные расчеты для тормозного поглощения выполнены в работах [188—190]; аномальное поглощение учитывалось в работе [179]. Для лазерных импуль­ сов частной формы удается в ряде случаев построить автомодельные реше­ ния, см., например, [191—193].— Прим. ред.

15*