Главная > Введение в физику лазеров
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

30. Создание плазмы и нейтронов сфокусированными пучками мощных лазеров

В гл. 28 мы рассмотрели пробой газов под действием сфокусированного лазерного пучка. В небольшой области фокуса можно получить плазму с концентрацией электронов порядка Рассмотрим теперь процесс образования плазмы на твердотельной мишени. В принципе возможны два варианта мишеней для бомбардировки мощными лазерными импульсами. Первый вариант — плоская или вогнутая мишень, второй — мишень в виде маленького шарика, удерживаемого в области фокуса лазерного пучка или вбрасываемого в эту область. В обоих случаях мишень помещается в высоковакуумную камеру. Основные проблемы, связанные с созданием высокотемпературной (порядка нескольких миллионов кельвинов) плазмы, таковы:

1) в области фокуса пучка должно находиться как можно больше атомов, иначе говоря, число атомов в единице объема должно быть велико;

2) отношение энергии, поглощенной мишенью, к падающей энергии должно быть возможно больше, особенно в процессе интенсивного разогрева образовавшейся плазмы;

3) для достижения высокой плотности энергии необходимо затормозить расширение плазмы, например с помощью сильного магнитного поля.

Ниже будут рассмотрены основные эксперименты, в которых получали горячую плазму путем бомбардировки твердых мишеней лазерными импульсами с плотностью мощности от до Максимальная напряженность электрического поля световой волны достигает В/см, что соответствует электрическому полю, в котором находится электрон на первой орбите в атоме водорода ( В/см). Когда электронная температура плазмы достигает примерно давление в ней возрастает до атм, а плотность энергии — до .

§ 1. ОБЗОР ВАЖНЕЙШИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СОЗДАНИЮ ПЛАЗМЫ НА ТВЕРДОЙ МИШЕНИ

Вопрос создания плазмы в лазерном пучке, сфокусированном на твердую мишень, был предметом многочисленных исследований, начиная с 1963 г. (рис. 30.1). Важнейшие результаты этих

исследований изложены в обширных обзорах, например Мейеранда [1] и Малсера и др. [2]. Особое место занимают работы группы Басова ([3-7] и др.).

Создание плазмы с температурой порядка нескольких миллионов кельвинов требует световых потоков с плотностью мощности Реальный прогресс в этой области стал возможен лишь после создания сверхмощных лазеров, дающих энергию в несколько сотен джоулей в световом импульсе наносекундной длительности. В первых установках использовали лазер-генератор и несколько усилительных каскадов. Последние отличаются от генератора лишь тем, что не имеют обратной связи в виде зеркал. На рис. 30.2 представлена схема довольно типичной лазерной установки для генерации мощных наносекундных световых импульсов. Диаметр светового пучка (а также усилительных элементов) увеличивается от каскада к каскаду, чтобы плотность лучистой энергии оставалась несколько ниже порога повреждения рубина или неодимового стекла.

В настоящее время применяют более сложные лазерные системы. Световой пучок от генератора усиливается до уровня мощности, который несколько ниже порога повреждения активного элемента, а затем разделяется, например, на три пучка, направляемых в следующие усилительные каскады. Каждый из этих пучков может быть в свою очередь разделен на три пучка, которые вновь усиливаются. Такая лазерная система содержит несколько десятков

Рис. 30.1. Фотография пробоя в воздухе вблизи твердой мишени. Импульс рубинового лазера с энергией около 1 Дж и длительностью 50 нс фокусировался линзой на поверхность фотобумаги (отдел квантовой электроники Института физики Университета им. Адама Мицкевича).

(кликните для просмотра скана)

(кликните для просмотра скана)

активных элементов, например из неодимового стекла. Все световые потоки затем направляются на маленький шарик или плоскую мишень. На рис. 30.3 показана типичная схема лазерной установки для генерации нейтронов [6]. В одном из первых экспериментов группы Басова в 1968 г. [7] для нагревания плазмы, образующейся на твердой мишени из дейтерида лития, были применены очень мощные пикосекундные световые импульсы. При этом впервые зарегистрированы нейтроны, возникающие при реакции Обнаружено, однако, что довольно значительная часть энергии отражается как от мишени, так и от возникающей плазмы. Вскоре результаты группы Басова были подтверждены другими авторами [8, 9]. На рис. 30.4 приведена схема вакуумной камеры с мишенью из дейтерида лития. Рядом расположен детектор нейтронов. На рис. 30.4, а показана камера, в которой можно было ускорять ионы дейтерия, выбитые из мишени импульсом рубинового лазера мощностью 100 МВт. Ускоренные ионы дейтерия в свою очередь бомбардировали вторую мишень, также содержащую значительное количество дейтерия. В этом эксперименте исследовали состав плазмы, поскольку соединение очень активно и ионы дейтерия в нем легко замещаются ионами водорода. На рис. 30.4, б проиллюстрирован метод регистрации нейтронов, возникающих в мишени Лазерный пучок фокусировался линзой на мишень, находящуюся в камере при давлении около мм рт. ст. Нейтроны регистрировались большим сцинтилляционным счетчиком, расположенным на расстоянии 10 см от мишени.

Рис. 30.4. Схема камер для получения нейтронов на мишени из дейтерида лития в фокусе мощного лазерного импульса 14].

Рис. 30.5. Угловое распределение числа ионов и их кинетической энергии. Мишень из твердого дейтерия. Параметры лазерного импульса:

КПД детектора составлял 10%. Детектор был соединен с фотоумножителем и осциллографом.

В процессе расширения плазмы ее температура резко понижается; внутренняя энергия почти целиком переходит в кинетическую энергию компонентов плазмы. Благодаря наличию электростатических сил, электроны и ионы удаляются от мишени с одинаковыми скоростями [2]. Поскольку масса электронов мала, их кинетической энергией можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией ионов. Количество ионов и их скорости измеряют с помощью зонда. Большая часть ионов удаляется в направлении, перпендикулярном поверхности мишени, что проиллюстрировано на рис. 30.5. На рисунке представлены результаты эксперимента, в котором пучок неодимового лазера фокусировался на поверхность твердой дейтериевой мишени. Твердый дейтерий находился в не-

Рис. 30.6. Схема оправы для мишени из твердого дейтерия [2].

Рис. 30.7. Схема установки для исследования развития плазмы методом теневой фотографии.

Импульс, «просвечивающим» плазму, имеет регулируемое затаздывание по отношению к началу процесса. В эксперименте Басова и др. [5] для анализа плазмы была применена вторая гармоника основного лучка, служившего для создания плазшы.

Рис. 30.8. Схема установки для определения электронной температуры плазмы методом анализа мягкого рентгеновского излучения [5]. Ф — бериллиевый фильтр, С — сцинтилляционный счетчик, ФЭУ — фотоэлектронный умножитель.

большом круглом отверстии охлаждающей системы (рис. 30.6). Развитие плазмы во времени исследовали с помощью известного метода теневой фотографии, а мягкое рентгеновское излучение плазмы — с помощью системы двух детекторов-зондов. Схемы этих устройств показаны на рис. 30,7 и 30.8. В настоящее время развитие плазмы во времени чаще всего наблюдают с помощью электронно-оптического преобразователя с линейной разверткой (который описан в гл. 27). Электронная температура плазмы определяется по поглощению ее излучения. Горячая плазма является источником рентгеновского излучения. Не углубляясь в теорию плазмы, приведем здесь формулу, связывающую спектральную плотность энергии рентгеновского излучения с электронной температурой плазмы:

индекс обозначает тормозное излучение при свободно-свободных столкновениях, — число электронов и ионов в При спектральное распределение излучения сильно зависит от температуры. Поскольку в лазерной плазме может достигать сотен электронвольт, излучение плазмы относится к рентгеновскому

диапазону. На практике электронную температуру определяют с помощью измерений относительного поглощения рентгеновского излучения в тонкой фольге.

Интересно, что при увеличении электронной температуры плазмы до нескольких килоэлектронвольт теория тормозного излучения не дает точного описания наблюдаемого рентгеновского излучения. Флаукс и др. [10] исследовали мягкую и жесткую составляющие рентгеновского излучения плазмы, в которой происходили реакции ядерного синтеза типа Кинетическая энергия нейтронов при этом равна 2,45 МэВ. Согласно [10], благодаря нелинейным процессам в плазме увеличивается доля электронов высоких энергий в хвосте максвелловского распределения. Эти электроны могут приобретать энергию порядка и являются источником жесткого рентгеновского излучения. Вопросы развития плазмы, отражения и пропускания света ею, возникновения рентгеновского излучения и нейтронов, вообще говоря, очень сложны. Читателям, желающим ближе познакомиться с этими вопросами, рекомендуем работы групп Басова [4—7], Флаукса [9—11], Бристова [12] и Кариона [13].

1
Оглавление
email@scask.ru