На правах рукописи
Журович Максим Анатольевич
ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОРОДНОСТИ АБЛЯЦИОННОГО ДАВЛЕНИЯ И
ГЕНЕРАЦИИ БЫСТРЫХ ЭЛЕКТРОНОВ В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ С
ЦЕЛЬЮ ОПТИМИЗАЦИИ СЖАТИЯ ЛАЗЕРНЫХ ТЕРМОЯДЕРНЫХ
МИШЕНЕЙ
Специальность 01.04.21. – Лазерная физика
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва – 2009
Работа выполнена на кафедре квантовой радиофизики Московского физико-технического института (государственного университета)
Научный руководитель: кандидат физ.-мат. наук, доцент Юрий Анатольевич Михайлов
Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук Игорь Корнелиевич Красюк (Институт общей физики им. А.М.
Прохорова (ИОФАН), кандидат физ.-мат. наук Константин Николаевич Кошелев спектроскопии РАН (Институт (ИСАН)
Ведущая организация: Государственный научный центр Российской федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ)
Защита состоится « 30 » октября 2009 г. в часов на заседании диссертационного совета Д.212.156.07 Московского физико-технического института (государственного университета) по адресу:
141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер.,
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского физикотехнического института (государственного университета).
Автореферат разослан « 28 » сентября 2009 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.156. кандидат физ.-мат. наук С.М. Коршунов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Инерциальный лазерный термоядерный синтез (ЛТС) является одним из перспективных экологически чистых способов получения энергии, не основанных на использовании ограниченных природных запасов того или иного вида топлива. Основной задачей в развитии инерциального ЛТС является создание таких условий сжатия термоядерных мишеней, которые позволят получить нейтронный выход, достаточный для того, чтобы процесс стал энергетически эффективным.Помимо технологической задачи создания чрезвычайно мощных многопучковых лазерных установок, в числе наиболее важных физических проблем в ЛТС на сегодняшний день можно назвать следующие:
• низкая однородность профиля абляционного давления, приводящая к развитию гидродинамических неустойчивостей, разрушающих сжатие мишени;
• предварительный прогрев ядра мишени, обусловленный переносом энергии внутрь мишени высокоэнергичными электронами.
Проблема с однородностью профиля абляционного давления связана главным образом с неравномерным распределением интенсивности лазерного излучения на поверхности мишени, в частности, из-за высокой когерентности лазерного излучения, которая приводит к образованию на облучаемой поверхности интерференционной картины в местах перекрытия сфокусированного лазерного излучения от разных каналов.
При этом из-за развития гидродинамических неустойчивостей в процессе сжатия первоначально малые возмущения плотности и давления нарастают и, в конечном итоге, приводят к нарушению симметрии ускоряемой оболочки термоядерной мишени, и резкому снижению степени сжатия.
Одним из перспективных способов симметризации процесса абляции является использование предымпульса, т.е. создание дополнительного лазерного импульса, предшествующего основному. Предымпульс используется для создания высокотемпературной плотной плазмы, в которой благодаря поперечной теплопроводности будет происходить процесс симметризации неоднородностей нагрева сферической мишени.
Следует отметить, что перспективность данного метода заключается в отсутствии каких-либо преобразований лазерного излучения, как в другие гармоники, так и в рентгеновское излучение, что является крайне важным ввиду отсутствия потерь энергии на конверсию излучения в гармоники и более высокой надёжности работы лазера.
Наряду с проблемой низкого сжатия вследствие неоднородности облучения, на этот процесс также оказывает существенное влияние предварительный прогрев глубинных слоев мишени. Этот эффект возникает по причине генерации в лазерной плазме электронов с энергией, намного превышающей тепловую энергию так называемых «высокоэнергичных электронов». Даже небольшое их количество, несущее менее 1% от поглощенной лазерной энергии, при проникновении в центральную область мишени, может катастрофически снизить её сжатие.
Следует также отметить, что помимо отрицательной роли в ЛТС генерация высокоэнергичных электронов в лазерной плазме представляет практический интерес с точки зрения создания инжекторов пучков электронов с высокой энергией.
ЦЕЛИ РАБОТЫ
Данная работа посвящена исследованию двух важнейших для ЛТС физических процессов – сглаживанию профиля абляционного давления с помощью предымпульса и исследованию механизма генерации высокоэнергичных электронов в лазерной плазме.Основными целями настоящей работы являются:
моделирование неоднородного излучения в одноканальном лазере и получение данных о структуре электромагнитного поля лазера (его напряженности и фазовой картине) вблизи фокальной плоскости.
• Проведение экспериментов, подтверждающих эффективность использования предымпульса с той же длиной волны, что и основное предымпульса: энергия предымпульса и задержка относительно основного импульса. Проведение численного моделирования процессов прогорания мишени с целью получения данных о динамике изменения плотности плазмы и однородности ее профиля при различных параметрах предымпульса моделирования процесса стохастического нагрева • Получение данных о генерации высокоэнергичных электронов в процессе стохастического ускорения: траектории частиц, изменение зависимости этих параметров от энергии лазерного излучения.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
симметризующего эффекта предымпульса, имеющего ту же длину волны, что и основное излучение.• Для различных энергий предымпульса и задержек относительно симметризации профиля абляционного давления при облучении тонких алюминиевых фольг • Экспериментально установлено наличие оптимальной конфигурации предымпульса, т.е. оптимальных доли энергии для его формирования и временного интервала относительно основного импульса численного моделирования, основанного на решении системы уравнений газовой динамики в эйлеровых цилиндрических координатах, для оптимизации абляционного сжатия мишеней в экспериментах с предымпульсом • Разработана оригинальная модель стохастического ускорения электронов в лазерной плазме с целью исследования генерации высокоэнергичных электронов в экспериментах по ЛТС
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Разработана программа, позволяющая моделировать амплитуднофазовую картину неоднородного лазерного излучения вблизи фокуса сферической линзы Проведены численные расчеты структуры электромагнитного поля с интенсивности в фокальной плоскости Nd-лазера и проведено их сопоставление с экспериментом симметризующего эффекта предымпульса, имеющего ту же длину волны, что и основное излучение. Получены данные о прогорании фольг, имитирующих оболочечные термоядерные мишени, для различных конфигураций предымпульса Выявлено существование оптимальных параметров предымпульса:энергии и задержки относительно основного импульса Показано качественное совпадение экспериментальных данных с теоретическими, что подтверждает возможность использования описанного метода двумерного численного моделирования для оптимизации абляционного сжатия мишеней Разработана модель стохастического ускорения электронов в лазерной плазме Получены расчетные данные о динамике ускорения электронов в плазме, их траекториях и функциях распределения электронов по качественное сравнение с результатами ранее проводившихся экспериментов и показана адекватность предложенной модели для объяснения экспериментальных результатов
НАУЧНАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ
Разработанная программа для ЭВМ может быть использована для расчетов структуры электромагнитного поля вблизи фокуса при различной структуре падающего лазерного излучения.установках инерциального лазерного термоядерного синтеза для симметризации абляционного давления схемы с предымпульсом, имеющим ту же длину волны, что и основной греющий импульс. На основании полученных результатов могут подбираться оптимальные параметры предымпульса (энергия, задержка относительно основного импульса) для лазерных установок на Nd-стекле.
Разработанная модель стохастического ускорения электронов в лазерной плазме позволяет рассчитывать динамику ускорения и энергетические спектры электронов для различных конфигураций облучения мишени лазером. Это дает широкие возможности для понимания и контролирования процесса генерации высокоэнергичных электронов и может быть использовано как для борьбы с предпрогревом направленностью для ускорителей.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
Основные результаты диссертационной работы были представлены на научных конференциях МФТИ (Москва, 2004, 2007, 2008 гг.), на Российском научном форуме с международным участием «Демидовские взаимодействию лазерного излучения с веществом (Мадрид, 2006), на Международной конференции передовых достижений в физике и технике Харитоновские тематические научные чтения» (Саров, 2008)ПУБЛИКАЦИИ
По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ, из них статьи в зарубежных журналах, 1 статья в российском журнале и препринта ФИАН.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, 3 глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 89 страницах, содержит 31 рисунок.Список литературы насчитывает 75 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность рассмотренной задачи, формулируются основные цели и положения работы.
Первая глава посвящена численному моделированию структуры электромагнитного поля сфокусированного лазерного излучения.
В первом параграфе рассмотрена расчетная модель на основе Сформулированная методика расчета была реализована в виде оригинальной программы для ЭВМ. Данная программа позволяет получать трехмерные матрицы с амплитудными и фазовыми характеристиками электромагнитного поля лазера вблизи фокуса сферической линзы. Эти данные впоследствии используются для моделирования различных физических процессов, происходящих в фокальной плоскости.
Во втором параграфе приведены результаты расчетов конфигурации поля при различной структуре падающего излучения и показана возможность качественного моделирования реальных экспериментальных условий.
В третьем параграфе сформулированы основные результаты данной главы.
Во второй главе предложен механизм симметризации абляционного давления в ЛТС путем введения предымпульса – импульса с меньшей энергией, предваряющего с определенной временной задержкой основной греющий импульс.
В первом параграфе на основе публикаций в литературе приведен симметризации абляционного давления снижения когерентности лазерного излучения, применение малоплотных абляторов, использование предымпульса.
Во втором параграфе сформулирована постановка задачи в данной главе.
В третьем параграфе приведено описание экспериментальной установки «ПИКО» лаборатории лазерной плазмы ФИАН, на которой были получены основные результаты.
В основе установки лежит одноканальный лазер на стекле ГЛС-1, активированном ионами Nd3+. Лазерное излучение фокусируется в мишенно-диагностической вакуумной камере, в которой располагаются образцы алюминиевой фольги, имитирующие оболочку термоядерной мишени.
Генерация лазерного излучения проводится в режиме модуляции добротности, длительность импульса на выходе генератора составляет нс, полная энергия порядка 0.1 Дж, ширина спектра излучения 30.
Усиление импульса производится несколькими каскадами усилителей с вырезанием после первого каскада с помощью затвора Поккельса. На выходе импульс имеет длительность порядка 2 нс на полувысоте и энергию в интервале 2 – 30 Дж. Полученное излучение фокусируется в мишенной камере с помощью линзы с фокусным расстоянием f = 10 см, что дает плотность потока энергии на поверхности мишени в диапазоне 1013 – 1014 Вт/см2. Энергетическая контрастность излучения составляет – 105, расходимость 2 = (5 – 8)·10-4 рад.
Формирование предымпульса осуществляется путем расщепления импульса после прохождения затвора Поккельса с помощью зеркал с различными коэффициентами пропускания. Энергия предымпульса вариьируется в диапазоне 10-3 – 10-1 от энергии основного импульса, а задержку между ними в диапазоне 0.5 – 5 нс.
параметрам излучения энергии основного и предварительного импульсов, энергии прошедшего через фольгу и рассеянного в различных калориметрического комплекса. Получение данных о пространственной структуре лазерного импульса производится с помощью камер на основе ПЗС-матрицы.
В четвертом параграфе изложены результаты нескольких серий экспериментов по облучению тонких алюминиевых фольг, проведенных на установке «ПИКО». Приведены графики, иллюстрирующие зависимость доли энергии прошедшего через фольгу лазерного излучения по отношению к энергии падающего излучения при различных энергиях импульсов и различных задержках между предымпульсом и основным греющим импульсом. Показано существования оптимальных параметров, при которых симметризация абляционного давления производится наиболее эффективно.
Рис.1 Экспериментальная зависимость Рис.2 Экспериментальная зависимость отношения энергии прошедшего через отношения энергии прошедшего через фольгу излучения (Etr) к энергии фольгу излучения (Etr) к энергии падающего на мишень излучения (Ein) от падающего на мишень излучения (Ein) падающей энергии при энергии от падающей энергии при энергии предымпульса, составляющей 10% от предымпульса, составляющей 0.5% от энергии греющего излучения, при энергии греющего излучения, при задержке 1.5 нс. Для эксперимента без задержке нс. Значительное предымпульса (точки круглой формы) и снижение эффекта симметризации.
формы).
В пятом параграфе представлены данные двумерного численного моделирования процесса абляции, проведенного с помощью программы «NUTCY», созданной в Институте математического моделирования РАН совместно с теоретическим отделом ОКРФ ФИАН. С помощью разностных методов решалась система уравнений газовой динамики для распространения лазерного излучения в двумерной геометрии. Показано качественное совпадение результатов моделирования предложенного метода симметризации с экспериментом.
Рис.3 Поле плотностей плазмы в окрестности неиспаренной части мишени на моменты времени 1.5 нс (момент максимальной интенсивности излучения) и нс (конец лазерного импульса) в отсутствии предымпульса (а). Поле плотностей плазмы в случае, когда до прихода «спекла» с максимальной интенсивностью I = 8.48·1014 Вт/см2 мишень облучалась предымпульсом с максимальной интенсивностью I1 = 2.358·1013 Вт/см2. t, временная задержка между основным импульсом и предымпульсом, составляла 1 нс (б). Белым треугольником обозначено изначальное положение поверхности мишени, где поглощается лазерное излучение.
В шестом параграфе изложены основные выводы относительно проведенных экспериментов и сравнений с расчетными данными.
высокоэнергичных электронов в лазерной плазме. Предложена оригинальная модель стохастического ускорения в электромагнитном поле со случайными скачками фазы.
В первом параграфе представлен обзор современных публикаций, посвященных механизмам генерации «быстрых» электронов в плазме.
математического моделирования процессов ускорения электронов. В модели решаются релятивистские уравнения движения заряженной частицы в электромагнитном поле, моделирующем распространение лазерного излучения в короне лазерной плазмы.
Временная форма лазерного импульса приближенно описана огибающей:
Многокомпонентный спектр лазерного импульса аппроксимирован функцией:
где j – номер компоненты, а NL – количество компонент. Излучение Nd-лазера обычно состоит из 12-ти компонент, однако мы ограничились рассмотрением только 4-х компонент с целью упрощения и ускорения представлен выражением:
где 0 – частота в максимуме спектральной линии, n – число периодов в импульсе длительностью, n – выраженный в количестве компонентами, j – случайная фаза.
сформированном таким образом, как описано выше, рассматриваются релятивистские уравнения движения «положительного» электрона во внешнем поле:
где неизвестными являются пространственные координаты и вектор импульса частицы. Для упрощения численного интегрирования введена следующая замена переменных:
Тогда уравнения движения можно записать в следующем виде:
Время t и координаты x, y, z выражены в см, энергия T и компоненты импульса px, py, pz – в единицах энергии покоя электрона mc2. Уравнения движения частицы решались с помощью метода Рунге-Кутта четвертого анализировалось движение от 1000 до 2000 свободных электронов.
Длительность лазерного импульса составляла 3.5 пс, что соответствует аппроксимирована параболической функцией (t) с коэффициентом контрастности, сильно отличающимся от гауссовой функции. Набор электроном энергии происходил только в плоскости X-Y, несмотря на трёхмерную траекторию его движения. Рассматривалось однородное нейтральное облако не взаимодействующих друг с другом электронов в электромагнитном поле, модулированном в пространстве и времени.
Рассматриваемые электроны начинали свое движение из ограниченной области пространства, в которой были расположены случайным образом.
Начальное распределение импульсов частиц соответствовало температуре ~ 0.5 кэВ, что отражает типичное состояние короны лазерной плазмы вблизи критической области при указанных выше уровнях интенсивности излучения. Расчеты проводились с пространственным разрешением в точек на длину волны, а временное разрешение было подобрано так, чтобы исключить влияние возмущений, связанных с численным счетом.
В данной модели рассмотрено появление высокоэнергичных электронов, которые создают пространственный заряд в плазме после вылета из нее. Общее число таких электронов можно определяется из потенциального заряда плазменного облака, благодаря его конечному размеру, и средней энергии вылетающих электронов. Другими словами, в данной работе произведен расчет функции распределения энергии электронов и плотности тока, который дает возможность оценить порядок макроскопического электрического поля (плазменный потенциал).
Построены расчетные траектории движения частиц в различные моменты времени относительно начала лазерного импульса, иллюстрирующие стохастический характер движения в начальный момент времени и формирование направленного движения в конце импульса.
Приведены графики зависимости формы функции распределения энергии электронов и зависимость средней энергии от интенсивности в фокусе.
Рис. 4 Функции распределения, нормированные на максимальную вероятность для различных интенсивностей поля. Цифры около кривых обозначают напряжённость поля в 106 ед. СГСЭ/см экспериментальных и расчетных данных. Полученные результаты численного моделирования энергетического спектра электронов позволяют сделать вывод о качественном соответствии с полученными ранее экспериментальными результатами.
В четвертом параграфе сформулированы основные результаты, полученные при моделировании процессов стохастического ускорения электронов в лазерной плазме. Определена зависимость средней энергии стохастических электронов от плотности потока Ekin q(0,450,9) в диапазоне потоков q = 61013 1017 Вт/см2 соответственно.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
Разработана оригинальная программа, позволяющая производить численное моделирование структуры электромагнитного поля лазерного излучения, фокусируемого сферической линзой;Проведена серия экспериментов по облучению тонких алюминиевых фольг, имитирующих оболочку термоядерной мишени, парами лазерных импульсов с различной энергией и временной задержкой эффективности использования схемы ЛТС с предымпульсом на той же длине волны, что и основной греющий импульс, для симметризации абляционного давления;
параметров предымпульса – энергии и задержки относительно основного импульса, – при которых симметризация происходит наиболее эффективно;
Показано качественное совпадение экспериментальных данных с теоретическими, что подтверждает возможность использования описанного метода двумерного численного моделирования для оптимизации абляционного сжатия мишеней Разработана модель стохастического ускорения электронов в лазерной плазме и создана 2D программа для его численного моделирования Получены расчетные данные о динамике ускорения электронов в плазме, их траекториях и функциях распределения электронов по зависимость средней энергии высокоэнергичных электронов от плотности потока греющего излучения Основные результаты диссертации опубликованы в работах:
«Исследование предимпульса на неоднородность нагрева тонких фольг», Препринт ФИАН, Москва Ю.А.Михайлов, М.А.Гречко, О.А.Житкова, М.А.Журович и др.
«Влияние предимпульса на сглаживание абляционного давления при лазерном нагреве тонких фольг», Препринт ФИАН, Москва 3. Yu. A. Mikhailov, M. A. Grechko, O. A. Zhitkova, M. A. Zhurovich, A. V.
«