ABLATION OF METALS BY ULTRASHORT LASER PULSES: THEORETICAL MODELLING AND COMPUTER SIMULATIONS

Yu.V.Afanasiev1, N.N.Demchenko1, V.A.Isakov1, B.N.Chichkov1,2

1P.N.Lebedev Physical Institute, Moscow, Russia
2Laser Zentrum Hannover e.V., Hannover, Germany

    Laser ablation of metals by femto- and picosecond pulses is analytically and numerically studied within the framework of the plasma model for the ablated material. Ablation is initiated by high-power thermal and hydrodynamic waves which propagate into the irradiated material. Analitical expressions for the thermal ablation and for the ablation by the shock wave are obtained. Numerical simulations with the computer code RAPID are in a good agreement with analitical results.


ИССЛЕДОВАНИЕ НЕУСТОЙЧИВОСТИ РИХТМАЙЕРА-МЕШКОВА В СЛОИСТОЙ СИСТЕМЕ

А.Н. Алешин, Е.В. Лазарева, С.В. Сергеев, С.Г. Зайцев

Энергетический институт им. Г.М.Кржижановского, 117927 Россия, Москва, Ленинский пр. 19.
Тел. (095)955-3107, Факс. (095)954-4250, E-mail sgz@mazilin.msk.ru

Ключевые слова: неустойчивость Рихтмайера-Мешкова, слой, подавление, ударная волна

    Исследование эволюции неустойчивости Рихтмайера-Мешкова в слоистых системах выполнено для случая перехода ударной волны из легкого газа А в тяжелый газ С через слой газа промежуточной плотности В. Камерa низкого давления ударной трубы была разделена на три части двумя тонкими пленками, моделирующими исходные поверхности контакта между газами А/В (К0АВ) и В/С (К0ВС). К0АВ и К0ВС всегда имели двухмерную синусоидальную (2D) форму с длиной волны l =36 мм и амплитудой а0=10мм, под которой понимался полный размах синусоиды. Толщина D исходного слоя была 20, 37 и 56 мм. Процесс эволюции областей перемешивания КАВ и КВС визуализировался в сечениях 3.5< Х< 113.5 мм или 220< Х< 330 мм от места крепления пленки, отделяющей газ В от газа С. В исходном состоянии давление всех газов равно 0.5 атм. Определялось наибольшее расстояние L(Х) (вдоль оси канала) между УчистымиФ ударно сжатыми потоками газов А и С для различных значений толщины слоя газа В. Число Маха падающей ударной волны, движущейся по He М0=2.6± 0.2. В результате исследований был экспериментально обнаружен эффект подавления неустойчивости в слоистой системе для комбинации газов: А ѕ He, В ѕ Ar, С ѕ Xe [1]. Как продолжение работы поставлена серия экспериментов по изучению влияния параметров промежуточного слоя на ширину зоны перемешивания. Исследования выполнены для случаев, когда в качестве газа В использовались Ne, Ar или Kr. Величина L(X) сопоставлялась с ранее полученными экспериментальными данными по глубине внедрения L2D ударно сжатого газа He в Xe при переходе ударной волны через 2D область контакта с l =36 мм и а0=10 мм в отсутствие промежуточного слоя [1,2].

    Как видно из рис. 1, при одинаковой толщине слоя промежуточного газа D =37 мм (~ l ) для пройденного пути X=8l наименьшую ширину зона перемешивания имеет если He и Xe разделены слоем Ne. В этом случае числа Атвуда для обеих границ He/Ne и Ne/Xe оказываются наиболее близкими: 0.667 и 0.735 соответственно. Величина L здесь не превысила 0.4 от величины L в отсутствие слоя.

    На рис. 2 представлены значения L/L2D для серии экспериментов, в которой варьировалась толщина промежуточного слоя Ne. Замеры L осуществлялись в сечении X=8l . Если D > 1.5l , неустойчивости на КАВ и КВС развиваются на начальном этапе независимо. При уменьшении толщины слоя до D ~ (0.5ё 1)l наблюдается резкое замедление скорости роста зоны перемешивания, обусловленное сильным сжатием слоя, вызванным прохождением по нему искаженных преломленной и отраженной ударных волн, а также реверберацией волн сжатия и разрежения между областями перемешивания КАВ и КВС. Минимум ширины зоны перемешивания наблюдается, как и в случае Ar, при толщине слоя D ~ l .
 
Рис.1.Зависимость ширины зоны перемешивания от промежуточного газа (D =37 мм, X=300 мм) Рис.2.Зависимость ширины зоны перемешивания от толщины слоя Ne ( X=300 мм)

    Литература

  1. А.Н.Алешин, Е.В.Лазарева, С.В.Сергеев, С.Г.Зайцев. К вопросу о подавлении неустойчивости Рихтмайера-Мешкова.// Доклады Академии Наук. т. 363, №2, 1998.
  2. Aleshin AN, Zaytsev SG, Lazareva EV (1995) Refraction of a Shock Wave Through a Sinusoidal Discontinuous Interface Separating Gases of Different Densities. Proceedings Of The 19th International Simposium On Shock Waves, 1995, 255-260.

 
 


INVESTIGATION OF RICHTMYER-MESHKOV INSTABILITY IN LAYERED SYSTEM

A.N.Aleshin, E.V.Lazareva, S.V.Sergeev, S.G.Zaytsev

Krzhizhanovsky Power Engineering Institute, Leninsky pr. 19, Moscow, 117927, Russia
Tel. (095)955-3107, Fax. (095)954-4250, E-mail sgz@mazilin.msk.ru

Key words: Richtmyer-Meshkov instability, layer, suppression, shock wave
 

    A series of shock-tube experiments to study the Richtmyer-Meshkov instability for the case of a layered system has been carried out. A thin gas layer of intermediate density r B (gas B) was disposed between two gases, one of which had a low density rA (gas A) and the other one had a high density rC(gas C). A shock tube driven was divided into three parts by two thin membranes modeling initial interfaces on A/B ( K0AB) and B/C ( K0BC) boundaries. The initial thickness D of gas B layer was one of the following values: 20, 37, or 56 mm. The initial interfaces on A/B and B/C boundaries (K0AB and K0BC) used in all the experiments were two-dimensional perturbations of sinusoidal shape (2D) with wavelength l =36 mm and amplitude measured from peak to peak of sinusoid a0=10 mm. The visualization field was located from 3.5 to 113.5 mm, or from 220 to 330 mm downstream from the second membrane fastening plane (on B/C boundary). The initial pressures of working gases in all the volumes of the driven were 0.5 atm. A maximum distance L(X) (along the driven axis) separating shock-compressed flows of pure gases A and C was determined at different thicknesses of gas B layer. The Mach number M0 of the incident shock was 2.6± 0.2. The phenomenon of the instability suppression in layered medum for the following gas system: A ѕ He, B ѕ Ar, C ѕ Xe was experimentally found in the previous study [1]. In the present study the influence of the parameters of the intermediate layer on the mixing region thickness was under investigation. As an intermediate gas B we used Ne, Ar, and Kr. L(X) was compared with previously obtained results on the penetration depth L2D of shock-compressed He into Xe for a shock passage through 2D interface with wavelength l =36 mm and amplitude a0=10 mm without an intermediate layer [1, 2].
 
Fig.1. The mixing region thickness L(X) vs type of the intermediate gas at layer thickness 37 mm (X=300 mm) Fig.2. The mixing region thickness L(X) vs Ne layer thickness (X=300 mm). 

    Fig.1 presents the mixing region thickness L(X) for different intermediate gases at layer thickness 37 mm (~l ). As seen, minimum thickness of the mixing zone is observed for Ne intermediate layer at D~ l . Here Atwood numbers on He/Ne and Ne/Xe boundaries are 0.667 and 0.735, respectively. At X=8l nearly 2.5-fold reduction of the mixing region thickness is observed as compared to that for a shock passage from He directly into Xe.

    Fig. 2 presents values L/L2D at different thicknesses of  Ne layer. It was observed that instabilities on KAB and KBC evolved independently on the initial stage if D> 1.5l , but even in this case the mixing region thickness is less than a sum of 2D mixing region thickness and thickness of the compressed Ne layer. Reduction of the layer thickness to D~l or less and its strong compression, caused by the distorted refracted and reflected shocks propagating inside the layer as well as by multiple reverberations of compression and rarefaction waves, leads to significant reciprocal influence of  KAB and KBC, and, as a result, to deceleration of the mixing region growth rate. The minimum thickness of the mixing region is observed at the layer thickness D~l .

    References

  1. Aleshin AN, Lazareva EV, Sergeev SV, Zaytsev SG (1998) On the Problem of Richtmyer-Meshkov Instability Suppression. Doklady Akademii Nauk 363, №2, 1998.
  2. Aleshin AN, Zaytsev SG, Lazareva EV (1995) Refraction of a Shock Wave Through a Sinusoidal Discontinuous Interface Separating Gases of Different Densities. Proceedings Of The 19th International Simposium On Shock Waves: 255-260.


Воздействие сверхсильных электромагнитных полей фемтосекундной лазерной плазмы на атомы и ядра

В.И.Арефьев, В.С.Беляев

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского космического агентства, Королев Московской области, Россия

    Представлены результаты теоретического исследования коллективных процессов воздействия сверхсильных электромагнитных полей на атомные и ядерные структуры в лазерной плазме. Показано, что трансформация таких полей атомными структурами ведет к генерации в атоме магнитных полей, разрушающих внутреннюю структуру нижележащих электронных оболочек, и к волновому коллапсу полей или к "нуклеации" полей с последующим сильным воздействием на ядра.
    Проведено теоретическое исследование свойств фемтосекундной лазерной плазмы при ионизирующих потоках выше 1016 Вт/см2, проанализированы механизмы генерации сверхсильных полей Е > 5Ч109 В/см, "быстрых частиц" с высоким темпом ускорения (выше 10 МэВ/фсек), укручение фронта лазерного импульса, механизмы ионизационного распада внешних оболочек атома с их структурной перестройкой.
    Теоретически рассмотрены механизмы генерации мелкомасштабных вихревых структур (электронных континуумов), благодаря процессам анизотропного нагрева и анизотропной (туннельной) ионизации. Эти процессы связаны с развитием широкого спектра неустойчивостей анизотропной плазмы на супергармониках электрон-циклотронной частоты, благодаря чему в масштабе частоты туннельной ионизации атома ni ~ (1016 - 1017) сек-1 осуществляется эффективная трансформация энергии лазерной плазмы в атомных структурах.
    Дан анализ механизма прямой передачи (внутренней конверсии) энергии возбужденных ядер электронами. Рассмотрен процесс электромагнитного стимулирования искусственной радиоактивности в лазерной плазме. Развитая теория позволяет объяснить механизм ядерного синтеза элементов с легкими ядрами в лазерной плазме. Приведеныпервые результаты экспериментального исследования по электромагнитному стимулированию атомных и ядерных процессов в лазерной плазме, образованной воздействием ни мишень лазерного излучения тераваттного уровня мощности.

e-mail: beliaev@fll.misa.ac.ru
 
 
 
 


Femtosecond Laser Produced Plasma Superstrong Electromagnetic Fields Action on Atoms and Nuclei

Arefyev V.I., Beliaev V.S.

Russian Space Agency

    The results of the theoretical study of superstrong electromagnetic fields collective processes action on atomic and nuclear structures in a laser produced plasma are presented. The transformation of such fields by atomic structures is shown to result in magnetic fields generation in atom destroying the inner structure of lower electron shells as well as in fields wave collapse or in "nucleation" of fields with the following strong action onto nuclei.
    The main processes that result in the restructuring of atoms and nuclei in superstrong  magnetic fields in a laser-produced plasma are considered. Diffusion of electrons in atomic shells under the action of a magnetic field out of an atom (ionization) and into an atom (collapse of electron shells) is described. It is demonstrated that strong magnetic fields that arise as electrons collapse onto a nucleus change the orientation of this nucleus and, as a consequence, stimulate energy release. In addition, the probability of all types of nuclear decay significantly changes. This effect is illustrated with an example of alfa-decay.
    The mechanism of the excited nucleus energy direct transmission (inner conversion) by electrons has been analyzed. The process of the electromagnetic stimulation of artificial radioactivity in a laser produced plasma has been considered. The developed theory permits to explain the mechanisms of the nuclear synthesis of the elements with light nuclei in a laser produced plasma. The first results of the experimental research on the electromagnetic stimulation of the atomic and nuclear processes in a laser produced plasma being created by terawatt laser radiation action onto a target have been given.

E-mail: beliaev@fll.misa.ac.ru


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

*А.Э. Бугров, И.Н. Бурдонский, В.В. Гаврилов, А.Ю. Гольцов, *С.Ю.Гуськов, Е.В. Жужукало, Н.Г. Ковальский, В.Н. Кондрашов, С.В. Коптяев, М.И. Пергамент, В.М. Петряков, *В.Б.Розанов.

ТРИНИТИ, Троицк, Моск. обл., Россия
*ФИАН, Москва, Россия

    Подробно исследовались процессы энерговклада, трансформации и переноса энергии в экспериментах по облучению плоских мишеней на основе пористого материала низкой плотности (агар-агар C12H18O9; 0.5 - 10 мг/см3) мощными лазерными импульсами и импульсами рентгеновского излучения, формируемыми в результате конверсии лазерного излучения в веществе с высоким атомным номером. Плотность светового потока менялась в диапазоне 1013 - 1014 Вт/см2 (l = 1.054 мкм) при длительности импульса 2.5 нс. Для конверсии лазерного излучения в рентгеновское использовались специальные мишени с включением небольших добавок меди либо в объём, либо на поверхность пористых образцов.
    Анализ экспериментальных данных и их сравнение с результатами, полученными в рамках развитой аналитической модели, позволили сделать следующие выводы:
 
-

-
 
 

-
 
 

-

в исследованных условиях облучения реализуется эффективное объёмное поглощение падающего на мишень излучения;

при лазерном облучении агара перенос энергии во внутренние области мишени происходит за счет гидротепловой волны, распространяющейся со скоростями (1-2)Ч107 см/с;

при рентгеновском облучении агара с добавками меди за перенос энергии ответственна радиационная тепловая волна, распространяющаяся во внутренние области мишени со скоростями (3-4)Ч107 см/с;

в исследованных условиях уровень развития аномальных процессов в протяженной плазме не превосходит их уровня, наблюдаемого в экспериментах с мишенями твердотельной плотности.


ИЗМЕРЕНИЕ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЕ ПО ЗЕЕМАНОВСКОМУ РАСЩЕПЛЕНИЮ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ

В.С.Беляев, А.П.Матафонов

Центральный научно-исследовательский институт машиностроения Российского космического агентства, Королев Московской области, Россия

    Для измерения напряженности магнитного поля в лазерной плазме была разработана методика, основанная на расщеплении спектральных линий в магнитном поле из-за эффекта Зеемана. Проведен анализ эффектов уширения, расщепления и сдвига спектральных линий, излучающихся из лазерной плазмы, на основании которого были выбраны линии ионов СII, CIII, CIV и AlIII, которые являются наиболее оптимальными для измерения напряженности магнитного поля. При проведении экспериментов использовалась лазерная пикосекундная установка тераваттной мощности со следующими параметрами: энергия в импульсе до 1 Дж, длина волны излучения 1,06 мкм, длительность импульса 1 пс. Контраст по мощности составлял величину ~ 104. Лазерное излучение с помощью линзы фокусировалось в пятно с диаметром 40мкм на поверхность мишеней из C и Al, обеспечивая интенсивность до 4Ч1016 Вт/см2. Мишени помещались в вакуумной камере, при этом остаточное давление в камере составляло 10-2Торр. Излучение плазмы регистрировалось в направлении, перпендикулярном лазерному лучу на расстояниях от 400 до 700 мкм с помощью двух линз, между которыми помещался поляризатор Глана. С помощью поляризатора Глана выделялись либо p либо s компоненты зеемановского расщепления. Далее излучение направлялось на входную щель спектрографа ДФС-452. Регистрация исследуемой области спектра (0,4 - 0,6 мкм) осуществлялась с помощью супервидикона ЛИ-704. Измеренная напряженность магнитного поля составила величину ~ 300 кГс на расстоянии 700 мкм от мишени из C и Al. Для измерения напряженности магнитного поля в лазерной плазме на расстояниях меньших 400 мкм от мишени необходимо выбирать спектральные линии ионов большей кратности ( например, СV) с регистрацией излучения в диапазоне, близком к вакуумному ультрафиолету ( ~ 0,2 мкм).


РАСЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПИКОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА С ДЕЙТЕРИРОВАННОЙ МИШЕНЬЮ ПРИ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА 1016-1017 ВТ/СМ2.

Н.Н.Демченко, В.Б.Розанов

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

    В ряде экспериментов была зарегистрирована генерация нейтронов DD-реакций при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на дейтерированные мишени [1,2]. Для эффективного протекания DD-реакций нужна достаточно большая энергия дейтонов (~ 100 кэВ и выше). Рассматривались различные схемы экспериментов, в которых был реализован набор такой энергии ионами. В схеме с отраженной волной пондеромоторный потенциал промодулирован вдоль линии распространения лазерного излучения. Диссипация ионных возмущений на ионах приводит к набору энергии ионами с последующей термализацией этой энергии в плотной части мишени и распространением энергии в мишень в виде ионной теплопроводности. В схеме с поперечной неоднородностью пондеромоторного потенциала лазерный импульс запускается в низкоплотную (подкритическую) плазму и ионы ускоряются в направлении, перпендикулярном оси пучка. Эта схема менее эффективна, так как в ней отсутствует процесс термализации, и, следовательно, велики кулоновские потери дейтонов в окружающей холодной плазме.
    В данной работе рассмотрена возможность постановки эксперимента по исследованию механизма ионного нагрева при умеренных для CPA-лазеров плотностях потока 1016-1017 Вт/см2. Рассматривалась схема эксперимента с отраженной волной. Расчеты проводились с помощью программы RAPID-SP [3,4]. Показано, что при плотности потока 1017 Вт/см2 и энергии импульса 1 Дж (длительность - 1 пс, длина волны - 1.06 мкм) ожидаемый выход DD-нейтронов составляет ~ 400 в случае с предымпульсом (энергия предымпульса - 10-4 Дж, длительность - 1 пс, время задержки - 100 пс) и ~ 105 нейтронов без предымпульса , что достаточно для их экспериментальной регистрации.
    Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (96-02-16678) и Международного научно-технического центра (проект 856).

    Литература.

  1. A.P.Fews et al. Annual Report 1994-95, RAL Report TR-95-025, p. 30-32.
  2. G.Pretzler, A.Saemann et al. Phys. Rev. E, v. 58, p. 1165-1168 (1998).
  3. N.N.Demchenko, V.B.Rozanov. In proc. of 24 European Conference on Laser Interaction with Matter, Madrid (Spain), June 3-7, 1996; World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd., ISBN 981-02-3239-X, p. 503-506.
  4. M.P.Kalashnikov et al. Phys. Rev. Lett., v. 73, p. 260-263 (1994).

ФОТОРЕЗОНАНСНАЯ ИОНИЗАЦИЯ ГАЗОВЫХ ОБЛАКОВ В ПОЛЕ ИЗЛУЧЕНИЯ  KrF И АЗОТНОГО ЛАЗЕРОВ.

 А.А. Дорошкин, Б.А. Князев, А.Н. Матвеенко, В.С. Черкасский, *J.B.Greenly

 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия
 *Laboratory of Plasma Studies, Cornell University, Ithaca, NY, USA

    Механизм ионизации плотных паров щелочных металлов в поле интенсивного резонансного излучения лазеров на красителях (см. [1,2]) в упрощенном виде состоит в следующем: резонансное лазерное излучение насыщает атомный переход, энергия излучения передается в сверхупругих соударениях свободным электронам, что приводит к их нагреву, а на последующей стадии - очень быстрой ионизации облака. В [3] было предложено развитие метода, основанное на совпадении резонансных переходов в ультрафиолетовой области около двух десятков элементов с полосами генерации мощных эксимерных лазеров, позволяющее получать плазму практически любого элементного состава путем введения в испаряемую мишень ‘резонансного’ элемента.
    В данной работе описана модель фоторезонансной ионизации, учитывающая новые эффекты: возможность при УФ-возбуждении однофотонной ионизация возбужденных атомов и возможность вклада энергии в облако даже после его однократной ионизации для нескольких элементов (Ta, U, Sn), у которых обнаружены резонансные переходы, перекрывающиеся с полосой генерации того же лазера. Проведено численное моделирование процессов возбуждения и ионизации одно- и двухкомпонентных сред интенсивным УФ-излучением в широком диапазоне параметров, показана возможность ионизации ‘нерезонансной’ добавки и существенная роль резонансного иона. Результаты сопоставлены с результатами экспериментов на установке КАТРИОН по ионизации Ta-содержащих паров, облучаемых KrF лазером, и паров Ti, облучаемых азотным лазером.

    Работа выполнена при частичной поддержке U.S.CRDF (грант RP1-239), программы ‘Университеты России’ и Федеральной целевой программы ‘Интеграция науки и образования’ на установке КАТРИОН (рег. N.06-06), финансово поддерживаемой ГКНТ РФ.

    Литература

  1. Measures R.M., Cardinal P.G., Phys. Rev., 1981, 23A, 804.
  2. Касьянов В.А., Старостин А.Н., Химия плазмы, 1990, Т. 16.
  3. Князев Б.А., Мельников П.И., Дорошкин А.А., Матвеенко А.Н., Блюм Х., Письма в ЖТФ, т.23, No.9, стр.24, (1997).

 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ШЛИРЕН-МЕТОДА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ТОНКИХ  ПЛАЗМЕННЫХ СЛОЁВ.

 О.Л. Белобородова, Б.А. Князев, А.Н. Матвеенко, В.С. Черкасский

 Новосибирский государственный университет, Новосибирск, Россия

    Каталитическая фоторезонансная ионизация [1,2] – один из возможных способов получения плазмы с низкой температурой ионов – изучается на установке КАТРИОН в НГУ. Для измерения распределения показателя преломления плазмы используются бесконтактные методы диагностики: лазерная дефлектометрия и шлирен-метод.
    Как правило, при обработке шлирен-фотографий используется приближение геометрической оптики, в котором угол отклонения луча после прохождения оптической неоднородности пропорционален градиенту показателя преломления [3,4]. В данной работе при обработке полученных фотографий учитывается дифракция и распределение интенсивности в падающем пучке. Интегральное уравнение, связывающее измеряемую с помощью шлирен-метода интенсивность с изменением фазы в исследуемом объекте в случае, когда объект освещается плоской волной и набег фаз в объекте мал, приведено, например, в [5]. Его вывод выполнен в параксиальном приближении с учетом дифракции на ноже. Нами получено аналогичное уравнение для случая гауссова пучка, а также разработаны алгоритмы решения этих интегральных уравнений. Написана программа, восстанавливающая распределение фазы исследуемого объекта по измеренной интенсивности как для случая плоской волны, так и для гауссова пучка. В случае плоской волны интегральное уравнение типа свертки решается методом Фурье, а в случае гауссова пучка уравнение Фредгольма второго рода решается методом итераций.
    Проведены эксперименты на установке КАТРИОН по фотографированию разлетающегося в вакуум облака плазмы, созданного лазером. По шлирен-фотографии восстановлено распределение показателя преломления в облаке. Для абсолютной калибровки полученных результатов использован метод лазерной дефлектометрии [6].
    Работа выполнена при частичной поддержке программы ‘Университеты России’ и Федеральной целевой программы ‘Интеграция науки и образования’ на установке КАТРИОН (рег. N.06-06), финансово поддерживаемой ГКНТ РФ.

    Литература

  1. Князев Б.А., Мельников П.И., Препринт РАН, ИЯФ, 94-8
  2. Knyazev B.A., "Photoresonans plasma production by excimer lasers". Abstracts of 8th Internat. Workshop on Atomic Physics for Ion- Driven Fusion, Heidelberg, Germany, 1997, P.12.
  3. Скотников М.М., "Теневые количественные методы в газовой динамике" М.: Наука, 1976
  4. Климкин В.Ф., Папырин А.Н., Солоухин Р.И.,"Оптические методы регистрации быстропротекающих процессов" М.: Наука, 1980
  5. Гудмен Дж., "Введение в Фурье -оптику" М.: Мир, 1970
  6. Князев Б.А., Гринли Дж.Б., Хаммер Д.А., Крастелев Е.Г., Коньо М.Е., "Исследование динамики анодной плазмы в изолированном диоде ионного ускорителя COBRA модифицированным методом ядерной дефлектометрии", Письма в ЖТФ, 1997, т.23, №10, стр.63.

ПЕРЕОХЛАЖДЕНИЕ ГОРЯЧЕГО ЯДРА ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬЮ В ОКРУЖАЮЩУЮ ХОЛОДНУЮ ПЛАЗМУ

Майоров С. А.

Институт Общей физики РАН, г.Москва, Россия

    Эксперименты последних лет по созданию лазерной плазмы многозарядных ионов путем фокусировки в газе излучения сверхмощных и сверхкоротких лазерных импульсов демонстрируют возможность достижения параметров, необходимых для лазеров с рекомбинационной накачкой в области вакуумного ультрафиолета. При острой фокусировке сверхкороткого и сверхмощного лазерного импульса в газе горячее ядро лазерной плазмы многозарядных ионов окружено обширной плазменной областью со значительно более низкой температурой. Показана возможность значительного и быстрого, по сравнению с релаксационными временами, охлаждения горячего ядра плазмы электронной теплопроводностью в окружающую холодную плазму. Переохлаждение плазмы многозарядных ионов за счет теплопроводности улучшает условия для получения инверсной заселенности ионных уровней и усиления излучения в далеком ультрафиолете. Качественному анализу этого эффекта посвящена данная работа [1].
    Исследована временная зависимость температуры электронов в горячем ядре при различных параметрах задачи - радиусе ядра горячей плазмы r0 , начальной электронной температуре в нем Tmax, заряде ионов в горячем ядре - zmax , в окружающей плазме z0. Распространение волны теплопроводности описывается уравнением [2]:
 
 


,


 




где s=0, 1, 2 для случаев плоской, цилиндрической и сферической симметрии. Коэффициент электронной температуропроводности для плазмы может быть записан в видеc =aTn, для электронной теплопроводности показатель степени n=5/2. Для сферически симметричного s=2 случая из автомодельного решения для тепловой волны, движущейся по холодному фону с нелинейной теплопроводностью получаем следующую оценку для температуры в центре плазмы: Tc» (Q2/3/at)3/3n+2~ t-6/19, где Q=тTdV=4pr03zmax Tmax /3z0 - константа, характеризующая источник температуры (энерговклад). Применимость этой модели ограничена условием T0< Tc< Tmax. Для цилиндрической геометрии Tc»(Q/at)1/n+2~ t -2/ 7 , где Q=pr02zmaxTmax /z0.
    Сравнение временных зависимостей падения температур для случаев сферической и цилиндрической симметрии показывает их незначительное отличие из-за того что в цилиндрической геометрии замедленное падение температуры из-за геометрического фактора компенсируется более быстрым движением теплового фронта. Поэтому при анализе эксперимента, где реальная картина практически всегда имеет сложную геометрическую структуру, можно с хорошей точностью пользоваться простым автомодельным решением.
    Результаты оценок для температуры электронов в горячем ядре лазерной плазмы для показывают, что электронная теплопроводность из горячего ядра лазерной плазмы в окружающую холодную плазму является значительно более эффективным каналом охлаждения, чем традиционный механизм радиационного охлаждения.

    Литература

  1. Майоров С.А.//Краткие сообщения по физике ФИАН, №8, 3(1998).
  2. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П. Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М, Наука, 1966.

ПРЯМОЕ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТУРБУЛЕНТНОЙ ДИФФУЗИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В УСКОРЯЕМУЮ ПЛАЗМУ

Жмайло В.А., Янилкин Ю.В.

РФЯЦ-ВНИИЭФ, г.Саров, Россия

    В работе рассматривается задача о нелинейной стадии развития мелкомасштабных случайных возмущений на границе идеальной плазмы и магнитного поля при ускорении этой границы.
    Излагаются физическая модель, численный метод и результаты прямого (двух и трехмерного) численного моделирования.
    Расчеты проводились применительно к экспериментам с однокаскадными взрывомагнитными генераторами типа “МК-1” по программам комплекса ЭГАК [1].
    Результаты расчетов сравниваются с предсказаниями соответствующей полуэмпирической модели [2] и данными экспериментов [3].

Литература.

  1. Янилкин Ю.В., Шанин А.А., Ковалев Н.П. и др. Комплекс программ ЭГАК для расчетов двумерных течений многокомпонентной среды. ВАНТ, сер. ММФП, вып. 4, 1993.
  2. Губков Е.В., Жмайло В.А., Янилкин Ю.В. Турбулентная диффузия магнитного пля в ускорямую пламу. Доклад на ХХV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, 1998.
  3. Павловский А.И. и др. ДАН СССР, 1965, т160, N1, стр.68.

 
 
 


DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF MAGNETIC FIELD TURBULENT DIFFUSION IN ACCELERATED PLASMA

Zhmailo V.A.,  Yanilkin Yu.V

RFNC-VNIIEF,   Sarov

    The problem of nonlinear evolution of random small-scale perturbations on accelerated boundary between ideal plasma and magnetic field is considered.
    Physical model, numerical method and results of direct (two and three-dimensional) numerical modeling are presented.
    The calculations were carried out with reference to experiments with one-cascade by explosive magnetic generators of a type “МК-1” with the program complex EGAK [1].
    The results of calculations are compared with predictions of appropriate semi-empirical model [2] and experiment data [3].

    References

  1. Yanilkin  Yu.V.,  Shanin  A.A.,  Kovalev N.P.  et al. VANT, Ser. MMFP, No.4, 1993. The program complex EGAK for calculations 2D flows of multicomponent media. VANT, ser. MMFP, v.4, 1993.
  2. Gubkov E.V., Zhmailo V.A., Yanilkin  Yu.V. Turbulent diffusion of magnetic field in accelerated plasme. The report on ХХV Zvenigorod conference on physics of plasma and CTS, 1998.
  3. Pavlovskiy A.I. et.al. DAN USSR, 1965, v.160, N1, p. 68.
E-mail: Yan@md08.vniief.ru


Численное моделирование динамики плазмы в рамках ЭМГ.

А.А. Гущин, О.З. Забайдуллин, А.С. Кингсеп.

РНЦ "Курчатовский институт", Институт ядерного синтеза.

    Создан двумерный численный код, моделирующий поведение плазмы в рамках электронной магнитной гидродинамики (ЭМГ). Самосогласованно решается система, включающая уравнения Максвелла и уравнение динамики температуры электронов. Физическая модель учитывает следующие эффекты: 1) эффект Холла, 2) диффузия магнитного поля, 3) джоулево тепловыделение, 4) градиент давления электронов, 5) термосила, 6) электронные потоки тепла (пропорциональные grad(T), [H,grad(T)], [H,u], здесь H- магнитное поле, Т-температура, u-токовая скорость).
    Проведено тестирование численного кода на примере нелинейной волны проникновения  магнитного поля в плазму (КМС-волна). В ходе расчётов сравнивались: 1) теоретическое значение отношения джоулева тепловыделения к изменению энергии магнитного поля в КМС-волне (0.33) к расчётному отношению (0.37), 2) отношение теоретической скорости КМС-волны к её расчётной величине (1).
    Новым результатом является моделирование поведения магнитного поля с учётом всех эффектов 1)-6). Полученная картина динамики сравнивается с динамикой магнитного поля, учитывающей эффекты 1)-3).
    Планируется использование созданного численного кода для дальнейшего изучения плазменных явлений в Z-пинче, плазменном прерывателе тока и генерации магнитного поля в лазерной плазме.


О ВЛИЯНИИ  ФОКУСИРОВКИ ЛАЗЕРНЫХ ЛУЧЕЙ В ПЛАЗМЕ НА СКОРОСТЬ ПРОГОРАНИЯ ФОЛЬГ.

А.Б.Искаков, И.Г.Лебо*, В.Ф.Тишкин

 Институт математического моделирования РАН, Москва, Россия
*Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН, Москва, Россия

    В экспериментах по взаимодействию мощных лазерных импульсов с плоскими мишенями одним из надежно измеряемых параметров является время прогорания фольги ( см, например, [ 1 ] ).
    С помощью двухмерной лагранжевой программы “АТЛАНТ-C” в цилиндрических координатах (r,z,t) ([ 2 ] ) проведено моделирование взаимодействия KrF-лазера с алюминиевыми фольгами.  Для учета рефракции и фокусировки  лазерного излучения в плазме использован алгоритм распространения дискретных лучей в приближении геометрической оптики ( “ray-tracing”) [ 3].
    Расчеты показали, что при распространении излучения в плазме происходит фокусировка, что приводит к уменьшению времени прогорания фольги приблизительно на 15% по сравнению со случаем распространения лучей строго вдоль оси пучка.
    При длительности лазерного импульса порядка 100 нс различие в скорости прогорания фольг в зависимости от условий фокусировки, по нашему мнению, может быть зарегистрировано в современных экспериментах.

    Литература.

  1. В.Г.Бакаев, В.Ю.Король, И.Г.Лебо и др. Препринт ФИАН N69, M., 1997
  2. А.Б.Искаков, И.Г.Лебо, И.Лимпоух и др. Препринт ФИАН N22,М.,1998
  3. А.Б.Искаков, И.Г.Лебо, И.В.Попов и др. КСФ ФИАН,  N1-2, 28, 1997

СТОЛКНОВИТЕЛЬНО - РАДИАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ РАСЧЕТАИОНИЗАЦИОННОГО СОСТАВА, НАСЕЛЕННОСТЕЙ УРОВНЕЙИ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕРАВНОВЕСНОЙ ПЛАЗМЫ.

Г.А. Вергунова, *Е.М. Иванов, В.Б. Розанов

Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Москва, Россия
*Московский Государственный инженерно - физический институт (технический университет), Москва, Россия

    Доклад посвящен исследованию характеристик собственного рентгеновского излучения плазмы лазерных мишеней. Населенности уровней ионов в плазме и значения концентраций всех ионов, присутствующих в плазме, определяют оптические свойства веществ. От них зависят интенсивность той или иной спектральной линии, радиационные потери в непрерывном спектре, спектральный состав собственного излучения плазмы.
    Построена физико - математическая модель для расчетов кинетики ионизации, населенностей возбужденных уровней и спектров излучения плазмы. В модели учитываются процессы ионизации электронным ударом, тройной, фото- и диэлектронной рекомбинации, а также столкновительные возбуждение и дезактивация, спонтанные радиационные переходы и наличие внешнего источника излучения. Проведены расчеты средней степени ионизации и ионизационного состава плазмы алюминия. Построенная модель дает удовлетворительные результаты как в условиях равновесия (коронального и локального термодинамического), так и при его отсутствии. Сравнение с результатами других авторов [1] - [5] показало количественное и качественное совпадение в широком диапазоне плотностей и температур (Ni=1016 - 1024 см-3, Te=0,01 - 10 кэВ). Проведены расчеты средней степени ионизации плазмы аргона и золота.
    Для оптически прозрачной алюминиевой плазмы рассчитаны спектральные и интегральные по спектру радиационные потери на тормозное, рекомбинационное и линейчатое излучение, а также зависимости отношения интенсивностей некоторых спектральных линий от температуры, используемые для определения температуры при диагностике плазмы. Получено удовлетворительное согласие с результатами других авторов [4] - [6]. Подробное описание физико-математической модели и основные результаты приводятся в [7].

    Литература:

  1. Tsakiris G. D., Eidmann K., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 1987, 38, 353.
  2. Third International Opacity Workshop & Code Comparision Study, MPIQ, Garching, march 7-11, 1994; MPQ 204, august 1995; Fourth International Opacity Workshop, Spain, Madrid, 1996.
  3. Mostovych A. N., Chan L. Y., Kearney K. J., Garren D. et al., Phys. Rev. Lett, 1995, 75, 1530.
  4. Busquet M., Phys. Rev A, 1982, 25, 2302.
  5. Salzmann D, Krumbein A., J. Appl. Phys., 1978, 49, 3229.
  6. Duston D., Davis J., Phys.Rev.A, 1980, 21, 1664; Phys.Rev.A, 1981, 23, 2602.
  7. Вергунова Г. А., Иванов Е. М., Розанов В. Б., Столкновительно - радиационная модель расчета ионизационного состава и населенностей уровней неравновесной плазмы (Al, Ar, Au)., препринт ФИАН No12, 1998.

Диагностика ионизированного газа по линейно поляризованному излучению.

Н.В. Калачев 1, М.Б. Шапочкин 2

1 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
2 Московский энергетический институт (ТУ)

    Измерение параметров Стокса излучения ионизированного газа позволяет определить анизотропные свойства электронов. Степень линейной поляризации находится через квадрупольный момент функции распределения электронов [1]. Предлагая модель для надтепловых электронов [2], можно рассчитать параметры анизотропии. В работе [3] для интерпретации результатов диагностики линейной поляризации резонансных линий AL XII проводились расчеты сечений возбуждения m – подуровней в Борн-Кулоновском приближении с учётом обмена.
    Анизотропия функции распределения ионизированного газа приводит к выстраиванию атомных состояний. Тогда линейная поляризация может быть рассчитана с помощью сечения возбуждения выстраивания [1,4]. В работах [1,5] показано, что сечение возбуждения выстраивания может быть выражено через полное сечение возбуждения уровня и степень линейной поляризации  перехода при столкновении электрона с атомом в пучковом эксперименте. Наличие аналитических выражений для полного сечения [6] и степени поляризации перехода в пучковом эксперименте [5] в рамках выбранной модели позволяет рассчитать в общем  виде линейную поляризацию ионизированного газа и проанализировать ее зависимость от параметров модели.

    Литература.

  1. Kazantsev S.A. and Henoux J.C. Polarization spectroscopy of ionized gases, KAP, 1995.
  2. Haug E. Solar Phys.  1981, v.  71, p. 77-89.
  3. Walden F., Kunze H.-J., Petoyan A., Urnov F.V., Dubau  J.  Phys. Rev. E. 1999, in print.
  4. Марголин Л.Я., Полыновская Н.Я., Пятницкий Л.Н., Темиргалиев Р.Ш., Эдельман С.А. ТВТ, 1984, т. 22, вып. 2, с. 193-200.
  5. Шапочкин М.Б. Труды V конф. “Фундаментальная атомная спектроскопия”, Москва, 1999, с. 101-102.
  6. Shevelko V.P. Phis. Scripta, 1992, v. 46, p. 531-535.

ДИЗАЙН АЭРОКОСМИЧЕСКИХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТЕРМОЯДЕРНЫХ ВЗРЫВОВ

DESIGN OF AEROSPACE SYSTEMS BASED ON THE THERMONITCEEAR MICROEXPLOSIONS

В. А. Белоконь, Москва

Valentine A Belokogne, Moscow, Computer synthesis by Igor Alyabyev

Микровзрывы суперплотной ~ 1 кг/см3 термоядерной плазмы, инициированные лазерным или иным мощным контролируемым воздействием масштаба >5 МДж, способны достигать масштаба 500-2000 МДж. Экологически приемлема реакция 2Н + 3Не = 4Не + 1Н с практической калорийностью ~1011 Дж/г. Экраноплан, аэроплан и космоплан с такой энергетикой должны обладать массой не менее 2500 тонн при полезной нагрузке не менее 5-10 %. Демонстрационные образцы таких ЛА ожидаются к 2020 году, причем не исключено применение "ударного термояда" (impact fusion) в сочетании с идеологией "быстрого инициирования" (fast ignitor) на основе нашей схемы низкоэнтропийного сжатия типа "книга" 1973 г.

  1. микровзрывной реактор
  2. фокусируемый на мишень луч
  3. луч, "очищаемый" пространственным фильтром.
  4. зеркало лазерного луча.
  5. генерирующая среда
  6. фильтр пространственный.
  7. ввод луча задающего генератора лазера.
  8. фильтр поляризационный.
  9. сопло реактивное(ракетное)
  10. контур летательного аппарата ЛАТЯ.