Инициирование перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.21, доктор физико-математических наук Матафонов, Анатолий Петрович

• Матафонов, Анатолий Петрович
• доктор физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Матафонов, Анатолий Петрович

Введение.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инициирование перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность проблемы

В последние годы прогресс в исследованиях физических свойств вещества под действием сверхинтенсивного электромагнитного излучения был непосредственно связан с созданием и развитием импульсных лазеров суб-пикосекундной длительности, основанных на принципе усиления чирпи-рованного импульса. Развитие нового поколения твердотельных лазеров привело к уникальным условиям облучения лазерных мишеней в диапазонах длительностей импульса 10 — 1000 фс, интенсивностей 1017 1021 Вт/см2, пиковых значений мощности 10+ 1000 ТВт. При этих условиях лазерное излучение достаточно эффективно трансформируется в потоки быстрых электронов и ионов, взаимодействие которых с веществом мишени приводит к генерации рентгеновского и жесткого гамма-излучения, различным ядерным и фотоядерным реакциям, чего нельзя было достичь при использовании импульсов нано- и субнаносекундной длительности с энергией в десятки джоулей. В результате формируемая фемто- и пикосекунд-ная лазерная плазма является своеобразным "настольным" импульсным "микроускорителем" и "ядерным микрореактором", отличающимся относительной компактностью, к которому не предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. Такой источник допускает относительно простую возможность управления энергетическими и другими параметрами корпускулярного и электромагнитного излучений.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований можно определить следующие диапазоны изменения параметров образующейся лазерной плазмы: температура электронов составляет -1 — 10 кэВ, температура быстрых электронов ~ 0.1 - 10 МэВ (с максимальной энергией свыше 100 МэВ), температура быстрых протонов и ионов - от нескольких сотен кэВ до нескольких МэВ (с максимальной энергией протонов до 60 МэВ и ионов свыше 400 МэВ), величина пондеромоторного давления 1 ^ 50 Гбар, амплитуды электрического и спонтанного магнитно

О | о го полей ~ 10 — 10 В/см и ~ 1 -ь 700 МГс соответственно. Энергии высо-коэнергетичных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, генерация позитронов, (р, п) ядерные реакции и т.д.

Исследование ядерных реакций синтеза в лазерной плазме проводилось одновременно с бурным« развитием самой лазерной физики, где достаточно

17 18 быстро произошел переход от умеренных интенсивностей — 10 -^-10

19 212

Вт/см к более высоким интенсивностям Ю1*- 10" Вт/см , соответствующим релятивистским условиям движения электронов создаваемой плазмы. При этом ядерные реакции синтеза в области умеренных интенсивностей ~1018 Вт/см2 не были достаточно подробно исследованы. В то же время исследование ядерных реакций синтеза в данной области интенсивностей представляет несомненный интерес, по крайней мере, в трех отношениях: для установления законов подобия по выходу ядерных реакций синтеза в зависимости от интенсивности лазерного излучения; для эффективного * инициирования ядерных реакций синтеза, обладающих резонансами сечений как раз в той области энергий частиц, ускоряемых лазерным излучением, которая соответствует указанным умеренным интенсивностям; из-за относительной доступности и эксплуатационной надежности лазерных установок, обеспечивающих интенсивности излучения ~1018 Вт/см2, по сравнению с крупными лазерными установками 100 ТВт 1 ПВт мощности, обеспечивающими интенсивности лазерного излучения в диапазоне 1019 — 1021 Вт/см2.

Среди реакций синтеза наибольший интерес вызывают реакции синтеза, перспективные для использования в управляемом термоядерном синтезе (УТС): D{d, я)3Не, 6U{d, а)4Не, 3Нe(dt р)4Не, пВ(р, За), 7U(p, dfНе, у которых основное энерговыделение идет в заряженных частицах (что сильно упрощает утилизацию этой энергии), а нейтронные потоки ослаблены по сравнению с реакцией Т(4, и)4Не, используемой в традиционной схеме УТС. Схема управляемого синтеза на реакции Т(с/, и)4Не является лишь этапом, позволяющим продемонстрировать саму возможность осуществления управляемого термоядерного синтеза. Анализ возможности использования перспективных ядерных реакций синтеза в схеме УТС с магнитным удержанием приводит к весьма жестким требованиям к соответствующим плазменным параметрам ввиду больших значений ионной, температуры (свыше 100 кэВ), требуемой для по джига таких ядерных реакций. В то же время, в плазме, создаваемой лазерами ПВт мощности, которые могут использоваться в схемах быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе [1-3], возможно»достижение требуемых столь высоких температур ионов. Однако до последнего! времени в плазме, создаваемой мощными-лазерами, из перечисленных выше перспективных ядерных реакций- синтеза экспериментально исследовалась только^ одна реакция* синтеза и)3Не. При этом- в недостаточной' степени исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции* синтеза.

Таким образом, исследование перспективных ядерных реакций синтеза, инициируемых при взаимодействии^ интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, является актуальной задачей как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.

Цели диссертационной работы

Основные цели работы заключались в следующем: 1. Создание специализированного лазерного комплекса для исследования перспективных ядерных реакций синтеза, в лазерной-плазме в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на мише-18 2 ни 2x10» Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы.

2. Разработка методик проведения, экспериментов по* исследованию! перспективных ядерных реакций 0(с!, п)ъНе, 6Ы(с1, а)4Не, 3Не(й?, р)4Не, пВ(р, За), 7Ь 1(р, а)4Не, протекающих в лазерной пикосекундной плазме.

3. Оптимизация условий генерации высокоэнергетичных заряженных частиц, инициирующих ядерные реакции, в том числе перспективные ядерные реакции синтеза в лазерной пикосекундной»плазме.

4. Доказательство возможности инициирования« перспективных ядерных реакций синтеза Щс1, п)2Не, б1а)1Не, 3Не(//, р)4Не, ПВ(/?, За), 7Ы(р, а)4Не при взаимодействии лазерных импульсов с интенсивностью /да 1018 Вт/см2 с твердотельными мишенями:

Состояние вопроса и основные направления исследований

В последнее время уникальные возможности для постановки новых задач в ядерной физике, физической кинетике, физике атомных и радиационных процессов в плазме и др. связаны с развитием лазерной техники в области создания мощных лазеров с ультракороткой длительностью (50 фс + 1 пс) импульсов. Такие лазерные системы обеспечивают мощность вплоть до 1015 Вт, а при фокусировке излучения на мишень интенсивность свыше Ю20 Вт/см2.

Именно эти качества лазеров пико- и фемтосекундной длительности импульсов явились причиной создания таких лазеров в ведущих научных центрах развитых стран. В таблице 1 приведены параметры основных мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса, созданных как в России, так и за рубежом.

Образующаяся при взаимодействии мощных лазерных импульсов с веществом лазерная плазма является источником быстрых электронов с энергией свыше 100 МэВ, быстрых протонов с энергией до 60 МэВ, муль-ти-МэВных у-квантов, высокоэнергетических ионов с энергией свыше 100 МэВ. В нашей работе [4] дан обзор недавних экспериментальных и теоре тических исследований по генерации быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких лазерных

Таблица 1. Параметры мощных лазерных установок со сверхкороткой длительностью импульса. п/п Фирма, страна т, фс Р, 1012 Вт I, Втхсм"2

1 Lawrence Livermore Nat. Lab. (USA) 500 1000 >Ю20

2 California Univ. (USA) 30 50 5х1019

3 4 Michigan Univ. (USA) Texas Univ. (USA) 30 35 40 20 2х1019 2х1017

5 6 Rutherford Lab. (Great Britain) Astra (Great Britain) 500 40 1000 40 >102и ЗхЮ18

78 Instit. of Laser Engin. (Japan) Jap. Atomic Energy Agency (Japan) 500 30 1000 500 Ю20 Ю20

9 10 MBI (Berlin, Germany) ATLAS (Germany) 30 100 100 30 1019 5х1018

11 12 LULI (France) LOA (France) 30 30 100 100 5х1019 5х1019

13 Lund (Sweden) 30 30 10|у

14 Changhai Inst. Opt. (China) 500 1000 Ю20

15 ИПФ (г. Нижний Новгород, Россия) 40 560 ю20

16 НИКИ ОЭП (г. Сосновый Бор, Россия) 1000 40 1019

17 ЦНИИмаш (г. Королев, Россия) 1500 10 2х1018

18 ГОИ (г. Санкт-Петербург, Россия) 1500 5 ю18

19 ИОФАН (г. Москва, Россия) 40 0,5 ю18

20 МГУ (г. Москва, Россия) 55 0,4 ю18

21 ВНИИТФ (г. Челябинск, Россия) 1500 5 ю18 импульсов с твердотельными мишенями, рассмотрены механизмы генерации быстрых заряженных частиц в сверхсильных световых полях лазерно

1*7 01 О го излучения с интенсивностями в диапазоне 10 +10 Вт/см", детально анализируется ускорение электронов, обусловленное их вакуумным нагревом, пондеромоторным потенциалом, резонансным поглощением, полем кильватерной волны в докритической части плазмы, циклотронным и другими механизмами, приведены, экспериментальные данные по ускорению протонов и« атомарных ионов полями пространственного заряда на тонких и толстых твердотельных мишенях и их теоретическая интерпретация. Значительное внимание уделено генерации сверхсильных квазистатических магнитных полей в лазерной плазме и методам их измерения для различных лазерных импульсов как фемто-, так и пикосекундной длительности. Обсуждаются возможности возникновения магнитных плазменных конфигураций и возможностей магнитного удержания плазмы. Генерация мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов открывает широкие возможности для их применения в ускорительной технике и ядерной физике [5], в исследованиях быстрого поджига лазерного синтеза [6], в радиографии- [7], диагностике лазерной плазмы [8], материаловедении [9], медицине [10] и т.д. В связи с этим в последние годы проводятся широкие исследования мульти-МэВных пучков заряженных частиц и у-квантов (см. обзор [4]), генерируемых в лазерной плазме.

Энергии высокоэнергетйчных протонов, ионов и жесткого рентгеновского излучения достаточны, чтобы превзойти пороги ряда ядерных реакций, таких, как реакции синтеза и деления, фотоядерные реакции, реакции генерации позитронов, (р, п)- ядерные- реакции и т.д. На рис. 1 показан спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью импульса [11].

В LLNL в экспериментах на петаваттном лазере (7 ~ 6x1020 Вт/см2), а также в Резерфордовской лаборатории (Великобритания) на 50 ТВт

10 О

101У Вт/см ) установке VULCAN наблюдались ряд реакций {у,п) типа: пС(у,п)пС (порог 18,7 МэВ), 39К(7,и)38К (13,7 МэВ), 63Cu(;r,rc)62Cu (10,9 МэВ), 64Zn(^)63Zn (11,9 МэВ), 65Си(у,п)мСи (10,9 МэВ), 107Ag(^,«)106Ag (9,5 МэВ) и ряд других [12-17]. По активности образовавшихся изотопов и известным сечениям (^,и)-реакций определялось число жестких у-квантов в каждом выстреле. При наибольшей активности ~3 кБк

8 9 это число составляло 10-10 у-квантов.

Прямое) взаимодействие с; нуклонами

Рассеяние на кртоноБском потенциале иона

Ускорение легких токов

Ускорение ионов

Деление ядер

Генерация 'галиа-изпуче ния

- Термоядерные реакции и наработка кзотогов

Зпекгроиагнитш е взаимодействие

Г (cU) j». Генерация поз игронов е')

Фотоядерные реакции (% п)

Деление ядер Í)

Трансмутация и наработка изотопов

Ядерное взаимодействие

F, п) (р,

Возбуждение вращательных ядерных спектров р. Создание квазиато нов

Реакция слияния

Передача нуклонов

Рис. 1. Спектр возможных ядерных реакций, инициируемых в плазме, создаваемой мощными лазерными импульсами со сверхкороткой длительностью.

Если в экспериментах [12-17] использовались мультитераваттные лазерные установки суб- и пикосекундной длительности (0,45 пс; 1 пс), то в экспериментах [18,19] использовались лазерные установки фемтосекунд-ной длительности (30 фс; 60 фс) с частотой повторения 10 Гц. В работе [18] при интенсивности лазерного излучения 4x1019 Вт/см2 наблюдались следующие реакции (в скобках указано число реакций на один импульс): пС(г,п)иС (1.4х103), 63Си(Г,п)62Си (l.lxlO4), mAu(r,n)l96Au (5х104), 238U(;/,fisión) (2.3х104). В работе [19] при интенсивности лазерного излучеg 9 Q ния 5x10 Вт/см" наблюдалась фотоядерная реакция Ве(/, п)2а, для которой требуются кванты с энергией более 1,67 МэВ. Было зарегистрировано около 100 фотонейтронов {у, и)-реакции за один лазерный импульс.

В мишенях из ~ U по радиоактивности, характерной для осколков деления, установлено наличие реакции деления 238 XJ(y,f) 134Г, 138 Cs, 92Sr (поЛЛ л рог 7,8 МэВ). При интенсивности 6x10 Вт/см полный выход реакции деления составил примерно (1,8±0,2)х10 событий (LLNL), на установке

10 9

VULCAN (Резерфордовская лаборатория) при интенсивности 10w Вт/см выход составил 10б событий [16].

Отметим некоторые возможности, которые обсуждаются в литературе. Интересно сравнить выход реакций (у,п), {у,2п), (у,3,Л,.п) для одного и того же облучаемого изотопа. Порог реакции для каждого последующего нейтрона повышается примерно на 10 МэВ. Это дает возможность более точно установить вид у-спектра и значение температуры электронов. Возt можно также уточнение моделей ядра и сечений (у, п) реакций. Интересной представляется возможность наблюдения реакции деления (у, f) для ядер со средним атомным номером А=150-200. Например, для Hg (А=200) порог реакции (у; f) оценивается в 42 МэВ [17].

Позитроны могут генерироваться как за счет механизма рождения пар, так и за счет Р+ распада изотопов, возникающих в (у; п) реакциях. Приведенные в начале этого раздела примеры (у; п) реакций практически все приводят к изотопам, распадающимся через (3+канал. Выход электрон-позитронных пар составляет ~10"5 от количества быстрых электронов с энергией 5^-10 МэВ [20]. Измеренный на петаваттном лазере (LLNL) выход позитронов из Аи мишени (толщиной 125 мкм) составил (3-^-5)х107 пози-тронов/МэВ в области энергий электронов 3-Я 5 МэВ.

Генерация высокоэнергетичных протонов с энергией, достигающей нескольких десятков МэВ, открывает возможности для развития важных прикладных направлений ядерной физики. Одно из них связано с возможностью создания интенсивного источника нейтронов с энергиями частиц в несколько десятков МэВ при воздействии на вещество пучка протонов с энергиями, превышающими энергию связи нуклонов в ядре. При воздействии протонов с энергиями 20-50 МэВ на мишень из дейтерия могут генерироваться потоки нейтронов с энергиями 10-30 МэВ.

Другое направление связано с ядерными реакциями высокоэнергетичных протонов с тяжелыми элементами. В экспериментах [21] наблюдалась интенсивная ядерная'активация различных материалов за счет воздействия) высокоэнергетичных протонов с энергией до 30 МэВ из лазерной плазмы, образованной при воздействии мощного короткого импульса с интенсив

10 9 ностыо, 2x10 Вт/см .

В ядерных реакциях, протекавших при воздействии высокоэнергетичных протонов, образовывались изотопы 63Zn, "С и N с периодами полураспада, соответственно, 38, 47, 20, 38 и 9.96 мин. Первые два изотопа

ДОI 1 I 1 образовывались, соответственно, в реакциях ""Си(р, «Г2п , "В(р, ?2) С, которые дают примерно одинаковый выход. Выполненные эксперименты позволили установить характеристики спектра быстрых протонов: 1012 частиц/стерадиан с энергиями 1-5 МэВ и 1011 частиц/стерадиан с энергиями свыше 5 Мэв. Активация материалов под действием высокоэнергетичных ионов из лазерной плазмы, образующейся при воздействии короткого' импульса мощного лазерного^ излучения, представляет собой очень привлекательный метод создания источника короткоживущих радионуклидов. В работе [22] наблюдались ядерные слияния (синтез) тяжелых ионов

1 Q О при интенсивности лазерного излучения 5x10 . Вт/см . При облучении

12 мишени из А1 потоком углеродной (< С) лазерной плазмы зарегистрировано излучение 34тС1 (146, 1177, 2127 и 3304 кэВ) и 38К (2167 кэВ). Кроме того, было зарегистрировано излучение позитронов. Это можно объяснить тем, что изотопы возникают в результате синтеза высоковозбужденного 39К в реакции 12С + 27А1 —> 39К и последующих распадов. 34тС1 и 38К един- , ственные изотопы с достаточно большим периодом полураспада (-10 мин), позволяющим произвести наблюдение. Порог реакции « 40Мэв, сечение «0.3 барна, выход реакций составил около 5x104 ядер 34шС1 и 2x104 ядер 38К.

Также были проинициированы ядерные реакции 27А1 + 27А1 и 1бО + 27А1 [22].

В последнее время опубликован ряд работ по генерации нейтронов в лазерной плазме на поверхности твердотельных (CD)n и (CD2)n мишенях л при инициировании ядерной реакции синтеза п) Не с использованием лазерного излучения со сверхкороткой длительностью импульса т = 35 фс -г 1.5 пс и интенсивностью в диапазоне 1016 - 1019 Вт/см2 (см. таблицу 2).

Эксперименты с использованием твердотельных мишеней (СБ2)и и (СО)„ были»выполнены с использованием лазерного излучения с интенсивностью в диапазоне'1018 - 1019 Вт/см2. Все эксперименты, за исключением экспериментов [25], были выполнены с использованием лазерных импульсов, которые имеют существенные предымпульсы различной, длительности, с интенсивностью предымпульсов свыше порогов образования-плазмы на мишени. Таким образом, практически во всех экспериментах основной лазерный импульс взаимодействовал с созданной предымпульсами преплаз-мой. При этом контраст лазерного излучения по интенсивности К = /0/7 - отношение интенсивности^ основного лазерного импульса к интенсивности предымпульса) на различных лазерных, установках имел* разную величину от 102 [24] до 109 [25]. Поэтому неудивительно, что измеренный выход нейтронов на различных лазерных установках отличается на несколько < порядков при одной и той же интенсивности основного лазерного импульса: Однако систематического исследования влияния контраста лазерного излучения' на протекание термоядерных Э(с1,п) Не реакций* в лазерной пи-косекундной плазме проведено не было.

Таблица 2. Результаты экспериментальных исследований ядерной реакции синтеза Б(с1, п) Не в лазерной плазме.

Ссыл ка Мишень Выход нейтронов Параметры лазерного импульса

Энергия (Дж) Длитель тель-ность X (мкм) / (Вт/см2)

23] Св08 и твердотельная мишень 109 20 1.3 пс 1.054 1019

24] с2ъ4 1x102 0.2 160 фс 0.79 1018

25] св2 1хЮ7 7.0 О.Зпс 0.529 3.5хЮ19

26] съ2 ч 1хЮ4 0.3 0.05 пс 0.8 2хЮ18

27] 1С 9*Ю5 50 500 фс 1.054 2хЮ19

Г28] CD2 £С 105 10 1.5 пс 1.055 2хЮ18

30] газ 1хЮ6 62 1 пс 1.05 2хЮ19

31] В2 кластеры 1 хЮ4 0.12 35 фс 0.82 2хЮ16

31] а 2x106 10 100 фс 0.8 2x102и

32] СВ4 и 7хЮ3 0.8 35 фс 0.82 2хЮ17

33] сб4 и 1хЮ5 2.5 100 фс 0.8 4хЮ19

Таким образом, анализ состояния вопроса и основных направлений исследований позволяет сделать следующие выводы:

1. До настоящего времени исследования практически всех-ядерных реакций (за исключением ядерной реакции Т){с1, я) Не) в лазерной плазме проводились при релятивистских интенсивностях лазерного излучения

19 20 2

10 -МО Вт/см с использованием крупных лазерных установок 100 ТВт - 1 ПВт мощности. Количество таких установок крайне ограничено и они расположены в крупных лазерных центрах, таких как Резер-фордовская лаборатория (Великобритания), Институт ядерной инженерии (Япония), Институт прикладной физики (Нижний Новгород) и т.д. Количество же лазерных установок 1-10 ТВт мощности, обеспечивающих интенсивность в диапазоне 1018 1019 Вт/см2, значительно больше, и они расположены в научных и учебных институтах (университетах).

2. До настоящего времени в лазерной плазме из термоядерных реакций синтеза экспериментально исследовалась только одна реакция п) Не. При этом в недостаточной мере исследовалось влияние параметров лазерного импульса и параметров мишени на выход данной реакции синтеза.

Научная новизна

1. Впервые проведено инициирование перспективных ядерных" реакций . синтеза 61л(с/, а)4Не, 3Не(с/, р)4Не, пВ(р, За), 71л(р, а)4Не при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

2. Обнаружено влияние предымпульсов различной длительности на вы3 ход нейтронов при инициировании п) Не реакции в лазерной пи-косекундной плазме.

3. Впервые проведено инициирование перспективной ядерной реакции о » синтеза и(с1, п) Не в пикосекундной лазерной плазме с использованием о малоплотных р— 10-^-40 мг/см мишеней на основе дейтерированного пенополиэтилена.

4: Обнаружено влияние спектрального состава усиливаемого лазерного л импульса на выход нейтронов при инициировании п) Не реакции в лазерной пикосекундной плазме.

5. Определены оптимальные значения для параметров лазерного импульса по интенсивности, длине волны, длительности, поляризации, контрасту, для параметров мишени и геометрии эксперимента, при которых возможно значительно увеличить выход перспективных ядерных реакций синтеза-в лазерной пикосекундной плазме.

6. Обнаружено, что начиная с интенсивности

101в Вт/см в распределении ионов по энергиям образуется интенсивный «хвост», отвечающий генерации быстрых ионов-с температурой около 350 кэВ.

7. Впервые в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности лазер

18 ? ного излучения

2x10'° Вт/см- проведено инициирование фотоядерных реакций* 9Ве(;г, п)2а, шТа(у, я)180Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций,

7 "7 инициируемых при воздействии быстрых протонов 1л(р, п) Ве, 63Си(р, п)6ъЪп, 48И(р, и)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. Впервые зарегистрированы плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов фтора в лазерной пикосекундной плазме, свидетельствующие о наличии сильных плазменных колебаний с частотой, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

Практическая ценность работы

1. Результаты работы по исследованию перспективных ядерных реакций синтеза могут найти применение при разработке новых схем быстрого поджига в инерциальном термоядерном синтезе с использованием перспективных ядерных топлив.

2. Созданный специализированный'лазерный комплекс ЮТВт мощности позволяет на основе полученных экспериментальных результатов развернуть работы по созданию новых технологий, связанных с генерацией быстрых заряженных частиц и инициированием перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями.

3. Результаты работ позволяют существенно расширить фронт исследования ядерных реакций, в том числе перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме за счет привлечения лазерных установок 1-НОТВт мощности с интенсивностью на уровне 1018 Вт/см2, количество которых в научных и учебных институтах (университетах) значительно больше, чем количество крупных лазерных установок с мощностью ЮОТВт ч- 1ПТВт и интенсивностью 10,9*102° Вт/см2.

4. Результаты работ по разработке методик диагностики лазерной плазмы использовались при создании в НИИИТ (г. Москва) многоканальной автоматизированной системы диагностики для обеспечения исследований атомных и ядерных процессов в лазерной плазме в ведущих научных центрах Росатома.

5. Результаты работы могут найти применения в следующих направлениях науки и технологии:

- исследование ядерных реакций, в т.ч. синтеза, протекающих в условиях

О 0 1 высоких (более 10 °К) температур, плотностей (более 10 г/см ), маг

О е нитных полей (более 10 Гс) с разработкой и созданием новых наукоемких технологий, прежде всего энергетических; -' экспериментальные исследования ядерных реакций, протекающих на астрофизических объектах путем моделирования соответствующих условий на созданной лазерной установке;

- исследование и создание основ энергетических технологий на базе безнейтронных (экологически чистых) реакций синтеза ядер;

- создание высокоинтенсивных источников нейтронов, электронов, заряженных ионов пикосекундной длительности для целей диагностики различных веществ и их состояний;

- диагностика лазерной плазмы, созданной при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями;

- технология производства радиоактивных изотопов.

Защищаемые положения

1. Созданный специализированный лазерный комплекс в составе: модернизированной пикосекундной лазерной установки «Неодим» 10 ТВт мощности, обеспечивающей интенсивность лазерного излучения на 18 2 мишени 2x10 Вт/см , системы диагностики лазерного излучения и системы диагностики лазерной плазмы позволяет проводить исследования перспективных ядерных реакций синтеза в лазерной плазме.

2. Созданные методики проведения экспериментов позволяют проводить исследования по инициированию перспективных ядерных реакций синтеза D(d, rif Не, eU(d, a)4 Не, 3He(d, р)4Не, ПВ (р, За), 7Li (р, а)4Не в лазерной плазме'на основе измерения количества и энергии нейтронов, протонов, а-частиц — продуктов выхода данных ядерных реакций.

1 О Л

3. При взаимодействии интенсивных (2x10 Вт/см ) пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза Щс1, п)3Не, а)4Не, 3Не(^,/?)4Не, ИВ(р, За), 7П(р, а)4Не с выходом

3 5 продуктов ядерных реакций 10 10 частиц за один лазерный импульс.

4. Выход нейтронов при инициировании ядерной реакции синтеза Х)(с1, п) Не с использованием твердотельных (СОг)« мишеней с о ря 1 г/см уменьшается при интенсивности наносекундного предым

Р 2 л пульса более 10 ** Вт/см и при интенсивности более 10 Вт/см для пи-косекундного предымпульса, опережающего основной импульс на 13 не. При использовании мишеней из дейтерированного пенополиэтилео на с плотностью р— 10 40 мг/см выход нейтронов уменьшается при интенсивиостях предымпульсов, превышающих пороги плазмообразо-вания на поверхности мишени.

5. Искажение спектра чирпированного лазерного импульса в процессе усиления приводит к уменьшению выхода нейтронов - продуктов ядерной реакции синтеза и)3Не.

6. В плазме, создаваемой пикосекундным лазерным импульсом с интен о сивностью 2x10 Вт/см , генерируются электроны и у-кванты с максимальной энергией 7.5 МэВ, узконаправленные пучки протонов с максимальной энергией 5 МэВ и температурой свыше 100 кэВ, ионы с температурой 350 кэВ.

18 ^

7. При взаимодействии интенсивных (2x10 Вт/см") пикосекундных лазерных импульсов с твердотельными мишенями реализуются условия для инициирования фотоядерных реакций

9Ве(г, п)2а, шТа(г, и),80Та с пороговыми энергиями для у-квантов, равными 1.67 МэВ и 7.56 МэВ соответственно, и реакций, инициируемых при воздействии быстрых протонов 11л(р, п)1 Be, б3Си(р, я)63Zn, 48Ti(p, «)48V с пороговыми энергиями для протонов, равными 1.88 МэВ, 4.1 МэВ и 5 МэВ соответственно.

8. В плазме, создаваемой пикосекундными лазерными импульсами уме

17 2 ренной интенсивности (около 10 Вт/см), генерируются сильные плазменные колебания с частотой со= (0.7-^1.0)х1015 с"1, заметно меньшей частоты лазерного излучения.

Достоверность работы

Достоверность основных научных результатов подтверждается применением надежных методов диагностики атомных и ядерных процессов в лазерной пикосекундной плазме и апробированных вычислительных методов. Полученные в экспериментах данные там, где это возможно, сравнивались с результатами других авторов и известными теоретическими моделями. Все сравнения дали положительный результат.

Апробация работы и публикации

Материалы, вошедшие в диссертацию, докладывались на научных семинарах в России в ФИАН, ИОФРАН, МГУ, ВНИИЭФ. Кроме этого, основные результаты представленных в диссертации исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих научных конференциях:

- XXVI - XXVIII, XXXIII, XXXIV Звенигородских конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (1999, 2000, 2001, 2006 и 2007 годы);

- American Physical Society Topical Conference on Atomic Processes in Plasmas, USA, Reno, Nevada, March 19-23, 2000;

- V Международном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Москва, май 2000г;

- XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2001), Minsk, Belarus, June 26 - July 1, 2001;

- International Quantum Electronics Conference (IQEC2002), Moscow, Russia, 2002;

- XVII European Conference on Laser Interaction with Matter (ECLIM2002) Memorial to Nobel Price Winner, Academician N.G.Basov, Moscow, Russia, 2002;

- 31th European Physical Society Conference on Plasma Physics, London, England, 28th June - 2nd July 2004;

- 32st European Physical Society Conference on Plasma Physics, Tarragona, Spain, June 27 - July 1, 2005;

- Fourth International Conference on Inertia! Fusion Sciences and Applications (IFSA2005), Biarritz, France.

По теме диссертации опубликовано 47 работ в реферируемых научных изданиях, в том числе 27 статей в отечественных и зарубежных научных журналах (из них 17 статей в изданиях, входящих в перечень, рекомендуемых ВАК) и 20 статей в сборниках и трудах конференций, а также более 50 тезисов докладов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 247 страницах, включает 82 рисунка, 15 таблиц и списки литературы (по частям, общее число ссылок 211, включая пересекающиеся).

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Матафонов, Анатолий Петрович, 2009 год

1. Basov N.G., Gus'kov S.Yu., Feoktistov L.P // J of Soviet Laser Research v.13, p.396-399 (1992).

2. Tabak M., Hammer J., Glinsky M.E. et al. // Phys. Plasmas, v. 1(5), p. 1626-1634(1994).

3. Беляев B.C., Крайнов В.П., ЛисицаВ.С, Матафонов^АТу^ №8, c.823 (2008).

4. Андреев А.В., Гордиенко В.М., Савельев А.Б. // Квантовая электроника т.31, вып. 11, с.941 (2001).

5. Roth М., Cowan Т.Е., Key М.Н. et al. // Phys. Rev. Lett, v.86, p.436 (2001).

6. Lancaster K.L., Karsch S., Habara H. et al. // Phys. Plasmas v. 11, p.3404 (2004).

7. Santala M.I.K., Zepf M., Beg F.N. et al. // Appl. Phys. Lett, v.78, p.l (2001).

8. Gemmel D.S. // Rev. Mod. Phys. v.46, p. 129 (1974).

9. Santala M.I.IC., Zepf M., Beg F.N. et al. // Appl. Phys. Lett, v.78, p. 19 (2001).П.Савельев А.Б. Ядерные процессы в поле релятивистского фемтосе-кундного лазерного излучения // http://nounivers.narod.ru/pub /phis.htm.

10. Perry M.D., Cowan Т. et al. // Abstract of IQEC'99, OSA Technical Digest Series Washington, OSA, vol.7, p.74, (1998).

11. Cowan Т.Е., Hunt A.W., Phillips T.W. et al. // Phys. Rev. Lett. v.84,p.903 (2000).

12. Perry M.D., Sefcick J.A., Cowan T. et al. // Rev. Sci. Instrum. v.70, p.265 (1999).

13. Norreys P.A., Santala M., Clark E. et al. // Phys. Plasmas v.6, p.2150 (1999).

14. Ledingham K.W.D., Spencer I., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. v.84, p.899 (2000).

15. Ledingham K.W.D., Norreys P.A. // Contemporary Physics v.40, p.367 (1999).

16. Malka G, Aleonard M.M. et al. // Proceedinf of IFSA-2001, Elsever Publ. Edit., p.930 (2002).

17. Schwoerer H., Gibbon P. et al. // Phys. Rev. Lett, v.86, p.2317 (2001).

18. Roth M. et al. High-energy electron, positron, ion and nuclear spectroscopy in ultra-intense laser solid experiments on the petawatt // Proc. of IFSA'99, ElsevierPubl.Edit. p.1010-01015 (2000), ,

19. Ledingham K. et al. Laser induced nuclear reactions // Proc. of ECLIM'2000, Prague, June 12-17, (2000).

20. McKenna P., Ledingham K.W.D., McCanny T. et al. // Phys. Rev. Lett. v.91, No.7, p.0750061 (2003).

21. Norreys P.A., Fews A.P., Beg F.N. et al. // Plasma Phys. Controlled Fusion v.40, p.175 (1998).

22. Pretzler G., Saemann A., Pukhov A. et al. // Phys. Rev. E v.58, p. 1165 (1998).

23. Disdier L., Garconnet J.-P., Malka G., and Miquel J.-L. // Phys. Rev. Lett. v.82, p.1454 (1999).

24. Hilscher D., Berndt О., Enke M. et al. // Phys. Rev. E v.64, p.016414 (2001).

25. Izumi N., Sentoku Y., Habara H. et al. // Phys. Rev. E v.65, p.036413 (2002).

26. Fritzler S., Najmudin Z., Malka V. et al. // Phys. Rev. Lett, v.89, p. 165004 (2002).

27. Ditmire Т., Zweiback J., Yanovsky V.P. et al. // Nature (London) v.398, p.489 (1999).

28. Madison K.W., Patel P.K., Allen M., Price D., and Ditmire T. // J. Opt. Soc. Am. В v.20, p.113 (2003).

29. Grillon G., Balcou Ph., Chambaret J.-P. et al. // Phys. Rev. Lett, v.89, p.065005 (2002).

30. Madison K.W., Patel P.K., Price D. et al. // Phys. Plasmas v.ll, p.270 (2004).

31. Ваньков А.Б., Козлов A.A., Чижов C.A., Яшин В.Е. // Оптика и спектроскопия т.84, с.94 (1990).

32. Андреев С.Н., Тараканов В.П. Ускорение электронов и протонов в сверхсильном лазерном поле: расчеты и модели. // Физика плазмы (2009) (в печати).

33. Физические величины. // Справочник, под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. Энергоиздат, Москва (1991).

34. Крайнов В.П., Смирнов Б.Н., Смирнов М.Б. Фемтосекундное возбуждение кластерных пучков. // УФН т. 177, вып.9, с.953 (2007).

35. Разрушение оптических элементов лазерной установки, в особенности их полированных поверхностей и диэлектрических покрытий.

36. Мелкомасштабная самофокусировка, приводящая к увеличению угловой расходимости излучения, к распаду пучка на нити — филаментьг, в которых интенсивности излучения могут нарастать, вплоть до уровня, вызывающего разрушения оптических элементов.

37. Насыщение усиления, связанное с конечной величиной'запасаемой5 в»л.щ^лях э!iерп iи—--,