Главная » 2014 » Сентябрь » 27 » Скачать Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах. Чалых, Роман бесплатно
0:55 AM
Скачать Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах. Чалых, Роман бесплатно
Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах
Диссертация
Автор: Чалых, Роман Александрович
Название: Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах
Справка: Чалых, Роман Александрович. Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.21 - Москва, 2003 - Количество страниц: 101 с. Москва, 2003 101 c. :
Объем: 101 стр.
Информация: Москва, 2003
Содержание:
Глава 1 Динамика электронной компоненты лазерной плазмы в поле лазерного импульса
§11 Обзор литературы Режимы нагрева плазмы лазерным импульсом
§12 Приближение аномального скин-эффекта Уравнения для функции распределения электронов в плазме
§13 Методика численных расчетов Разностная схема для решения уравнений для функции распределения
Введение:
Актуальность проблемы В последнее десятилетие активно проводятся исследования с использованием источников оптического излучения интенсивностью свыше Ю'^-Ю''' Вт/см^ [1, 2], способных создавать на поверхности облучаемых тел горячую плазму с высокой электронной температурой, достигающей 0,5 - 5 кэВ. При такой электронной температуре возникает возможность инициирования низкоэнергетических ядерных переходов с энергией до 10 кэВ. При релятивистской интенсивности лазерного излучения плазма является столь горячей и плотной, что в ней может происходить достаточно большое число ядерных процессов: возбуждение и распад ядерных уровней, подавление внутренней конверсии с изменением времени жизни возбужденных состояний, ядерные реакции, в том числе термоядерного синтеза [2-4]. Под релятивистской интенсивностью обычно понимается интенсивность, при которой осцилляторная энергия электрона близка к его энергии покоя. Эта интенсивность для длины волны 1,06 мкм составляет порядка Ю'^ Вт/см^.Энергия, набираемая в этом случае электроном за половину периода светового импульса, может достигать нескольких мегаэлектронвольт и оказывается достаточной для прямого возбуждения ядра с возможным последующим его распадом или испусканием гамма-кванта (или электрона внутренней конверсии). Однако и при меньшей, нерелятивистской интенсивности 10^^-10'^ Вт/см формирующаяся плазма может оказаться достаточно плотной и горячей для инициирования ряда внутриядерных процессов [5, 6]. В данной работе будет рассматриваться именно нерелятивистская плазма.При облучении мишени лазерным импульсом нерелятивистской интенсивности образуется плазма с близкой к твердотельной плотностью электронов и ионов, и температурой электронов до 1 кэВ. Одновременно в такой плазме формируется и горячая электронная компонента, с энергией электронов, приближенно пропорциональной интенсивности лазерного излучения, и достигающей 10-20 килоэлектронвольт при интенсивности излучения 10'^ Вт/см^. Все эти особенности делают возможным экспериментальное наблюдение ядерных процессов в такой плазме.Наиболее перспективными для исследования ядерных переходов в плазме являются ядра, удовлетворяющие следующим двум условиям [7]: 1. В спектре ядра имеется изомерное состояние с энергией до десятков кэВ. В этом случае в лазерной плазме возможен переход из основного в изомерное возбужденное состояние. После окончания нагрева можно судить о параметрах плазмы и характеристиках изомерного ядерного уровня, наблюдая за распадом изомера.2. В спектре ядра рядом с изомерным или основным состоянием находится короткоживущее состояние. Переход в это короткоживущее состояние в лазерной плазме может использоваться для заселения других ядерных состояний и получения инверсии на ядерных переходах. Кроме того, наблюдая за распадом возбужденного состояния, можно также изучать характеристики плазмы и получать спектроскопическую информацию о ядерных уровнях.Такая структура уровней представляет интерес для исследования следующих проблем: \. Диагностики плотной горячей плазмы после прекращения нагрева по высвечиванию ядерных гамма-квантов. Диагностика такой плазмы очень сильно затруднена, поскольку время существования плазмы составляет несколько пикосекунд и все процессы в ней носят сильно нестационарный характер.2. Спектроскопии ядерных уровней. В данной работе речь идет о возбуждении уровней с энергией в несколько кэВ, которые обычно исследуются лишь при гамма-распаде из более высокоэнергетических состояний.3. Разработке схем создания инверсной заселенности ядерных уровней.Имеются сообщения об экспериментальном наблюдении возбуждения низкоэнергетического ядерного уровня Та в лазерной плазме [8]. В связи с этим имеет большое значение изучение особенностей процесса возбуждения ядер в лазерной плазме, динамики возбуждения, зависимости числа возбужденных ядер от параметров плазмы и лазерного импульса, выбор наиболее перспективных ядер. Кроме того, представляет значительный интерес моделирование инверсии населенностей на ядерных переходах и возможность создания гамма-лазера с активной средой возбужденных ядер.Цели диссертационной работы Предметом данной работы является исследование динамики возбуждения низколежащих ядерных уровней в нерелятивистской лазерной плазме и моделирование инверсии на ядерных переходах. Рассматривается возбуждение в результате электронно-ядерных и фото-ядерных процессов. Цели работы: 1. Разработка модели динамики электронной компоненты плазмы в лазерном ноле и расчет функции распределения электронов в плазме по энергиям.2. Разработка электродинамической модели тормозного излучения лазерной плазмы, дающего основной вклад в рентгеновское излучение лазерной плазмы, и расчет спектра тормозного излучения.3. Расчет эффективности возбуждения изомерньж уровней ядер в лазерной плазме, основанный на использовании результатов моделирования электронной функции распределения и расчета спектра тормозного излучения. Сравнение парциальных вкладов различных каналов возбуждения.4. Моделирование экспериментов по возбуждению ядер Та : расчет эффективности возбуждения и сравнение с экспериментальными данными.5. Изучение влияния характеристик ядерного перехода и линейных размеров плазмы на эффективность возбуждения ядер.6. Моделирование процесса достижения инверсии населенностей на ядерных переходах и выполнение оптимизации параметров установки с целью достижения наибольшей плотности инверсии населенностей.Научная новизна \ . На основе модели нагрева лазерной плазмы в приближении аномального скин-эффекта детально проанализированы количественные характеристики усредненной по времени функции распределения электронов по импульсам.2. Построена электродинамическая модель рентгеновского излучения лазерной плазмы, результаты которой согласуются с экспериментальными данными.3. С помощью результатов моделирования функции распределения электронов и спектра рентгеновского излучения вычислено количество возбужденных ядер в условиях экспериментов по возбуждению ядер Та'^'.4. Предложен новый способ получения инверсии населенностей на ядерном переходе, основанный на селекции в электрическом поле возбужденных ядер. образующихся при внутренней конверсии с вышележащего возбужденного состояния.Практическая ценность 1. Разработанные модели динамики электронной компоненты и спектра тормозного излучения лазерной плазмы позволяют количественно оценивать эффективность возбуждения ядер и ее зависимость от параметров мишени и возбуждающего лазерного импульса, что представляет практический интерес для обработки экспериментальных данных и планирования новых экспериментов.2. Результаты моделирования возбуждения ядер в лазерной плазме дают возможность определять область применения данного явления с целью диагностики плазмы и спектроскопии ядерных уровней.3. Предложенный метод получения инверсии населенностей на ядерном переходе открывает новые перспективы в области разработки схем наблюдения индуцированного излучения в гамма диапазоне.Защищаемые положения 1. Функция распределения электронов в лазерной плазме по импульсам, усредненная по времени нагрева и по объему плазмы, может быть аппроксимирована двухтемпературным распределением со степенной зависимостью температуры горячих электронов от интенсивности падающего лазерного излучения с показателем степени 0,8. При интенсивности облучающего импульса 10'^-10'^ Вт/см^ характерная величина температуры горячих электронов составляет 10 кэВ.
2. Модель тормозного рентгеновского излучения плазмы, в которой скорость электрона трактуется как случайный процесс, приводит к результатам, согласующимся с экспериментальными данными, что позволяет использовать эту модель для расчета спектра тормозного излучения плазмы и для расчета эффективности радиационного возбуждения ядер в плазме.3. Рентгеновское излучение лазерной плазмы эффективно возбуждает ядра не только в объеме лазерной плазмы, но и в холодной части мишени в слое толщиной порядка длины поглощения рентгеновского кванта, что необходимо учитывать при обработке результатов экспериментов по регистрации радиационного распада ядер, возбужденных в лазерной плазме.4. Ионизация атома при конверсионном распаде ядер может быть использована для селекции возбужденных ядер, что позволяет получить инверсию заселенностей ядерных уровней в тонком слое вблизи электрода. Достигаемое значение инверсии населенностей слабо зависит от плотности пара, из которого селектируются ионы с возбужденным ядром, что дает возможность увеличивать плотность пара и тем самым увеличивать плотность инверсии.Апробация работы Основные результаты работы опубликованы в 4 статьях в журналах «Квантовая электроника» [92], ЖЭТФ [94], Laser Physics [95] и Hyperfine Interactions [107]. Кроме того, результаты докладывались на международных конференциях: First International Conference on Laser Optics for Young Scientists (June 26-30, 2000, St. Petersburg, Russia), XVII International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Minsk, Belarus, June 26 - July 1, 2001), 10'^ International Laser Physics Workshop (Moscow, Russia, July 3-7, 2001), International Quantum Electronics Conference (Moscow, Russia, June 2002) и семинарах кафедры общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Полный объем работы: 101 страница, включая 33 рисунка. Библиография содержит 107 наименований, в том числе 4 авторских публикации.Личный вклад Все использованные в диссертации результаты получены автором лично или при его определяющем участии.Содержание диссертации Во ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель диссертационной работы, описаны структура и содержание работы.ПЕРВАЯ ГЛАВА посвящена моделированию электронной функции распределения в приближении аномального скин-эффекта с помощью кинетического уравнения для функции распределения и сравнению результатов с экспериментами и другими моделями. в параграфе 1.1 описаны режимы нагрева плазмы лазерным импульсом и существующие модели для описания нагрева, а также экспериментальные данные.В параграфе 1.2 подробно обсуждается приближение аномального скинэффекта, и выводятся кинетические уравнения для функции распределения в этом приближении.В параграфе 1.3 описана использованная в диссертационной работе методика численных расчетов, приведена примененная разностная схема и получено условие ее устойчивости.В параграфе 1,4 представлены результаты численного моделирования.Показано, что усредненная функция распределения электронов по импульсам может быть аппроксимирована с большой точностью двухтемпературным распределением. Представлены зависимости температуры горячих и тепловых электронов от интенсивности падающего лазерного излучения, а также аппроксимации этих зависимостей. Приведен также график глубины прогрева плазмы лазерным излучением как функция интенсивности этого излучения и результат аппроксимации.ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена моделированию рентгеновского излучения лазерной плазмы и возбуждения ядер в лазерной плазме по механизмам фотовозбуждения и неупругого рассеяния и сравнению результатов с экспериментами и другими моделями.В параграфе 2.1 описаны механизмы испускания рентгеновского излучения и существующие модели для описания этого излучения, а также экспериментальные данные. Кроме того, обсуждаются возможные каналы возбуждения ядер в лазерной плазме и соотношения между ними. Приводятся описания экспериментов по наблюдению возбуждения ядер в лазерной плазме.В параграфе 2.2 подробно обсуждается модель рентгеновского излучения лазерной плазмы, развитая на основе классической электродинамики.Столкновения электронов с ионами моделируются случайными скачками скорости электрона, так что скорость электрона рассматривается как случайный процесс.В параграфе 2.3 представлены результаты моделирования спектра рентгеновского излучения. Эти результаты сравниваются с квантовомеханической моделью неупругого рассеяния и со спектром излучения абсолютно черного тела, а также с результатами экспериментов. Показано, что развитая в диссертационной работе модель пригодна для описания спектра рентгеновского излучения и использования этого спектра в расчетах количества возбужденных ядер.В параграфе 2.4 описаны физические модели и сделанные допущения для расчета количества возбужденных ядер в лазерной плазме по механизмам фотовозбуждения и неупругого рассеяния.В параграфе 2.5 приведены результаты моделирования возбуждения тантала-181, проведено сравнение с результатом эксперимента. Высказано предположение, что расхождение результатов теории и эксперимента может быть вызвано проникновением рентгеновского излучения плазмы в холодную область мишени и возбуждением ядер в этой области.ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена описанию возможной схемы эксперимента по наблюдению инверсии населенностей на ядерном переходе '^^ Ое, второе возбужденное состояние которого получается при электронном захвате в радиоактивном ядре ^^Аз, имеющем период полураспада 80 дней.Возбужденные ядра "Ое переходят в первое возбужденное состояние главным образом путем внутренней электронной конверсии, в результате чего атом превращается в ион, и может быть селектирован осаждением на подложку в электрическом поле. В результате возникает инверсия между первым возбужденным и основным состоянием ядра^'^Ое.В параграфе 3.1 описаны существующие работы, касающиеся получения инверсии на ядерньк уровнях, в частности путем селективной фотоионизации изомерных состояний ядер.В параграфе 3.2 обсуждается возможная схема эксперимента по наблюдению инверсии населенностей ядер "Ое и подробно описаны характеристики ядерных уровней ^''Ое и'^Аз.В параграфе 3.3 описана простая модель для вычисления динамики инверсии населенностей на основе метода Монте-Карло и показано, что инверсия слабо зависит от плотности паров, из которых осаждаются возбужденные ядра. Это дает возможность увеличить плотность пара и тем самым плотность инверсии населенностей.В ЗАКЛЮЧЕНИИ сформулированы основные результаты диссертационной работы.
