Возбуждение низкоэнергетических ядерных состояний в лазерной плазме и получение инверсии на ядерных переходах

• Автор: Чалых, Роман Александрович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 101 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Динамика электронной компоненты лазерной плазмы в поле лазерного импульса
§1.1. Обзор литературы. Режимы нагрева плазмы лазерным импульсом
§1.2. Приближение аномального скин-эффекта. Уравнения для функции
распределения электронов в плазме
§1.3. Методика численных расчетов. Разностная схема для решения
уравнений для функции распределения
§1.4. Обсуждение полученных результатов. Двухтемпературная функция
распределения электронов в плазме по энергиям
Выводы
Глава 2. Моделирование спектра рентгеновского излучения лазерной
плазмы и возбуждения ядер в плазме
§2.1 Обзор литературы. Теория излучения плазмы. Основные механизмы
возбуждения ядер в лазерной плазме
2.1.1. Испускание электромагнитного излучения плазмой
2.1.2 Возбуждение ядер в лазерной плазме
§2.2 Моделирование рентгеновского излучения лазерной плазмы
§2.3. Обсуждение полученных спектров лазерной плазмы. Сравнение с
другими существующими моделями
§2.4 Вычисление эффективности возбуждения ядер в лазерной плазме по каналам фотовозбуждения и неупругого рассеяния
2.4.1 Фотовозбуждение
2.4.2 Неупругое рассеяние
§2.5 Обсуждение результатов и сравнение с экспериментальными данными 60 Выводы
Глава 3. Возможность получения инверсии населенностей на ядерных
переходах
§3.1 Обзор литературы. Методы получения инверсии населенностей на
ядерных переходах
§3.2 Схема уровней Ое7л и возможность получения его^возбужденных изомерных ядер при электронном захвате в атомах Аб73. Возможная схема
эксперимента
§3.3 Моделирование динамики инверсии населенностей. Обсуждение
полученных результатов
Выводы
Заключение
Список литературы

Введение
Актуальность проблемы
В последнее десятилетие активно проводятся исследования с
использованием источников оптического излучения интенсивностью свыше 1015-1017 Вт/см2 [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, ядсрные 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 1019 Вт/см2. 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 1016-1017 Вт/см2 формирующаяся плазма может оказаться достаточно плотной и горячей для инициирования ряда внутриядерных процессов [5, 6]. В данной работе будет рассматриваться именно нерслятивистская 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 1017 Вт/см2. 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:
1. 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 Та181 в лазерной плазме [В]. 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.

К~2*Ъ-7АХ1^2. (2.8)
Например, при /4=100, 2=10 и интенсивности /=1016 Вт/см2 яркость рентгеновского источника порядка 1012 Вт/см2. Кроме того, важно отметить, что реальная плотность энергии может превышать произведение интенсивности лазерного излучения на коэффициент конверсии (2.8) и на длительность лазерного импульса, т.к. длительность рентгеновского импульса может оказаться несколько больше длительности лазерного. Этот факт отмечен в эксперименте [56]. В работе [57] указано на возможность укорачивания рентгеновского импульса выбором специальной мишени из легкого вещества с некоторой примесью тяжелого для увеличения темпа остывания плазмы после окончания лазерного импульса.
Наряду с широкополосным тормозным рентгеновским излучением лазерная плазма служит источником линейчатого излучения. Подбором параметров плазмы можно в принципе создать инверсию на каком-либо переходе и реализовать когерентное излучение на выбранной длине волны. Практически использоваться могли бы рентгеновские лазеры, работающие на длинах волн 1-5 нм, в «окне прозрачности» воды, где отсутствуют линии поглощения водяного пара. Генерация в мягком рентгеновском диапазоне в лабораториях получена в плазме, создаваемой с помощью громоздких и дорогих лазеров с наносекундной длительностью импульсов [58-60]. Эффективность таких устройств весьма низка (порядка 10'), так что при использовании килоджоульного лазерного импульса получен рентгеновский импульс с энергией в несколько миллиджоулей.
Еще один механизм генерации когерентного рентгеновского излучения в диапазоне энергий менее 100 эВ связан с генерацией высоких гармоник частоты лазера. Процесс генерации гармоник носит универсальный характер и наблюдается как до, так и после порога ионизации и как в газовой среде, так и в конденсированных мишенях [2]. Специфика конденсированной мишени состоит в том, что эффективность генерации может оказаться существенно выше благодаря наличию резкой границы плазма-вакуум. Механизм генерации гармоник лазерной частоты на скачке электронной плотности, обусловленном наличием р-компоненты лазерного электрического поля, описан в работах [61, 62]. в связи с экспериментом по наблюдению высших гармоник частоты ССЬ-