Название проекта Взаимодействие интенсивного электромагнитного излучения с плазмой Номер
advertisement
Название проекта Номер госконтракта Исполнитель и наименование НОЦ Аннотация проекта Результаты этапа 1 Взаимодействие интенсивного электромагнитного излучения с плазмой № 02.740.11.0234 от 07 июля 2009 г. Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН, НОЦ «Электродинамика плазмы» Проект предусматривает проведение научных исследований по пяти важнейшим направлениям: (1) взаимодействие сверхсильных электромагнитных полей с плазмой, (2) генерация терагерцового излучения в плазме, (3) распространение электромагнитных волн в магнитоактивной плазме, (4) свободно локализованный разряд в пучках СВЧ электромагнитных волн и (5) источники плазмы, поддерживаемой в открытых магнитных ловушках мощным коротковолновым излучением гиротронов в условиях электронно-циклотронного резонанса. В проекте участвует около 50 человек, в том числе 10 докторов наук, 18 кандидатов наук, аспиранты и студенты. Более 60 % участников проекта моложе 35 лет. Членам коллектива НОЦ принадлежит международно признанный приоритет в исследованиях взаимодействия релятивистски сильных электромагнитных полей с плазмой. Среди полученных важнейших результатов следует отметить теорию самофокусировки в плазме, расчет динамики релятивистского солитона, нелинейное просветление плазменного слоя и др. Работа имеет инновационный характер и направлена на создание физических основ новых технологий в приоритетных направлениях: - разработка плазменных методов ускорения электронных и протонных потоков; - создание эффективных источников терагерцового излучения для медицинских целей и целей безопасности, дистанционного контроля и мониторинга окружающей среды; - обоснование применения систем электрон-циклотронного нагрева для стабилизации неустойчивостей в установках управляемого термоядерного синтеза нового поколения; - рекомендации по созданию технологии нанокристаллических алмазных пленок для наноэлектроники; - разработка источников экстремального ультрафиолетового излучения для нанолитографии и сильноточных источников многозарядных ионов для ядерно-физических исследований. Полученные новые результаты будут использоваться в образовательном процессе в курсах физики плазмы, физики газового разряда, теории управляемого термоядерного синтеза, теории колебаний и волн, которые разрабатывают и ведут члены коллектива НОЦ. Участвующие в проекте студенты и аспиранты используют исследования для выполнения своих курсовых работ и подготовки кандидатских диссертаций. Исследованы эффекты, возникающие при взаимодействии релятивистски сильных сверхкоротких лазерных импульсов с разреженной плазмой, которые связаны с абсолютной фазой импульса. Показано, что полость, образующейся позади сверхкороткого лазерного импульса, асимметрична, и её форма существенно зависит от абсолютной фазы лазерного импульса. При распространении лазерного импульса в плазме его абсолютная фаза изменяется, что приводит к поперечным колебаниям полости. Кроме того, пучок захваченных электронов оказывается промодулированным в плоскости поляризации лазерного Результаты этапа 2 импульса. Рассчитаны структура квазицилиндрической области ионизации и спектры порождаемого ею излучения в условиях пробоя газа гауссовыми и бесселевыми пучками фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что оптический разряд, создаваемый в газе такими импульсами, может быть использован для генерации широкополосного терагерцового излучения. Развита теория генерации токов увлечения в тороидальных магнитных ловушках резонансным СВЧ излучением в условиях электронноциклотронного резонанса с учетом пространственной дисперсии, диссипации и дифракции квазиоптического волнового пучка (используемого для генерации тока). Создан численный код для расчета профилей мощности поглощения и плотности безындукционного тока в токамаках и стеллараторах. Проведено моделирование эффективности генерации тока для токамака-реактора ИТЭР, показавшее важную роль квазиоптических эффектов в условиях крупномасштабных термоядерных установок. С помощью оценок на базе полуфеноменологической модели и численного моделирования выполнена оптимизация параметров эксперимента по взаимодействию мощного лазерного импульса, генерируемого на установке ИПФ РАН, с плазмой для получения максимальной энергии электронов. Найдены оптимальные значения плотности плазмы и размера фокального пятна. Проведено сравнение полуклассического и квантового, опирающегося на решение нестационарного уравнения Шредингера, подходов при расчетах скорости ионизации газа и спектра электрического тока, наведенного электрическим полем фемтосекундного лазерного импульса. Определена область применимости полуклассического подхода. Показано, что результаты полуклассической модели хорошо совпадают с результатами квантовомеханической модели, если максимальная пондеромоторная энергия электрона в лазерном импульсе много больше потенциала ионизации. Исследованы особенности распространения и диссипации волновых пучков в плазме в присутствии флуктуаций концентрации плазмы и флуктуаций полоидального магнитного потока в тороидальных магнитных системах. Обнаружен новый тип флуктуаций (флуктуации магнитного поля в магнитоактивной плазме), приводящих к экспоненциально быстрому изменению амплитудного профиля пучка квазиоптических СВЧ пучков. Показано, что флуктуации магнитного поля могут приводить к значительному уширению пучка на масштабах магнитного острова в токамаках и, тем самым, существенно ухудшить эффективность стабилизации тиринг-неустойчивостей в токамаках методами СВЧ нагрева плазмы на крупномасштабных установках. Показано, что СВЧ разряд, создаваемый в двух пересекающихся волновых пучках излучением гиротрона с параметрами 10 кВт / 30 ГГц в газовой смеси Ar-H2-CH4, обеспечивает стационарное поддержание однородного плазменного слоя над подложкой диаметром до 100 мм. Установлено, что как концентрация электронов, так и температура газа в стационарном СВЧ разряде слабо зависят от падающей СВЧ мощности, но сильно зависят от состава газовой смеси и давления газа. Увеличение процентного содержания аргона в газовой смеси приводит к уменьшению концентрации электронов и, при более высоких мощностях, Результаты этапа 3 Результаты этапа 4 к снижению температуры газа. Повышение давления газа приводит к увеличению как температуры газа, так и концентрации электронов, что происходит из-за снижения объема плазмы и увеличения удельного энерговклада в плазму. В экспериментах по многократной ионизации ионов металлов плазмы вакуумной дуги, инжектируемой в магнитную ловушку, за счет дополнительного нагрева плазмы мощным СВЧ излучением увеличение частоты излучения гиротрона с 37,5 ГГц до 75 ГГц позволило повысить средний заряд ионов платины с 2 до 7. При этом максимальное зарядовое состояние ионов платины достигало 10. Полный ток ионного пучка составил 300 мА. На основе разряда низкого давления, поддерживаемого в магнитной ловушке мощным электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса, разработан источник экстремального ультрафиолета. В предварительных экспериментах мощность излучения с длиной волны 13,5 нм в полосе ± 1 % достигала 50 Вт, с к.п.д. преобразования поглощенного в плазме СВЧ излучения в экстремальный ультрафиолет на уровне 1 %. Разработана аналитическая модель для самоинжекции электронов в многомерную нелинейную плазменную волну, возбужденную коротким мощным лазерным импульсом или коротким электронным пучком в режим плазменной полости. Представленная модель дает условие захвата электронов и сечение захвата в зависимости от параметров плазменной полости. Полученные результаты находятся в согласии с результатами трёхмерного численного моделирования, выполненного методом частиц в ячейках. Рассчитаны параметры терагерцового излучения ионизационного фронта аксиконного разряда в фемтосекундном лазерном импульсе в присутствии внешнего электростатического поля. Найдены оптимальные режимы генерации терагерцового излучения. Разработана методика квазиоптического моделирования процессов линейной трансформации обыкновенной нормальной волны в необыкновенную, а затем в бернштейновскую (O-X-B-трансформация) в плазме токамака с учетом влияния релятивистских эффектов. Проведено качественное исследование и численное моделирование динамики самовоздействия сверхкороткого лазерного импульса при возбуждении кильватерной волны. Предложен новый метод сжатия лазерных импульсов вплоть до одного оптического периода поля субпетаваттного уровня. Разработаны системы, позволяющие осуществлять визуализацию терагерцового пучка для построения изображений объектов (медицинских, биологических и т.д.) в терагерцовом диапазоне длин волн методом поточечного сканирования образца и с использованием широкоапертурных датчиков. Получены точные решения укороченного волнового уравнения, описывающие волновые поля в области линейного взаимодействия в случае трехмерно-неоднороных плазменных конфигураций. Разработана численная модель, описывающая поведение СВЧ разряда в пересекающихся пучках, которая включает в себя численное решение уравнений для электромагнитного поля, концентрации электронов, температуры и плотности газа, концентрации атомов водорода. Проведено численное моделирование разряда в пересекающихся над Результаты этапа 5 подложкой пучках. Результаты численных расчетов могут быть использованы для оптимизации параметров разряда в пересекающихся волновых пучках в технологии осаждения алмазных пленок из газовой фазы. Проведен анализ методик предварительной подготовки подложки. Выбран и оптимизирован метод центрифугирования, при нанесении суспензии алмазного нанопорошка (размеры кристаллов 5-50 нм) на кремниевые подложки. Произведено осаждение ультранано- и нанокристаллических алмазных пленок на засеянные подложки из Ar-H2-CH4 газовой смеси на технологической установке, созданной в ИПФ РАН с использованием гиротрона миллимитрового диапазона длин волн. В проведенных процессах роста алмазных пленок изменялись следующие параметры: процентное соотношение газов в смеси, давление, мощность СВЧ излучения, поддерживающего газовый разряд, а также температура подложки. Исследована специфика осаждения на подложки из различных материалов (кремний, кварц и молибден). Разработаны система визуализации и измерения пространственного распределения интенсивности излучения на выходе микроволновых линий передачи и в квазиоптических СВЧ пучках при помощи оптического континуума, излучаемого слоем плазмы положительного столба Cs-Xe разряда. Показана возможность значительного расширения (на 10 дБ и более) рабочего диапазона данного метода визуализации в сторону увеличения интенсивности диагностируемого СВЧ излучения без искажения его пространственной структуры путем использования для ослабления слоя жидкого или твердого поглощающего диэлектрика. Разработана конструкция устройства для квазиоптического ввода СВЧ излучения в плазму источника многозарядных ионов, обеспечивающего защиту входного СВЧ окна от взаимодействия с плазмой и предотвращающего возникновение плазмы в зоне паразитного ЭЦР. Предложен новый подход к повышению концентрации плазмы в ЭЦР разряде, поддерживаемом в осесимметричных открытых магнитных ловушках мощным излучением мм диапазона длин волн, основанный на создании в ловушке инвертированного (с минимумом на оси ловушки) профиля плотности плазмы и управлении профилем магнитного поля в локальной окрестности области электронного циклотронного резонанса. Использование такого профиля позволит реализовать циклотронный нагрев и поддержание разряда при высоких плотностях плазмы (в том числе и выше критической, которая соответствует равенству ленгмюровской частоты и частоты греющего излучения). Проанализирован спектральный состав релятивистски сильной, однородной нелинейной электромагнитной волны в прозрачной бесстолкновительной плазме. Показано, что вихревая компонента поля волны содержит только нечетные гармоники, а потенциальная – только четные, причем, в прозрачной плазме волна остается квазимонохроматической, поскольку интенсивности гармоник спадают экспоненциально с ростом их номера. Выведено уравнение для описания распространения волновых пакетов, учитывающее дифракционные эффекты. Проведено сопоставление полученных результатов с экспериментом. Экспериментально показано, что наличие постоянного электрического поля в области разряда приводит к заметному (на 2 порядка) увеличению Результаты этапа 6 эффективности генерации терагерцового излучения при оптическом пробое в поле фемтосекундных лазерных импульсов. Предложена теоретическая интерпретация полученных данных (эффективности генерации, особенностей диаграммы направленности терагерцового излучения и др.), основанная на релаксации анизотропного давления «туннелированых» электронов в плазменном столбе. Предложена процедура построения решения уравнений Максвелла в плавно неоднородных анизотропных гиротропных средах с учетом аберраций, пространственной дисперсии и поглощения. На ее основе получены эволюционные уравнения для волновых пучков. Разработана методика численного решения полученных уравнений, обобщающая метод операторной экспоненты. Построена численная модель, описывающая развитие электромагнитного каскада в сильном лазерном поле. Результаты моделирования показывают, что, возможно поглощение лазерного поля в создаваемой в ходе развития электромагнитного каскада электронпозитронной плазме. Также показано, что электрон-позитронная плазма может являться эффективным источником гамма-квантов. Экспериментально установлено, что имеет место оптимальный режим генерации терагерцового излучения при оптическом пробое воздуха в поле основной и второй гармоники фемтосекундного лазерного импульса. Дана интерпретация экспериментальных результатов на основе теоретической модели туннельной ионизации газа в поле бихроматического излучения. Исследована роль аберрационных эффектов при распространении и поглощении волновых пучков в неоднородноных средах с диссипацией и пространственной дисперсией. Рассмотрены модели, в которых аберрации вызваны наличием каустик и пространственной дисперсией поглощения, важные для задач определения точки отражения от плотной плазмы и поглощения ЭЦ волн в плазме. Приведено сравнение решений в безаберрационном и квазиоптическом приближениях с точным аналитическим решением волнового уравнения. Определена взаимосвязь условий роста и свойств нано- и ультрананокристаллических алмазных пленок, выращиваемых на различных подложках. Выполнены подробные измерения параметров газоразрядной плазмы (концентрации электронов, температуры нейтрального газа, степени диссоциации водорода) в различных условиях. Проведено несколько экспериментальных циклов выращивания алмазных пленок в различных условиях и на различных подложках. Определены ряд условий воспроизводимого формирования алмазных покрытий на большой площади: создание плотного, однородного покрытия подложки центрами роста алмаза перед процессом осаждение и осаждение алмазных пленок из однородной плазмы, полностью покрывающей площадь подложки. Разработан и оптимизирован способ обработки не алмазных подложек большой площади для воспроизводимого формирования на них алмазных покрытий. Произведено исследование оптических свойств полученных нанокристаллических алмазных пленок на поверхности кварцевых подложек. Произведено исследование влияния примеси азота на электрические, механические, оптические свойства осажденных на молибден алмазных пленок. Сроки выполнения Руководитель проекта Контактное лицо С помощью системы алюминиевых фильтров различной толщины, устанавливаемых перед окном p-i-n диода, измерена функция распределения горячих электронов по энергии. Измеренное распределение быстрых электронов по энергиям аппроксимируется распределением Максвелла с температурой Th =8 кэВ, что находится в хорошем соответствии с результатами экспериментов по измерению температуры энергичных электронов по тормозному рентгеновскому излучению. С помощью магнитостатического масс-зарядового анализатора измерена функция распределения быстрых электронов на начальной стадии ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке. Показано, что функция распределения слабо спадает с ростом энергии в диапазоне 70-400 кэВ, затем темп спадания возрастает и функция распределения обрывается на величине 500-600 кэВ. Разработана программа внедрения результатов НИР в образовательный процесс. 07 июля 2009 г. – 05 сентября 2011 г. Литвак Александр Григорьевич, директор института, доктор физико-математических наук, академик РАН Рыбаков Кирилл Игоревич rybakov@appl.sci-nnov.ru
