Разработка и реализация двухволнового лазерного

УДК 533.9(06) Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез
О.А. БЯЛКОВСКИЙ, К.Л. ГУБСКИЙ
Научный руководитель – А.П. КУЗНЕЦОВ, к.ф.-м.н., доцент
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ ДВУХВОЛНОВОГО
ЛАЗЕРНОГО КВАДРАТУРНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ ИОННЫХ ПУЧКОВ С ПЛАЗМОЙ
В работе представлен разработанный двухволновый лазерный квадратурный интерферометр, позволяющий проводить точные измерения линейной плотности свободных электронов плазмы низкой степени ионизации. Интерферометр использован для измерения концентрации свободных электронов плазмы водородной
мишени в экспериментах по торможению тяжелых ионов в ионизованном веществе.
В настоящее время широкий круг явлений и прикладных задач, связанных с взаимодействием ионизирующего излучения с веществом, стимулируют большой интерес к экспериментальным исследованиям эффективности торможения быстрых ионов в веществе в нормальном состоянии, когда энергетические потери
определяются взаимодействием со связанными электронами. Последние достижения в увеличении мощности пучков заряженных частиц открывают возможности создавать материю с экстремальной плотностью
энергии в лабораторных условиях. Коллективные взаимодействия в этом веществе, взаимодействие с пучками частиц и радиационными полями являются активно развивающейся областью физики высоких плотностей энергии в веществе. Ранее эта область параметров вещества была недоступна для лабораторных экспериментов.
Исследования экстремального состояния вещества имеют ключевое значение в развитии программы
Инерциального Термоядерного Синтеза (ИТС). Изучение состояний материи, созданных с помощью интенсивных пучков тяжелых ионов, вызвало повышенное внимание к новым аспектам взаимодействия тяжелых
ионов с плазмой, которая обладает развитой ионизацией и сильным межчастичным взаимодействием. Первые работы в области ИТС как раз и были связаны с необходимостью исследований параметров торможения
тяжелых ионов, таких как реальный пробег и профиль энерговыделения в плазме.
В экспериментах по сравнительному анализу торможения тяжелых заряженных частиц в плазме и холодном веществе необходимым условием является установление однозначного соответствия между тормозной способностью плазмы и ее параметрами: плотностью свободных электронов nfe и степенью ионизации
вещества: 𝛼 =
𝑛𝑓𝑒 𝑑𝑥
𝑛𝑓𝑒 𝑑𝑥+𝑛𝑏𝑒𝑝 𝑑𝑥
.
Начальная линейная плотность связанных электронов 𝑛𝑏𝑒𝑝 𝑑𝑥 может изменяться в процессе разряда, из-за
газодинамического разлета. Поэтому, определение степени ионизации по измерениям температуры плазмы
не могут обеспечить необходимой точности.
Наиболее точная информация об электронной концентрации (плотности) плазмы может быть получена
из измерения фазовых возмущений в зондирующей волне методами оптической интерферометрии. Набег
фазы, вносимый плазмой в интерферометрический сигнал, выражается как: 𝛿 = −4,48 ∙
𝑧
4𝜋2
𝑧
∑𝑘 𝐶𝑘 ∫𝑧 2 𝑁𝑘 (𝑥, 𝑦, 𝑧)𝑑𝑧
10−14 2𝜋𝜆 ∫𝑧 2 𝑁𝑒 (𝑥, 𝑦, 𝑧)𝑑𝑧 +
𝜆
1
1
В работе представлен разработанный двухволновый квадратурный интерферометр. Применение двух
зондирующих излучений, с существенно различными длинами волн, позволило исключить вклад ионной
компоненты в фазу интерферометрического сигнала. Это позволило измерить линейную электронную плотность свободных электронов:
1
𝛿2 𝜆2 −𝛿1 𝜆1
𝑛𝑓𝑒 𝑑𝑥 =
,
2
2
−14
4,48∙10
𝜆2 −𝜆1
где 𝜆1 , 𝜆2 длины волн и соответствующие им фазовые сдвиги интерференционных полос 𝛿1 , 𝛿2 .
Описанный интерферометр был успешно применен при проведении исследований концентрации свободных электронов плазмы водородной мишени, разработанной в Институте Теоретической и Экспериментальной Физики. В интерферометре применен квадратурный метод фоторегистрации информативных сигналов,
обладающий однородной дифференциальной чувствительностью, высокой точностью и широким диапазоном измерений линейной электронной плотности от 10 14 см-3 до 1019 см-3. Квадратурные каналы формируются перемещением точечных фотоприемников в плоскости интерференционной картины.
Разработанный интерферометр может быть применен для изучения плазмы на различных установках, что
делает перспективным его применение в исследованиях ИТС.