RU2534507C1 - Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor - Google Patents
Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor Download PDFInfo
- Publication number
- RU2534507C1 RU2534507C1 RU2013114678/07A RU2013114678A RU2534507C1 RU 2534507 C1 RU2534507 C1 RU 2534507C1 RU 2013114678/07 A RU2013114678/07 A RU 2013114678/07A RU 2013114678 A RU2013114678 A RU 2013114678A RU 2534507 C1 RU2534507 C1 RU 2534507C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- range
- energy
- ions
- nuclear fusion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Particle Accelerators (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
- Monitoring And Testing Of Nuclear Reactors (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и технике, и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в лазерной физике для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза (см. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики // Под ред. Б.Ю. Ширкова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.). Особенно перспективно использование изобретения для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (см. Беляев B.C. и др. Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями // Успехи физических наук, т.178, №8, с.823-843, 2008 г.).The invention relates to nuclear and laser physics and technology, and can be used as a research tool and as a technological means of particle acceleration in laser physics to solve the problems of direct ignition of inertial fusion targets (see Nuclear fusion with inertial confinement. Current status and prospects for energy // Edited by B.Yu. Shirkov. - M.: FIZMATLIT, 2005 .-- 264 p.). Especially promising is the use of the invention to initiate promising nuclear fusion reactions in the interaction of intense laser pulses with solid targets (see Belyaev BC et al. Generation of fast charged particles and superstrong magnetic fields in the interaction of ultrashort intense laser pulses with solid targets // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, t .178, No. 8, p. 823-843, 2008).
Известен способ инициирования ядерной реакции синтеза путем генерации нейтронов в перетяжке Z-пинча из малоплотного дейтерированного полиэтилена (см. Акунец А.А. и др. «Генерация нейтронов в перетяжке Z-пинча из малоплотного дейтерированного полиэтилена». Физика плазмы 2010 г., т.36, №8, XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2009 г.), который можно принять за первый аналог.A known method of initiating a nuclear fusion reaction by generating neutrons in the constriction of a Z-pinch from low-density deuterated polyethylene (see Akunets A.A. et al. "Generation of neutrons in the constriction of a Z-pinch from low-density deuterated polyethylene." Plasma Physics 2010, t .36, No. 8, XXXVI International (Zvenigorod) Conference on Plasma Physics and Fusion, February 9–13, 2009), which can be taken as the first analogue.
Недостатком способа инициирования ядерной реакции синтеза в статье Акунец А.А. - первого аналога заявляемого способа инициирования ядерной реакции синтеза - является нерациональный выбор материала мишени, который не позволяет получить α-частицы (4He) и протоны р.The disadvantage of the method of initiating a nuclear fusion reaction in the article Akunets A.A. - the first analogue of the proposed method for initiating a nuclear fusion reaction - is the irrational choice of the target material, which does not allow to obtain α-particles ( 4 He) and protons p.
Известен также другой аналог заявляемого способа, который по технической сути близок заявляемому изобретению.Another analogue of the claimed method is also known, which is technically close to the claimed invention.
Это изобретение (патент РФ на изобретение №2449514, приоритет изобретения 24 августа 2010 года) может быть выбрано в качестве прототипа заявляемого изобретения с названием «Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления».This invention (RF patent for the invention No. 2449514, priority of the invention on August 24, 2010) can be selected as a prototype of the claimed invention with the name "Method for initiating a nuclear fusion reaction and a device for its implementation".
Способ инициирования ядерной реакции синтеза в прототипе основан на генерации ионов из ионизируемого материала мишени с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности первой мишени при их движении ко второй мишени. В качестве материала первой мишени при этом выбирают дейтерированный полиэтилен (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм. Под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈1018÷1020 Вт/см2 с энергией Е в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈108÷1010 обеспечивают генерацию ионов дейтерия с тыльной поверхности первой мишени, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от первой мишени, при этом движущиеся ко второй мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→3He+n+3,27 МэВ с получением гелия 3He и нейтронов n.The method for initiating a nuclear fusion reaction in the prototype is based on the generation of ions from the ionized target material from its rear side under the influence of a high-contrast laser beam of relativistic intensity and ultrashort duration on the frontal surface of the target, with the acceleration of ions orthogonally to the rear surface of the first target when they move to the second target. In this case, deuterated polyethylene (CD2)n thickness loneat range lone≈1 μm ÷ 10 μm. Under the influence of a high-contrast laser beam of relativistic intensity I in the range I≈10 on the frontal surface of the targeteighteen÷ 10twenty W / cm2 with energy E in the range E≈10 J ÷ 500 J and ultrashort duration t in the range t≈100 fs ÷ 1 ps with a contrast k in the range k≈108÷ 1010 ensure the generation of deuterium ions from the back surface of the first target, and as a receiver of deuterium ions, a second target of the same material activated by accelerated deuterium ions of thickness l2 in the range of l2≈100 μm ÷ 1 mm, which is located at a distance L in the range L≈10 mm ÷ 50 mm from the first target, while the deuterium ions moving towards the second target are accelerated to an energy sufficient to overcome the Coulomb barrier between colliding ions and to ensure the implementation of a promising nuclear synthesis reaction D + D →3He + n + 3.27 MeV to obtain helium3He and neutrons n.
Недостатком способа инициирования ядерной реакции синтеза в прототипе является нерациональный выбор материала мишени, который не позволяет получить α-частицы (4He) и протоны р.The disadvantage of the method of initiating a nuclear fusion reaction in the prototype is the irrational choice of the target material, which does not allow to obtain α-particles ( 4 He) and protons p.
Задачей заявляемого изобретения является выбор материала мишени для обеспечения технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза с получением α-частиц (4Не) и протонов р.The objective of the invention is the selection of target material to ensure a technical result - the initiation of promising nuclear fusion reactions to produce α-particles ( 4 He) and protons p.
В способе инициирования ядерной реакции синтеза, с использованием двух мишеней, выборе в качестве материала первой мишени дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм, генерации при этом ионов с тыльной стороны ионизируемого материала первой мишени под воздействием на фронтальную поверхность этой мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне 1018÷1020 Вт/см2 сверхкороткой длительности t в диапазоне 100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне 108÷1010 с обеспечением ускорения ионов дейтерия при их движении ко второй мишени для воздействия ускоренными дейтерия ионами на поверхностный слой второй мишени, в качестве второй мишени используют титановую мишень толщиной ~500 мкм, фронтальную поверхность которой предварительно активируют ионами гелия 3He на глубину в диапазоне 1 мкм~10 мкм, при этом вторую мишень располагают в вакууме на расстоянии L в диапазоне 10 мм÷50 мм от первой мишени и ускоряют движущиеся к ее поверхности ионы дейтерия до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами дейтерия и гелия и обеспечения осуществления перспективной реакции синтеза D+3Не→4He+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (4He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.In the method of initiating a nuclear fusion reaction using two targets, selecting deuterated polyethylene (CD 2 ) n as the first target material with a thickness l 1 in the range l 1 ≈ 1 μm ÷ 10 μm, generating ions from the back of the ionized material of the first target under the influence on the frontal surface of this target of a high-contrast laser beam of relativistic intensity I in the range of 10 18 ÷ 10 20 W / cm 2 ultrashort duration t in the range of 100 fs ÷ 1 ps with a contrast k in the range of 10 8 ÷ 10 10 providing acceleration of ions of when they move to the second target for the action of accelerated deuterium ions on the surface layer of the second target, a titanium target with a thickness of ~ 500 μm is used as the second target, the front surface of which is preliminarily activated with 3 He helium ions to a depth in the range of 1 μm ~ 10 μm, In this case, the second target is placed in vacuum at a distance L in the range of 10 mm ÷ 50 mm from the first target and accelerate the deuterium ions moving to its surface to an energy sufficient to overcome the Coulomb barrier between colliding ions and deuterium and helium and ensuring the implementation of a promising reaction for the synthesis of D + 3 He → 4 He + p + 18.3 MeV to produce α-particles ( 4 He) with an energy of 3.67 MeV and protons p with an energy of 14.67 MeV.
Дополнительно в способе инициирования ядерной реакции синтеза фронтальную поверхность второй мишени, выбранной из титана, предварительно активируют ускоренными до энергии ~1 МэВ ионами гелия 3Не на глубину ~1÷10 мкм с образованием слоя ионов 3He толщиной около 1-10 мкм с максимальной концентрацией 3He порядка 1×1023 см-3.Additionally, in the method of initiating a nuclear fusion reaction, the frontal surface of a second target selected from titanium is preliminarily activated by helium 3 He ions accelerated to an energy of ~ 1 MeV to a depth of ~ 1 ÷ 10 μm to form a layer of 3 He ions with a thickness of about 1-10 μm with a maximum concentration 3 He of the order of 1 × 10 23 cm -3 .
Известно устройство для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем использования ускорения ионов в патенте Англии №1138212, заявленном 23.05.1966 г., МКИ H05h, H01j (H1D), в котором предложены источник и ускоритель ионов. Это устройство, предложенное в патенте Англии №1138212, по технической сущности близко к заявляемому устройству осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза и может быть выбрано в качестве первого аналога устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем ускорения ионов.A device is known for implementing a method for initiating a nuclear fusion reaction by using ion acceleration in England patent No. 1138212, filed May 23, 1966, MKI H05h, H01j (H1D), in which an ion source and accelerator are proposed. This device, proposed in England patent No. 1138212, is technically close to the claimed device for implementing the method of initiating a nuclear fusion reaction and can be selected as the first analogue of the device for implementing the method for initiating a nuclear fusion reaction by ion acceleration.
Первый аналог устройства осуществления способа в патенте Англии 1138212 содержит мишень из ионизируемого материала, расположенную на пути светового луча лазера. Луч света в патенте Англии №1138212 концентрируется специальным устройством с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Имеются электроды для извлечения нужных ионов из плазмы, созданной лазерным лучом, падающим на мишень. Электростатический ускоритель предназначен для образования электрического поля, ускоряющего ионы.The first analogue of the device for implementing the method in England patent 1138212 contains a target of ionizable material located in the path of the light beam of the laser. A ray of light in England patent No. 1138212 is concentrated by a special device to bombard the target surface with an energy sufficient to ionize the target material and produce a plasma. There are electrodes for extracting the desired ions from the plasma created by the laser beam incident on the target. An electrostatic accelerator is designed to form an electric field that accelerates ions.
Недостатками первого аналога устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза путем ускорения ионов являются его низкая эффективность для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.The disadvantages of the first analogue of the device for implementing the method of initiating a nuclear fusion reaction by accelerating ions are its low efficiency for initiating promising nuclear fusion reactions, as well as the complexity and cumbersomeness of the involved equipment for creating and implementing the method.
Известно другое устройство для осуществления способа инициирования перспективных реакций синтеза ядерных частиц путем ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, которое обеспечивает эффекты устройства для осуществления способа инициирования перспективных реакций синтеза по изобретению (патент РФ на изобретение №2449514 с приоритетом от 24.08.2010 г.) и может быть выбрано в качестве второго аналога и прототипа заявляемого изобретения с названием «Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления».There is another device for implementing a method for initiating promising reactions for the synthesis of nuclear particles by accelerating ions in the interaction of intense laser pulses with solid targets, which provides the effects of a device for implementing a method for initiating promising reactions for synthesis according to the invention (RF patent for the invention No. 2449514 with priority dated 08.24.2010 g) and can be selected as the second analogue and prototype of the claimed invention with the name "Method for initiating a nuclear reaction of synthe for and a device for its implementation. "
Устройство для осуществления способа инициирования перспективных ядерных частиц - прототип содержит расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность первой мишени, которая выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от первой мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм, при этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈1018-1020 Вт/см2, энергию Е в диапазоне Е≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне 100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈108÷1010, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми счетчиками и/или нейтронными счетчиками.A device for implementing a method for initiating promising nuclear particles - the prototype contains an energy concentrator located in a vacuum chamber, a target and a receiver of accelerated ions, and outside the chamber there is a pulsed laser with parameters of relativistic intensity I of ultrashort duration t and high contrast k, oriented through the concentrator to the front surface of the first target which is made of solid polyethylene deuterated (CD 2) n thickness in the range of 1 l 1 l ≈1 mm ÷ 10 mm, and a distance l from the first Ishenim ranging L≈10 mm ÷ 50 mm set second target of the same material thickness in the range of l 2 l 2 ≈100 mm ÷ 1 mm, wherein the pulse laser has a relativistic intensity I I≈10 in the range 18 -10 20 W / cm 2 , energy E in the range E≈10 J ÷ 500 J, ultrashort duration t in the range 100 fs ÷ 1 ps and contrast k in the range k≈10 8 ÷ 10 10 , and detectors with helium counters and / or neutron counters.
Недостатком второго аналога-прототипа устройства способа ускорения ионов является его неэффективность для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза с получением α-частиц (4Не) с энергией 3,67 МэВ и/или протонов p с энергией 14,67 МэВ.The disadvantage of the second analogue of the prototype of the ion acceleration method is its inefficiency for initiating promising nuclear fusion reactions to produce α particles ( 4 He) with an energy of 3.67 MeV and / or protons p with an energy of 14.67 MeV.
Задачей заявляемого изобретения является обеспечение технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза ядерных частиц дейтерия D и гелия-3 3Не с получением α-частиц (4He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.The task of the invention is to provide a technical result - the initiation of promising nuclear reactions for the synthesis of nuclear particles of deuterium D and helium-3 3 He to produce α-particles ( 4 He) with an energy of 3.67 MeV and protons p with an energy of 14.67 MeV.
В устройстве для осуществления способа инициирования перспективных ядерных реакций синтеза указанных частиц, содержащем расположенные в вакуумной камере концентратор энергии и две мишени, размещенные на расстоянии L друг от друга в диапазоне L≈10 мм÷50 мм, а также размещенного вне камеры импульсного лазера с параметрами релятивистской интенсивности I в диапазоне 1018÷1020 Вт/см2, энергией Е в диапазоне 10 Дж÷500 Дж, сверхкороткой длительностью t в диапазоне 100 фс÷1 пс и контрастностью излучения k в диапазоне 108÷1010. Первая мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне 1 мкм÷10 мкм, вторая мишень выполнена из титана толщиной ~500 мкм, фронтальная поверхность которой активирована ионами гелия 3He на глубину в диапазоне 1 мкм~10 мкм, а в зоне перед фронтальной поверхностью размещены детекторы, способные регистрировать α-частицы (4He) с энергией 3,67 МэВ и/или протоны p с энергией 14,67 МэВ для решения технической задачи обеспечения технического результата - инициирования перспективных ядерных реакций синтеза.In a device for implementing a method for initiating promising nuclear reactions for the synthesis of these particles, containing an energy concentrator located in a vacuum chamber and two targets located at a distance L from each other in the range L≈10 mm ÷ 50 mm, as well as a pulsed laser located outside the chamber with parameters relativistic intensity I in the
Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления иллюстрируются временной диаграммой различных типов фонового излучения, возникающих при усилении релятивистского сверхкороткого лазерного импульса, на фиг.1 и блок-схемой на фиг.2 устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза.The method for initiating a nuclear fusion reaction and a device for its implementation are illustrated by a time chart of various types of background radiation arising from amplification of a relativistic ultrashort laser pulse, in FIG. 1 and the flowchart in FIG. 2 of a device for implementing a method for initiating a nuclear fusion reaction.
Согласно фиг.1 на временной диаграмме различных типов фонового излучения представлены:According to figure 1 on the timing diagram of various types of background radiation are presented:
1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);1 - superluminescence (duration - hundreds of microseconds);
2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);2 - residual pulses of the master oscillator (repetition interval ~ 10 ns);
3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10-100 пс);3 - pulses arising from reflections from the surfaces of optical elements (10-100 ps);
4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10-100 пс);4 - residual pulses of the master laser, which made a complete round-trip through the resonator of the regenerative amplifier (10-100 ps);
5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).5 - prepulses resulting from distortion of the spectrum and incomplete compensation of the modulation phase of the amplified radiation (units of picoseconds).
На блок-схеме на фиг.2 устройства для осуществления способа инициирования ядерной реакции синтеза изображены:In the flowchart of figure 2 devices for implementing the method of initiating a nuclear fusion reaction are shown:
- импульсный лазер 6, выход которого ориентирован на концентратор;- a pulsed laser 6, the output of which is focused on the hub;
- лазерный луч 7 на выходе импульсного лазера, направленный через иллюминатор на концентратор;- a
- иллюминатор 8;-
- вакуумная камера 9 с установленными внутри камеры мишенями;- a
- фронтальная поверхность 10 первой мишени;-
- первая мишень из дейтерированного полиэтилена (CD2)n 11;- the first target of deuterated polyethylene (CD 2 ) n 11;
- тыльная поверхность 12 первой мишени;- the
- плазменное образование (ПО) 13 на тыльной поверхности мишени;- plasma formation (PO) 13 on the back surface of the target;
- тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 внутри ПО;- toroidal plasma current sheet (TPTS) 14 inside the software;
- вторая мишень 15 из титана внутри вакуумной камеры;- the
- концентратор энергии 16 внутри вакуумной камеры;-
- трековые детекторы CR-39 для регистрации α-частиц (4He) 17 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 10-50 мкм;- CR-39 track detectors for detecting α-particles ( 4 He) 17 with Al (aluminum) filters with a thickness of 10-50 microns;
- плазменный токовый слой (ТПТС) 18 в подлете ко второй мишени из титана;- plasma current sheet (TPTS) 18 in approach to the second target of titanium;
- активированный слой 19 ионов 3Не на приемной поверхности второй мишени из титана;- an activated layer of 19 ions of 3 He on the receiving surface of the second target of titanium;
- трековые детекторы CR-39 для регистрации протонов p 20 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 0,5-1 мм.- CR-39 track detectors for detecting
При функционировании устройства для осуществления способа ускорения ионов на тыльной поверхности 12 мишени формируется плазменное образование (ПО) 13, а внутри ПО 13 формируется тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) с включенными в него ионами дейтерия D (см. п.14 на фиг.2).When the device for implementing the method of ion acceleration is operating, a plasma formation (PO) 13 is formed on the
При этом между первой и второй мишенями показаны в плазменном токовом слое (ТПТС) ионы дейтерия D п.14, которые на этапе подлета ко второй мишени показаны как п.18.In this case, between the first and second targets, the deuterium D ions of
В поверхностном слое второй мишени 15 в результате взаимодействия ускоренных ионов дейтерия с внедренными в поверхностный слой второй мишени 15 ионами гелия инициируется перспективная ядерная реакция D+3He→4Не+р+18,3 МэВ с получением α-частиц (4He) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ.In the surface layer of the
При этом способ осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза в устройстве для его осуществления реализуется следующим образом.Moreover, the method for carrying out a promising nuclear fusion reaction in a device for its implementation is implemented as follows.
Согласно блок-схеме устройства для осуществления перспективной ядерной реакции на фиг.2 на входе вакуумной камеры 9 устанавливают импульсный лазер 6. Лазерный луч 7 на выходе лазера при его функционировании направляют через иллюминатор 8 и концентратор энергии 16 на фронтальную поверхность 10 мишени 11, установленной на координатной платформе (на блок-схеме не показана) в вакуумной камере 9. После откачки камеры приступают к работам по обеспечению контролируемого воздействия на фронтальную поверхность 10 мишени 11 луча лазера 7 релятивистской интенсивности. При этом формируют безпредымпульсный луч лазера релятивистской интенсивности в диапазоне ~1018 Вт/см2-1020 Вт/см2 сверхкороткой длительности ~1×10-12 с, который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени 10 и приступают к настройке импульсного лазера 6.According to a block diagram of a device for carrying out a promising nuclear reaction in FIG. 2, a pulsed laser 6 is installed at the input of the
При функционировании импульсного лазера 6 основной импульс релятивистской интенсивности на его выходе указан на фиг.1 с надписью около самого большого импульса. Существуют несколько причин возникновения фонового излучения при функционировании импульсного лазера, по-разному проявляющегося на разных временных интервалах функционирования импульсного лазера.When operating a pulsed laser 6, the main pulse of relativistic intensity at its output is indicated in figure 1 with an inscription near the largest pulse. There are several reasons for the occurrence of background radiation during the operation of a pulsed laser, which manifests itself differently at different time intervals of the operation of a pulsed laser.
Наиболее типичные случаи фонового излучения изображены на фиг.1:The most typical cases of background radiation are depicted in figure 1:
1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);1 - superluminescence (duration - hundreds of microseconds);
2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);2 - residual pulses of the master oscillator (repetition interval ~ 10 ns);
3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10 пс-100 пс);3 - pulses arising from reflections from the surfaces of optical elements (10 ps-100 ps);
4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10 пс-100 пс);4 - residual pulses of the master laser, which made a complete round-trip through the resonator of the regenerative amplifier (10 ps-100 ps);
5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).5 - prepulses resulting from distortion of the spectrum and incomplete compensation of the modulation phase of the amplified radiation (units of picoseconds).
В микросекундном диапазоне основным источником шумов является суперлюминесценция в активной среде усилительных каскадов. Для типичных твердотельных активных сред, таких как неодимовое стекло или сапфир с титаном, мощность усиленного спонтанного излучения обычно не превышает нескольких сотен ватт. Оно имеет высокую угловую расходимость и достаточно эффективно подавляется пространственными фильтрами.In the microsecond range, the main source of noise is superluminescence in the active medium of amplification stages. For typical solid state active media, such as neodymium glass or sapphire with titanium, the power of amplified spontaneous emission usually does not exceed several hundred watts. It has a high angular divergence and is quite effectively suppressed by spatial filters.
Шумовое излучение другого типа связано с периодическим характером генерации сверхкороткого импульса и его последующего усиления в регенеративном усилителе (РУ). Внутрирезонаторное излучение твердотельных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, как правило, представляет собой цуг импульсов, следующих с интервалом ~10 нс. При выделении одиночного импульса в результате конечного пропускания электрооптического затвора и других элементов оптической селекции возможно неполное подавление соседних импульсов цуга. На выходе из РУ могут возникнуть аналогичные остаточные импульсы с периодом следования, кратным времени обхода излучением резонатора усилителя.Another type of noise radiation is associated with the periodic nature of the generation of an ultrashort pulse and its subsequent amplification in a regenerative amplifier (RU). The intracavity radiation of solid-state lasers generating ultrashort pulses, as a rule, is a train of pulses following with an interval of ~ 10 ns. When a single pulse is allocated as a result of the finite transmission of an electro-optical shutter and other elements of optical selection, incomplete suppression of neighboring train pulses is possible. At the exit from the switchgear, similar residual pulses may arise with a repetition period that is a multiple of the time by which radiation passes through the amplifier cavity.
Помимо импульсов, следующих с наносекундным временным интервалом, могут возникнуть импульсы с интервалом следования в единицы и десятки пикосекунд, в частности, в результате отражения от поверхностей оптических элементов. Существует и другая возможность появления фонового излучения в этом интервале - в результате усиления не полностью подавленных импульсов цуга задающего генератора, опережающих основной импульс. При включении добротности РУ к моменту прихода выделенного импульса большой интенсивности предшествующий остаточный импульс цуга успевает совершить полный обход резонатора РУ и начинает эффективно усиливаться вместе с основным импульсом. Временной интервал между основным и остаточным импульсами указанного типа определяется рассогласованием длин резонаторов генератора и усилителя. Поскольку резонаторы РУ и задающего лазера имеют близкие длины, характерные времена следования таких импульсов находятся в диапазоне десятков пикосекунд.In addition to pulses following a nanosecond time interval, pulses can occur with a repetition interval of units and tens of picoseconds, in particular, as a result of reflection from the surfaces of optical elements. There is another possibility of the appearance of background radiation in this interval - as a result of amplification of incompletely suppressed pulses of a train of a master oscillator, ahead of the main pulse. When the Q factor of Q is turned on at the moment of arrival of a high-intensity pulse, the preceding residual pulse of the train manages to complete a complete round-trip of the RU resonator and starts to amplify along with the main pulse. The time interval between the main and residual pulses of this type is determined by the mismatch of the lengths of the resonators of the generator and amplifier. Since the resonators of the switchgear and the master laser have similar lengths, the characteristic repetition times of such pulses are in the range of tens of picoseconds.
Ухудшение контраста излучения может происходить также в результате искажения спектра и самомодуляции излучения в процессе усиления. Для подавления самовоздействия обычно используется режим усиления линейно-чирпированного импульса, получаемого из исходного спектрально-ограниченного импульса путем принудительной квадратичной модуляции фазы излучения с помощью стретчера, обеспечивающего линейную положительную дисперсию. Однако даже в этом случае при достижении достаточно большой мощности импульс может приобрести дополнительный чирп в процессе усиления. Если приобретаемый чирп имеет нелинейный характер, полностью компенсировать его компрессором на дифракционных решетках, обеспечивающих отрицательную линейную дисперсию групповой скорости, не удается. Модуляция спектра и неполная компенсация нелинейного чирпа могут привести к появлению импульса-предвестника, опережающего основной импульс на времена, сравнимые с длительностью последнего.A decrease in the contrast of radiation can also occur as a result of distortion of the spectrum and self-modulation of the radiation during amplification. To suppress self-action, a linearly chirped pulse amplification mode is usually used, obtained from the initial spectrally-limited pulse by forced quadratic modulation of the radiation phase using a stretcher that provides linear positive dispersion. However, even in this case, when a sufficiently large power is reached, the pulse can acquire an additional chirp in the amplification process. If the acquired chirp is nonlinear in nature, it is not possible to completely compensate for it with a compressor on diffraction gratings providing a negative linear dispersion of the group velocity. Spectrum modulation and incomplete compensation of a nonlinear chirp can lead to the appearance of a precursor pulse ahead of the main pulse by times comparable to the duration of the latter.
Для того чтобы повысить контраст и свести к минимуму влияние шумового излучения, необходимо обеспечить надежный контроль временных и энергетических характеристик излучения в большом динамическом диапазоне. Измерения параметров фонового излучения в микро- и наносекундном временных диапазонах осуществляются обычными средствами лазерной фотометрии (с помощью быстродействующих фотоприемников и скоростных осциллографов). Для контроля формы сверхкороткого импульса на интервалах, сравнимых с его длительностью, разработаны достаточно эффективные методики с использованием нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков, основанные на измерении динамических спектрограмм автокорреляционной функции излучения. Такие методы позволяют довольно точно восстановить временную форму исследуемого пико- или фемтосекундного импульса.In order to increase contrast and minimize the effect of noise radiation, it is necessary to provide reliable control of the temporal and energy characteristics of radiation in a large dynamic range. Measurements of background radiation parameters in the micro- and nanosecond time ranges are carried out by conventional laser photometry (using high-speed photodetectors and high-speed oscilloscopes). To control the shape of an ultrashort pulse at intervals comparable to its duration, sufficiently effective methods have been developed using nonlinear optical processes of the second and third orders based on measuring dynamic spectrograms of the autocorrelation function of radiation. Such methods make it possible to fairly accurately reconstruct the temporal shape of the investigated pico- or femtosecond pulse.
Наибольшую сложность представляют измерения характеристик импульсов фонового излучения, имеющих промежуточную задержку в десятки и сотни пикосекунд. Для прямой регистрации таких импульсов быстродействия и динамического диапазона существующих электронных устройств, как правило, недостаточно. Нелинейно-оптические методы измерений позволяют, в принципе, решить указанную задачу, но слишком сложны для оперативного контроля параметров излучения непосредственно в ходе эксперимента, в частности для измерений во временном интервале ~100 пс за одну лазерную вспышку (что особенно актуально для систем с низкой частотой повторения). Более подробно разработка и экспериментальная реализация достаточно простого и эффективного метода диагностики при контроле выходных параметров мощных пикосекундных лазерных комплексов в субнаносекундном временном диапазоне приведена в работе авторов изобретения B.C. Беляева, А.П. Матафонова и др. «Измерение параметров излучения сверхкороткой длительности методом спектральной интерферометрии чирпированных импульсов» // Квантовая электроника, 2000, т.30, №3, с.229. В методе, основанном на применении спектральной интерферометрии чирпированных импульсов, используется тот факт, что в пико- и фемтосекундных лазерных системах для снижения влияния самовоздействия применяется усиление чирпированных импульсов, получаемых из спектрально-ограниченного исходного импульса путем его принудительного удлинения до ~0.5 нс в дисперсионном стретчере. Измерение спектрального состава излучения с интерферометрической точностью непосредственно на выходе усилительных каскадов позволяет получить информацию о контрасте и временной задержке фоновых импульсов, которых можно ожидать после компенсации фазовой модуляции при прохождении временного компрессора.The greatest difficulty is the measurement of the characteristics of background radiation pulses having an intermediate delay of tens or hundreds of picoseconds. For direct registration of such speed pulses and the dynamic range of existing electronic devices, as a rule, it is not enough. Nonlinear optical measurement methods allow, in principle, solving the indicated problem, but are too complicated for the operational control of radiation parameters directly during the experiment, in particular for measurements in the time interval of ~ 100 ps per laser flash (which is especially important for systems with a low frequency repetition). In more detail, the development and experimental implementation of a fairly simple and effective diagnostic method for monitoring the output parameters of high-power picosecond laser complexes in the subnanosecond time range is given in the work of the inventors B.C. Belyaev, A.P. Matafonova et al. “Measurement of ultrashort duration radiation parameters by the method of spectral interferometry of chirped pulses” // Quantum Electronics, 2000, v.30, No. 3, p.229. The method based on the use of spectral interferometry of chirped pulses uses the fact that in picosecond and femtosecond laser systems, to reduce the influence of self-action, amplification of chirped pulses obtained from a spectrally-limited initial pulse by forcing it to elongate to ~ 0.5 ns in a dispersion stretcher is used . Measurement of the spectral composition of the radiation with interferometric accuracy directly at the output of the amplifier stages provides information on the contrast and time delay of the background pulses, which can be expected after phase modulation is compensated by passing the time compressor.
Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза (см. фиг.2) D+3He→4Не+р+18,3 МэВ при столкновении ускоренных ионов дейтерия D (см. п.18) и содержащихся во второй мишени 15 ионов 3He (см. п.19) для получения энергии релятивистского лазерного излучения с интенсивностью (~1018 Вт/см2-1020 Вт/см2) сверхкороткой длительности t в диапазоне ~1×10-12 с с получением α-частиц (4Не) с энергией 3,67 МэВ и протонов p с энергией 14,67 МэВ судят по показаниям установленных в зоне между первой и второй мишенями детекторов: детектор 17 на основе трековых детекторов типа CR-39 с Al фильтрами с толщиной 10÷50 мкм для регистрации α-частиц (4Не) с энергией 3,67 МэВ и детектор 20 типа CR-39 с Al фильтрами толщиной 0,5÷1 мм для регистрации протонов p с энергией 14,67 МэВ (см. на фиг.2 трековые детекторы CR-39 для регистрации протонов p 20 с Al (алюминиевыми) фильтрами толщиной 0,5-1 мм и трековые детекторы CR-39 для регистрации α-частиц 17 с Al фильтрами толщиной 10-50 мкм).On the implementation of future nuclear fusion reaction (see FIG. 2) D + He → 3 4 He + p + 18.3 MeV collide with the accelerated deuterium ions D (cm. Claim 18) and contained in a
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114678/07A RU2534507C1 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013114678/07A RU2534507C1 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013114678A RU2013114678A (en) | 2014-10-10 |
RU2534507C1 true RU2534507C1 (en) | 2014-11-27 |
Family
ID=53379799
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013114678/07A RU2534507C1 (en) | 2013-04-01 | 2013-04-01 | Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2534507C1 (en) |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4692627A (en) * | 1985-10-01 | 1987-09-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Ion beam generator |
RU2364979C1 (en) * | 2007-11-20 | 2009-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of ions acceleration and device for its realization |
RU2449514C1 (en) * | 2010-08-24 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of accelerating ions and apparatus for realising said method |
-
2013
- 2013-04-01 RU RU2013114678/07A patent/RU2534507C1/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4692627A (en) * | 1985-10-01 | 1987-09-08 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Ion beam generator |
RU2364979C1 (en) * | 2007-11-20 | 2009-08-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of ions acceleration and device for its realization |
RU2449514C1 (en) * | 2010-08-24 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Method of accelerating ions and apparatus for realising said method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013114678A (en) | 2014-10-10 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Maksimchuk et al. | Forward ion acceleration in thin films driven by a high-intensity laser | |
Ackermann et al. | Generation of Coherent 19-and 38-nm Radiation at a Free-Electron Laser<? format?> Directly Seeded at 38 nm | |
Zeil et al. | The scaling of proton energies in ultrashort pulse laser plasma acceleration | |
Mikhailova et al. | Isolated attosecond pulses from laser-driven synchrotron radiation | |
Pfotenhauer et al. | A cascaded laser acceleration scheme for the generation of spectrally controlled proton beams | |
KR20090035617A (en) | A method for generating a pulsed flux of energetic particles, and a particle source operating accordingly | |
Zhao et al. | High-flux femtosecond x-ray emission from controlled generation of annular electron beams in a laser wakefield accelerator | |
Baumann et al. | Influence of e− e+ creation on the radiative trapping in ultraintense fields of colliding laser pulses | |
Chen et al. | Perspectives on relativistic electron–positron pair plasma experiments of astrophysical relevance using high-power lasers | |
Curtis et al. | Ion acceleration and DD fusion neutron generation in relativistically transparent deuterated nanowire arrays | |
Nickles et al. | Review of ultrafast ion acceleration experiments in laser plasma at Max Born Institute | |
Lazzarini et al. | 50 MeV electron beams accelerated by a terawatt scalable kHz laser | |
Kienberger et al. | Sub-femtosecond X-ray pulse generation and measurement | |
RU2449514C1 (en) | Method of accelerating ions and apparatus for realising said method | |
RU2534507C1 (en) | Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor | |
RU2364979C1 (en) | Method of ions acceleration and device for its realization | |
Zhang et al. | High-order harmonic generation in an electron-positron-ion plasma | |
Uggerhøj | Relativistic ps− and ps | |
Zgadzaj et al. | Plasma electron acceleration driven by a long-wave-infrared laser | |
Zhavoronkov et al. | Sub-femtosecond hard X-ray radiation generated by electron bunches ejected from water jet | |
Ivanov et al. | Novel photonuclear techniques based on femtosecond lasers | |
Zhao | Control of Synchrotron X-ray Emission from Laser Wakefield Accelerators. | |
Brovko et al. | Diagnostic technique applied for FEL electron bunches | |
Bagchi et al. | Micrometer-sized negative-ion accelerator based on ultrashort laser pulse interaction with transparent solids | |
Kamperidis et al. | Self-modulated wakefield acceleration in a centimetre self-guiding channel |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PD4A | Correction of name of patent owner |