Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом : Роль примесного слоя

• Автор: Лачко, Илья Михайлович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 135 с. : ил.

Глава 1. ПЛАЗМА ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА. ОБЗОР МЕТОДОВ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ФЛП

1.1 Формирование лазерной плазмы при воздействии импульса субрелятивистской

интенсивности на поверхность твердотельных мишеней

1.2 Ионизация и ускорение ионов в лазерной плазме формируемой сверхинтенсивным фемтосекундным импульсом. Параметры ионных токов из ФЛП14

1.3 Методы корпускулярной диагностики ионного тока из ФЛП

1.3.1 Ионная времяпролетная диагностика

1.3.2 Ионная масс-спектрометрическая диагностика

1.3.3 Детектор частиц на основе микроканальных пластин

1.4 Требования, предъявляемые к анализатору ориентированного на диагностику

частиц плазмы фемтосекундного импульса субрелятивистской интенсивности

Основные результаты Г лавы 1:

Глава 2. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
2.1 Схема экспериментальной установки
2.2 Времяпролетный масс-спектрометр электростатического поля
2.2.1 Численный расчет масс-спектрометра электростатического поля
2.2.2 Пакет программного обеспечения для анализа времяпролетных спектров
регистрируемых масс-спектрометром
2.3 Калибровка масс-спектрометра электростатического поля
2.3.1 Градуирование энергетической шкалы спектрометра с использованием
квазимонохроматического источника
2.3.2 Определение чувствительности детектора ВЭУ-7 к частицам различных
энергий (Градуирование шкалы чувствительности)
2.3.3 Взаимная градуировка коэффициента усиления сигнала детектора ВЭУ-7 и
напряжения его питания
2.4 Масс-спектроскопическая диагностика электронного тока из ФЛП
2.4.1 Диагностика электронного тока из плазмы
2.4.2 Обсуждение результатов: Сравнение данных прямой диагностики электронного тока из плазмы с результатами её рентгеновской диагностики

2.4.3 Диагностика электронного тока плазмы, формируемой в модифицированных условиях эксперимента (случаи: {1} низкого энергетического контраста и {2}
большого угла падения излучения на мишень)
Основные результаты Главы 2:
Глава 3. ДИАГНОСТИКА ИОНОВ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СОДЕРЖАЩЕЙ ПРИМЕСНЫЙ СЛОЙ
3.1 Диагностика ионного тока ФЛП. Плазма, формируемая импульсом с I ~ 1016
Вт/см2 на поверхности твердотельных мишеней Б!, Ге, И, БКОР
3.1.1 Регистрация массового и зарядового спектров ионов плазмы: Обнаружение примесных ионов в фемтосекундной лазерной плазме
3.1.2 Регистрация энергетических спектров ионов плазмы
3.2 Обнаружение отрицательных ионов в высокотемпературной ФЛП
Основные Результаты Главы 3:
Глава 4. ИМПУЛЬСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА МИШЕНИ: ДИАГНОСТИКА ИОНОВ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ НА ОЧИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ
4.1 Влияние поверхностного примесного слоя на процесс формирования ФЛП. Методика отчистки поверхности мишени
4.1.1 Схема эксперимента по импульсной лазерной очистке ми шени
4.1.2 Результаты экспериментов по импульсной лазерной очистке мишени
4.2 Управление параметрами ионных токов из ФЛП посредством выбора параметров импульсной лазерной очистки
4.2.1 Схема эксперимента
4.2.2 Результаты эксперимента по исследованию возможности управления
параметрами ионного тока ФЛП
Основные результаты Главы 4:
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
Определение чувствительности детектора ВЭУ-7 в зависимости от приложенного к
нему напряжения питания
БЛАГОДАРНОСТИ
ЛИТЕРАТУРА

Актуальность темы:
Последние два десятилетия ознаменовались бурным развитием техники построения мощных лазерных систем, способных генерировать сверхкороткие импульсы с длительностью 30-300 фс1 и энергией до единиц Джоулей [1, 2, 3, 4, 5]. Во многом, толчком к такому развитию послужило проектирование принципиально новой архитектуры лазерных систем, в основе которых лежало усиление чирпированных импульсов, предложенное в 1985 году Стриклендом и Мороу [6]. Жесткая фокусировка излучения подобных систем с тераватным уровнем мощности позволяет достигать интенсивностей световых полей в перетяжке объектива на уровне 1017 Вт/см2 и выше. Это обстоятельство вызвало существенный научно-исследовательский интерес к вопросу взаимодействия столь интенсивных световых полей с веществом (и особенно с веществом находящимся в конденсированном состоянии), поскольку такое излучение характеризуется сверхсильной напряженностью электромагнитного поля, сравнимой или превышающей внутриатомное кулоновское поле в атоме водорода2.
Лазерная плазма, формируемая при взаимодействии столь интенсивного излучения с твердотельным веществом [7,8,9,10,11,12], принципиально отличается по своим характеристикам и возможным приложениям от плазмы, формируемой настолько же энер-гетичными (~1Дж), однако менее интенсивными импульсами наносекундной длительности, которая уже была широко исследована в 60‘х-70'х годах прошлого столетия [13, 14]. В частности, такие уникальные характеристики фемтосекундной лазерной плазмы как высокая ионная плотность (близкая к твердотельной), а также высокая кратность ионииза-ции (соответствующая температуре порядка 1 кэВ), стимулировали проведение исследований в различных областях науки и техники, таких как: физика лазерного термоядерного синтеза [15,16, 17, 18,19], инициирование реакций внутриядерных переходов [20,21], создание новых типов сверхинтенсивных импульсных источников (ионов, электронов, электромагнитного излучения в области спектра, соответствующего как вакуумному ультрафиолетовому3, так и рентгеновскому диапазонам) [22,23] и т.п. Весомое слово в исследовательском прогрессе физики высокотемпературной лазерной плазмы сказало сокращение размеров лазерных комплексов до масштабов, так называемых, настольных систем.
К появлению уникальных энергетических характеристик лазерной плазмы приводят, в свою очередь, уникальные физические процессы, сопровождающие поглощение лазерной энергии веществом, не наблюдаемые при меньших интенсивностях светового поля. Так, уже при интенсивностях на уровне 1016-1017Вт/см2 классические (столкновительные) механизмы поглощения световой энергии, ответственные в первую очередь за форми1 -1 фс = 10'15 с. Таким образом, длительность лазерного импульса может составлять всего лишь несколько единиц-десятков периодов световой волны.
2 - Напряженность внутриатомного поля в атоме водорода составляет ~5-109В/см и соответствует интенсивности I = сЕ2/8тс ~ 3.4-1016 Вт/см2.
3 - Вакуумное ультрафиолетовое излучение (“Vacuum UV”) или так называемый “далекий ультрафиолет”
область длин волн в диапазоне 200 - 10 нм.

Здесь Ъ - безразмерный заряд частицы, выраженный в единицах заряда электрона (е = 1.602-10'19 к), Е - энергия частицы, выраженная в единицах Дж, а к' = е/(2-1п(Н.1/Кг)) -постоянная величина, определяемая исключительно геометрией пластин конденсатора. В случае перехода от размерности [Дж] к более удобной размерности [эВ], величина к1 численно окажется равной:
* = 1/(21П(Д,/Д2)) 2
и будет при этом иметь размерность [эВ/В].
Одним из следствий формулы 2.6 является линейность энергии, на которую окажется настроен спектрометр в зависимости от величины прикладываемого напряжения на его отклоняющую систему. Таким образом, физический смысл параметра к состоит в том, что разность потенциалов в 1 кВ на обкладках конденсатора обеспечивает регистрацию единично заряженных частиц с энергией в к кВ. Впоследствии величину к будем называть энергетическим параметром спектрометра.
Радиусы обкладок конденсатора измеренные с точностью до ± 1 мм равны 76 и 84 мм для III и Кг соответственно. С учетом этих величин, значение энергетического параметра спектрометра к, вычисленное по формуле 2.6 составляет:
к = 5 ± 1 эВ/В. 2
Здесь указанная ошибка целиком определяется погрешностью измерения радиуса кривизны конденсатора. На основе полученного значения параметра к, значения наибольшего допустимого напряжения на отклоняющей системе спектрометра (11 кВ= 4кВ + 7 кВ), а также с учетом формулы 2.6 может быть оценена максимальная энергия регистрируемых ионов. Так для однократно заряженных ионов, а также электронов искомое значение составляет Е^а* = 55 ±10 кэВ, для ионов с зарядом 2+ ожидаемый энергетический предел сверху равен Егшах = 110 ±20 кэВ и т.д.
Другой важной характеристикой масс-спектрометра является значение его разрешающей способности. Принято выделять две величины: разрешающую способность по энергиям - ге, а также по массе - гт. Применительно ко многим масс-спектрометрам, главной задачей которых является массовый анализ, чаще используется именно величина гт. Напротив, в случае времяпролетного спектрометра ориентированного на диагностику кратковременного ионного потока из лазерной плазмы большую роль имеет величина ге.
Разрешающей способностью спектрометра по массе - гт называется: отношение массы иона к ширине пика, который он формирует на массовом спектре. При этом ширину пика принято выражать в величинах а.е.м. Аналогичное определение может быть дано для величины разрешающей способности времяпролетного спектрометра по энергиям - ге: Отношение средней энергии регистрируемых ионов Е к ширине распределения энергетического спектра ДЕ одновременно регистрируемых ионов.
Точный аналитический расчет искомых величин (ге, гт) на основании известной геометрии анализатора достаточно сложен, поскольку принуждает учитывать не только различия в энергиях частиц, но и расхождения в величине “прицельного параметра”, а также в различиях угла между их траекторией и нормалью к входному окну спектрометра.