Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом

• Автор: Урюпина, Дарья Сергеевна
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 119 с. : ил.

ГЛАВА 1 Приповерхностная плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом умеренной интенсивности как источник ионов. Оценка параметров электронной
составляющей плазмы на основе времяпролетных измерений ионных токов
§1.1 Основные свойства электронов и ионов в плазме, формируемой фемтосекундным лазерным импульсом
1.1.1 Поглощение энергии лазерного импульса и нагрев электронов в плазме
1.1.2 Ионизация и заряд ионов в плазме
1.1.3 Ускорение ионов в лазерной плазме
§1.2 Экспериментальные методики исследования ионных токов плазмы
§1.3 Ускорение ионов амбиполярным полем на границе плазма-вакуум. Возможность построения аналитической зависимости для времяпролётного сигнала ионов
1.3.1 «Изотермическая» модель разлета ионов
1.3.2. Численное решение задачи гидродинамического разлета плазмы в вакуум: причины появления ионов с бесконечно большой энергией
1.3.3 «Адиабатическая» модель разлета ионов
§ 1.4 Выводы к главе
ГЛАВА 2 Ускорение и ионизация ионов в плазме, формируемой на поверхности
твердотельной очищенной мишени
§2.1 Особенности эксперимента, проводимого с использованием очищенной мишени
2.1.1 Краткое описание лазерной системы на красителе, проблема контраста в лазерной системе на красителе
2.1.2 Оценки времени нагрева и остывания мишени, и времени восстановления загрязняющего слоя после воздействия очищающего лазерного импульса
2.1.3 Описание экспериментальной установки
§2.2 Увеличение энергии и заряда ионов основного вещества мишени в плазме, формируемой фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельной мишени с очищенной поверхностью
2.2.1 Сравнение параметров фемтосекундной лазерной плазмы, формируемой на грязной и на чистой мишенях
2.2.2 Результаты эксперимента с кремниевой мишенью
2.2.3 Результаты эксперимента с вольфрамовой мишенью
2.2.4 Амплитудные модуляции в энергетических спектрах легких ионов

§2.3 Формирование плазмы и рекомбинация в разлетающейся плазме. Сравнение с
результатами численного моделирования
§2.4 Влияние амбиполярного поля на ионизацию на резкой границе плазма-вакуум
§2.5 Основные результаты главы
ГЛАВА 3 Возможности мишеней в жидкой фазе для создания плазменного ионного и
рентгеновского источника с высокой частотой повторения импульсов
§3.1 Подбор жидкости, используемой в качестве мишени в экспериментах с плазмой

§3.2 Твердотельная лазерная плазма, формируемая на поверхности вакуумного масла ВМ-1, фемтосекундным лазерным импульсом: рентгеновское излучение и ионные токи
3.2.1 Схема эксперимента
3.2.2 Результаты рентгеновской диагностики плазмы. Сравнение с твердотельной мишенью
3.2.3 Результаты времяпролетных измерений ионных токов плазмы. Сравнение с твердотельной мишенью
3.2.4 Оптическая диагностика поверхности жидкости после воздействия фемтосекундного лазерного импульса
§3.3 Источник рентгеновского излучения из плазмы, сформированной на поверхности
галлия в жидком состоянии
3.3.1 Схема эксперимента
3.3.2. Результаты эксперимента. Возможность создания плазменного источника
излучений и ионов с 10 Гц частотой повторения импульсов
§3.4 Основные результаты главы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ. Оценка средней энергии горячих электронов в плазме по выходу
жёсткого рентгеновского излучения
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Актуальность темы
Плазма, формируемая на поверхности твердотельной мишени мощным фемтосекундным лазерным импульсом (ФЛИ) с высоким контрастом, является уникальным источником быстрых ионов [1,2,3,4,5,6]. Основной интерес в изучении ионных токов плазмы связан с возможностью создания пучков ионов, которые могли бы использоваться в задачах имплантации ионов [7], напыления тонких пленок, для быстрого инициирования ядерной реакции в плазме [8,9,10], в медицинских целях (например, для протонной терапии раковых опухолей) [11] и т.д. Кроме того, исследуя ионные токи, можно получить информацию о параметрах сформированной плазмы (например, можно оценить среднюю энергию электронов в плазме, заряд ионов и пр.) [12,13,14,15].
По мере развития лазерной техники длительность лазерного импульса уменьшалась, что приводило к повышению интенсивности лазерного импульса. Изменение параметров лазерного импульса существенным образом влияет на свойства формируемой плазмы и, в конечном счете, на ионный ток плазмы. При воздействии наносекундных и пикосекундных импульсов с интенсивностью до 10|4-1015 Вт/см2 за время действия лазерного импульса успевает сформироваться равновесная плазма, электроны которой обладают максвелловским распределением по скоростям. Ускорение ионов в такой плазме происходит благодаря амбиполярному полю, формирующемуся на границе плазма-вакуум между электронами и ионами. При этом, электроны набирают энергию в результате столкновительного механизма поглощения лазерного импульса и разлетаются из плазмы в широкий телесный угол. Пространственное распределение ионов тоже оказывается очень широким. С увеличением интенсивности лазерного импульса от 1015 Вт/см2 появляются дополнительные эффекты, приводящие к изменениям в энергетическом спектре ионов. В первую очередь, это связано с генерацией горячих электронов в плазме. Горячие электроны ускоряются непосредственно самим полем лазерного импульса и формируются в поверхностном слое плазмы [16]. Основные механизмы генерации горячих электронов это: резонансное поглощение, вакуумный нагрев, пондеромоторное ускорение и т.д. Ускорение горячих электронов происходит в направлении нормали к поверхности мишени, поэтому они вылетают из плазмы в одном направлении и телесный угол их разлета значительно ужё, чем при столкновительном нагреве. Ионы, ускоряясь такими электронами, также разлетаются в узкий телесный угол преимущественно по нормали к поверхности мишени.
В то же время, модификация физических свойств поверхности мишени позволяет управлять атомным и ионным составом разлетающейся плазмы. Известно, что даже на
мишени и для мишени, не подвергнутой предварительной очистке, говорит о том, что очистка мишени не приводит к значительным изменениям в механизмах формирования горячих электронов плазмы. Мишень остается достаточно ровной, на ней не образуется каких-либо периодических структур, не происходит образования глубокого кратера, то есть, поверхность мишени остается в фокусе объектива. Также не формируется газового облака над поверхностью мишени, могущего препятствовать доставке фемтосекундного импульса на мишень из-за эффектов самовоздействия и самофокусировки и пр.
2.2.2 Результаты эксперимента с кремниевой мишенью

5 1, мкс
Рис. 2.7 Типичные ионные токи из плазмы кремния, зарегистрированные при различных значениях энергии иона на единицу заряда (а, б,в) - очищенная мишень, (г) - неочищенная мишень, (а) - Еюп/2=1.7 кэВ, (б,г) - Ею^2=5 кэВ, (в) - ЕюУ1=13.3 кэВ.
На рисунке 2.7 представлены типичные ионные токи, получаемые с помощью электростатического спектрометра, при использовании очищенной мишени (рис. (а,б,в)) и при использовании мишени с неочищенной поверхностью (г). Хорошо видно, что в случае неочищенной мишени в ионном токе преобладают протоны, ионы кислорода и ионы углерода. Сигнал, соответствующий ионам кремния, относительно мал. При этом максимальный заряд ионов кремния, зарегистрированный в эксперименте, достигает только 4+. В случае использования очищенной мишени наблюдаются значительные отличия. Во-первых, ионный ток практически не содержит ионов примесей. Протонный