Вторичные процессы под действием потока частиц и рентгеновского излучения из плазмы фемтосекундного лазерного импульса : внутренняя электронная конверсия, оже-процессы и глубоко неупругий удар

• Автор: Головин, Григорий Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. Диагностика плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной

интенсивности

§1.1 Картина взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности с поверхностью твердотельной мишени

1.1.1. Формирование «теплового» электронного компонента плазмы

1.1.2. Формирование «горячего» электронного компонента плазмы

1.1.3. Генерация рентгеновского излучения

1.1.4. Ускорение ионов

§ 1.2 Экспериментальная установка

1.2.1. Обзор экспериментальной установки

1.2.2. Лазерная система на ТпЗаррЫге
1.2.3. Диагностика лазерного излучения
1.2.4. Электростатический спектрометр
1.2.5. Обзор программной части экспериментальной установки
§ 1.3 Оценка температуры рентгеновского излучения плазмы
§1.4 Определение эффективности преобразования лазерной энергии в энергию
рентгеновского излучения
§ 1.5 Измерение температуры «горячего» электронного компонента
§1.6 Измерение ионных спектров
Выводы к Главе I
ГЛАВА 11. Эффективность возбуждения низколежащих ядериых уровней и
определение характеристик продуктов их релаксации
§2.1 История экспериментов по возбуждению низкоэнергетических ядериых
состояний в плазме лазерного импульса
§2.2 Механизмы возбуждения ядер
2.5.1. Фотовозбуждение
2.5.2. Возбуждение через обратную внутреннюю электронную конверсию
2.5.3. Возбуждение через переходы на атомных оболочках
2.5.4. Возбуждение неупругим электронным ударом
2.5.5. Сводка рассчитанного количества возбужденных ядер
§2.3 Каналы распада возбужденных ядериых состояний
§2.4 Расчет спектров конверсионных электронов

Выводы к Главе II
ГЛАВА III. Возбуждение низколсжащих ядсрных уровней на внешней мишени, инициированное при помощи плазмы фемтосекундного лазерного импульса
умеренной интенсивности
§3.1 Обзор экспериментальной установки
§3.2 Методика обработки результатов по регистрации конверсионных
электронов
§3.3 Статистический анализ результатов
§3.4 Регистрация энергетических спектров вторичных электронов, выбитых ионным излучением плазмы ФЛИ
3.4.1. Анализ электронных токов
3.4.2. Существенно неупругая ударная ионизация внутренних оболочек
3.4.3. Оже-процессы
3.4.4. Сопоставление с результатами эксперимента по прямой регистрации
отрицательных частиц из плазмы
§3.5 Регистрация энергетических спектров вторичных электронов, выбитых рентгеновским и электронным излучением плазмы ФЛИ
3.5.1. Рентгеновское и электронное излучения вместе
3.5.2. Только рентгеновское излучение
§3.6 Сопоставление методик регистрации вторичных электронов с
использованием и без использования внешней мишени
Выводы к Главе III
РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Расчет характеристик электростатического спект ромет ра
Приложение 2. Юстировка «плазменной» мишени
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Прогресс в области лазерных технологий в последние десятилетия (в частности, появление технологии усиления чирпированных импульсов [1]) привел к тому, что исследователям стали доступны сверхмощные лазерные системы «настольного» типа, способные генерировать.импульсы с энергией до нескольких десятков Дж и длительностью вплоть до десяти (])с. При фокусировке интенсивность такого излучения достигаєI 1022 Вт/см2 [2], а соответствующая напряженность поля значительно превосходит внутриатомную (~109 В/см). Значительная доля энергии лазерного импульса в этом режиме тратится на ускорение электронов вещества, способных достигать энергий в 1 ГэВ. В свою очередь, существование таких электронов приводит к ускорению протонов, нейтронов и тяжелых ионов, а также к генерации рентгеновских квантов с энергиями, сопоставимыми с предельными для современных ускорителей [3]. При этом характерный масштаб ускоряющего градиента для лазерно-пламенных установок более чем в 1000 раз превышает таковой для традиционных ускорителей, что приводит к соответствующему уменьшению конечного размера установок и сопряженных с экспериментами затрат.
Таким образом, плазма сверхмощного фемтосекундного лазерного импульса (плазма ФЛИ) является крайне привлекательным инструментом во множестве задач ядер-пой физики: лазерный термоядерный синтез [4-6] (в том числе быстрый поджиг [7-10]). инициирование ядерных реакций 111-17], разделение изотопов [18; 19], создание инверсной населенности на ядерных переходах [11; 20-22]. Как импульсный источник рентгеновского, электронного и ионного излучений высокой яркости, такая плазма может применяться для диагностики быстропротекающих процессов рентгеновскими методами [23-27], фемтосекундной рентгеновской кристаллографии [28], рентгеновской и ВУФ лию-графии (29; 30], получения изображений в рентгеновском диапазоне для медицины и материаловедения [31; 32], ионной имплантации [33; 34], импульсной нейтронной диагностики [35], протонной терапии [36-38].
В области не рекордных, но зато коммерчески широко освоенных умеренных интенсивностей (1015-1017 Вт/см2), плазма фемтосекундного лазерного импульса представляет особый интерес для низкоэнергетической ядерной физики. Благодаря таким механизмам. как поглощение энергии лазерного импульса, резонансное поглощение [39-421, аномальный скин-эффект [43] и нагрев на границе вакуум-плазма [44-46]. энергия электронного, ионного и рентгеновского излучения плазмы достигает десятков кэВ. Соответсгвен-

пых пределах и с указанным шагом и рассчитывала величину ^ ^аЕ’ П01«1 она не
совпадала с У/У0.
Необходимо заметить, что метод поглотителей дает корректные результаты только при измерении непрерывного (тормозного и рекомбинационного) излучения плазмы. Линейчатое излучение должно быть подавлено. Подавление происходило за счет выходных окон камеры (100 мкм алюминия) и входных окон ФЭУ (200 мкм бериллия). Действшель-но, энергия К-оц линии железа (основной материал для «плазменной» мишени) -6,403 кэВ [115], для этой энергии пропускание данной комбинации фильтров =6% [ 1131. Другие элементы, адсорбированные в поверхностном слое мишени и способные поэтому также генерировать характеристическое излучение, значительно легче железа (Н, С. О). Следовательно, их характеристические линии имеют меньшие энергии и подавляются фильтрами еще лучше. Таким образом, оба ФЭУ регистрируют только высокоэнергетический «хвост» распределения рентгеновских кван тов.
Показания обоих ФЭУ записывались для каждого выстрела каждого эксперимента. Обработка происходила не в реальном времени (так как этот процесс достаточно ресурсоемок), а после окончания измерений. Характерный результат обсчета одного эксперимента (=27000 выстрелов, энергия лазерного импульса - 1,5 мДж, интенсивность на мишени ~9-1016 Вт/см2, материал мишени - Ре) представлен на Рис. 20. При этом на Рис. 20(а) приведен фрагмент расчета для 300 выстрелов, а на Рис. 20(6) - гистограмма полного распределения. Значение температуры составило 12±4 кэВ. Дисперсия обусловлена не только неточностью метода погложтелей, но и нестабильностью лазерного излучения

Номер выстрела

Энергия, кэВ

Рис. 20: (а) Температура рентгеновского излучения плазмы; (б) гистограмма ее распределения. Материал мишени - Fe
Температура рентгеновского излучения, оцененная таким образом, позволяет также оценить среднюю энергию «горячих» электронов плазмы. Для эюго нужно воспользоваться формулой {Ehot) = AThot [112], где А=1,5 для максвелловского распределения