Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов, страница 5

различныепроцессы оказываются определяющими на разных стадиях разлета горячей плотной плазмы. Расчеты были выполнены с учетом наличия остаточного газа в камере взаимодействия и включения соответствующих каналов формирования и рекомбинации отрицательных ионов, которые, как показали наши расчеты, и играют доминирующую роль при генерации отрицательных ионов в наших экспериментальных условиях (давление остаточного газа p~ 10-4-10-5 Тор, расстояние до детектора от мишени 72 см).

Для энергий частицсвыше 10 кэВ наблюдается удовлетворительное совпадение энергетических спектров отрицательных и положительных ионов, хотя высокоэнергетический хвост распределенияотрицательных ионов спадает несколько быстрее, чем для положительных.Проведенные нами эксперименты с другими мишенями (Fe, Ti, и др.) показали, чтоотрицательные ионы формируются в наших условиях для всех атомов, энергия сродства кэлектрону которых превышает 0,1 эВ. Так, для Fe (Ea = 0,164 эВ) число отрицательныхионов существенно ниже, чем для кремния, а для Ti (Ea = 0,08 эВ) сигнал отрицательныхионов на регистрируется.При проведении экспериментов по исследованию высокотемпературной плазмы,16формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью свыше 10 ПВт/см2, типичное остаточное давление в камере взаимодействия составляет 10-3–10-5 Тор.

В таких условиях на поверхности мишени всегдаприсутствует углеводородный слой толщиной в единицы нанометров, сравнимой с толщиной горячего плазменного слоя ~ 100 нм. Наличие углеводородного слоя приводит ксущественной модификации спектра ионной компоненты плазмы, что оказывается особенно существенным при исследовании плазмы с помощью время-пролетной и массспектроскопической методик.На рис.7 приведены времяпро1,0летные спектры, реконструированu, Вные, исходя из данных массΣспектрометрической методики, и измеренные напрямую.

Сравнительныйанализ спектров показывает, что пер0,5вый максимум импульса ионного тоHка определяется водородом, а второй– суммой вкладов кислорода, углерода и собственно материала мишени.SiC, OИоны, обладающие большей массой,0,00,00,51,01,5набирают меньшую скорость. Анализt, мксэнергетических спектров ионов показывает, что протоны получают сущеРис. 7. Сигнал, получаемый по времяпролетнойственнобольшую энергию на единиметодике ({) для мишени Si, и он же, восстановленныйпорезультатаммасс- цу заряда (в среднем 9±2 кэВ) и ихспектрометрических измерений (Σ). Тонкие ускорение в основном определяетсясплошные линии отражают парциальные горячим электронным компонентом.Средняя энергия этого компонентавклады различных ионовбыла оценена нами также по регистрации выхода жесткого рентгеновского излучения в 8±3 кэВ для обоих мишеней.

Ионыдругих атомов ускоряются большей частью за счет теплового электронного компонента,имеющего для наших экспериментальных условий температуру порядка 250 эВ.Для очистки поверхности твердотельных мишеней нами было использовано излучение газовых электроразрядных импульсных лазеров на CO2 (длина волны λ=10,6 мкм,энергия в импульсе 30 мДж, длительность импульса τ≈100 нс) и XeCl (0,308 мкм, 10 мДж,30 нс).

В процессе лазерной очистки излучение фокусировалось на поверхность мишенипод углом 450 до плотности энергии в W~10–20 Дж/см2. На поверхность мишени навстречу наносекундному лазерному импульсу под углом 450 фокусировалось p-поляризованноеизлучение фемтосекундной лазерной системы DYE (I~40 ПВт/см2). Опережение наносекундного лазерного импульса относительно фемтосекундного определялось электроннойсхемой запуска и могло плавно меняться от 0 до 400 нс и от 50 мкс до 100 мс.Эффективность очистки поверхности мишени оценивалась по ионному току плазмы, формируемой фемтосекундным лазерным импульсом с применением двух методик,описанных выше.

Эксперименты показали, что использование «греющего предымпульса»наносекундной длительности с плотностью энергии менее 10 Дж/см2, имеющего регулируемое опережение от 100 мкс до 100 мс относительно фемтосекундного лазерного излучения, позволяет управлять количеством лазерно-индуцированных протонов высокойэнергии и эффективно очищать поверхность мишени за счет удаления с поверхности мишени молекул, содержащих водород, углерод и кислород. В отличие от непрерывного те-17плового нагрева поверхности лазерная импульсная очистка обеспечивает большие температуры нагрева и может эффективно применяться для любых твердотельных мишеней.Проведенные измерения зависимости процентной доли содержания наблюдаемых атомовот плотности энергии и от времени опережения показали, что процесс восстановленияпримесного слоя наиболее быстро идет для водорода и углерода, тогда как для кислородавосстановление происходит на 3 порядка медленнее.

Пороговое значение плотности энергии, необходимое для эффективного удаления примесных атомов с поверхности мишени,составляет 1– 3 Дж/см2.Вторая часть (третья и четвертая главы) диссертации посвящена применению созданного аппаратно-программного комплекса к решению двух задач: исследованию возможности управления параметрами плазмы ФЛИ за счет модификации свойств приповерхностного слоя мишени (глава 3) и исследованию возбуждения низкоэнергетическихядерных уровней в плазме ФЛИ (глава 4).Свойства плазмы ФЛИ существенным образом зависят от свойств поверхности мишени.

Это позволяет поставить вопрос о возможности управления параметрами плазмы ФЛИза счет модификации поверхностного слояη,, отн.ед.плотной мишени, в том числе в целяхприменения такого рода мишеней для8E-3инициирования ядерных процессов вплазме ФЛИ при умеренных интенсивностях. Предметом третьей главы являетсяизложение результатов ряда выполненныхнами экспериментов с использованиемPмишеней с модифицированными свойст- 4E-3вами поверхностного слоя, для которыхнами показана возможность управлениятакими характеристиками плазмы, кактемпература тепловых и горячих электроSнов, кратность ионизации и температураионов, рентгеновская излучательная спо0собность.101001000Повышение температуры плазмы ФЛИD, нми, как следствие, увеличение мощностиРис.8.

Зависимость эффективности преобрентгеновского излучения и смещение его разования в рентгеновский диапазон 0,1–1спектра в область меньших длин волн мо- кэВ от толщины углеродной пленки D для pжет быть достигнуто за счет локализации и s поляризованного излучения.выделяющегося тепла в тонком слое у поверхности мишени вследствие ограничения теплопроводности. В частности, это можетбыть достигнуто использованием в качестве мишени тонкой свободновисящей пленки. Вслучае, когда толщина пленки меньше длины теплопроводности, средняя температурапрогретого слоя должна увеличиться.Нами были проведены эксперименты по исследованию взаимодействия ФЛИ с использованием излучения лазерной системы DYE при I~5 ПВт/см2 с мишенями в виде свободновисящих пленок углерода.

Измерения показали, что при толщине пленки менее 100 нмэффективность конверсии энергии лазерного излучения в диапазон энергий квантов 0,1–1 кэВ возрастает в 3,3±0,3 раза, достигая максимума при толщине пленки порядка 25 нм(см. рис.8).Для интерпретации полученных результатов нами было проведено численное модели-18рование с использованием одномерной одножидкостной двухтемпературной гидродинамической модели с нестационарной кинетикой ионизации и ограниченным тепловым потоком. Расчетные зависимости (суммировались вклады линейчатого и фоторекомбинационного излучения водородо- и гелиоподобных ионов углерода) от толщины пленки углерода хорошо аппроксимируют наблюдаемые экспериментальные при нормировке на экспериментальные в одной точке – для случая p-поляризованного излучения и «толстой»пленки толщиной 1000 нм (см.

рис. 8). Следует отметить, что коэффициент нормировкиоказался 0,5. Это показывает, что развитая нами модель обеспечивает не только хорошеекачественное, но и удовлетворительное количественное согласие с экспериментом. На основе численного анализа нами выработаны критерии оценки «оптимальной» толщиныпленки, в том числе для тяжелых металлических пленок, позволяющих увеличить выходрентгеновского излучения в диапазон энергий квантов свыше 1 кэВ.Таким образом применение тонкопленочных мишеней дает возможность управлениятемпературой и зарядовым составом плазмы ФЛИ при использовании мишеней в видетонких свободновисящих пленок.

Сверхтонкие углеродные пленки являются эффективным источником импульсов сверхкороткой длительности в области «водяного окна» (области прозрачности воды), оптимальной для микроскопии живых клеток.Существенная модификация свойств<Eh> , кэВплазмы ФЛИ, в том числе увеличение средней энергии горячих электронов и темпера20туры ионов, возможна при использованииструктурированной среды, состоящей из кла15стеров c характерным размером d~1–100 нм:струи кластеров, либо наноструктурирован10ным слоем на поверхности мишени: коллоидные металлические пленки, пористые материалы,наноразмерные металлические щет5ки.