Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов, страница 6

Для пористых материалов существуетвозможность управления морфологией мате510152025302риала: размером и формой частиц, степеньюI ПВт/смпористости и пр.Одним из наиболее интересных и легкоРис.9. Зависимость средней энергии горячих электронов <Eh> от интенсив- доступных пористых материалов с хорошоности лазерного излучения I: „ – управляемой морфологией является пориссплошной кремний, однократное облу- тый кремний, который и использовался в начение; c – сплошной кремний много- ших экспериментах, показавших значителькратное облучение; c – пористый ный, на 2–3 порядка, рост эффективности гекремний.нерации жесткого рентгеновского излученияв диапазон εx>3 кэВ для образцов с пористостью 5–6, причем скорость роста больше в области более жесткого рентгеновского излучения.

Информация о морфологии пористого кремния была получена нами из спектровфотолюминисценции образцов. В частности была показана однозначная корреляция между увеличением эффективности генерации жесткого рентгеновского излучения и наличием наноструктурированного слоя на поверхности образцов. Измерения показали также,что с ростом пористости растет средняя энергия горячего электронного компонента от2,5 кэВ для чистого кремния (I~10 ПВт/см2) до 4 кэВ при P=5 и до 7 кэВ при P=6. На рис.9представлена зависимость средней энергии горячего электронного компонента от интенсивности ФЛИ для сплошной и высокопористой (P=6) мишеней.

Поскольку температура19(или средняя энергия) горячих электронов увеличивается для пористого кремния P~6 приI~20 ПВт/см2 в 1,5 раза, а эффективность генерации жесткого рентгеновского излучения вдиапазон энергий квантов εx>4 кэВ возрастает в 2–3 раза, то отношение эффективностейгенерации горячих электронов для пористого и сплошного кремния составляет 1±0,3. Дополнительные исследования, проведенные с использованием излучения лазерной системыTWINKLE (длительность 200 фс с плохим контрастом, либо 1 пс), показали, что в такомрежиме взаимодействия формируемая плазма одинакова для сплошного и пористого образцов.МНами также были выполнены время0,2пролетные измерения ионного тока плазмыФЛИ высокопористого кремния, показавашие, что спектр ионов в этом случае слабоотличается от аналогичных данных, полу0,1ченных для сплошного кремния .Формирование плазмы при взаимодействии ФЛИ с наноструктурированнымимишенями отличается по целому ряду ас81523пектов от случая взаимодействия с плоски<E>,кэВми твердотельными мишенями.

За счет разhвитой поверхности и внутренних пустот длянаноструктурированных мишеней сущестМ0,3венно увеличивается площадь границыплазма-вакуум. Так, в высокопористомбкремнии при P=6 поверхность поглощаю0,2щего слоя увеличивается в 600 раз. Это означает, что число электронов, взаимодействующих с неоднородной электромагнитной0,1волной вблизи границы плазма-вакуум,также возрастает.Кроме того, амплитуда осцилляций81523<Eh>, кэВэлектрона в поле световой волны становитсясравнимой с расстоянием между кластерами. Вследствие этого часть электронов, ус- Рис.

10. Гистограмма распределниякоренных вблизи поверхности кластера, не средней энергии горячих электроноввозвращается обратно из-за столкновений с <Eh> для мишеней: а – кристаллический кварц, б – плавленый кварционами соседних кластеров. Это приводит к(сплошные столбики – первый импульс,увеличению эффективной частоты «столк- незаштрихованные–лазерноновений» электрона с поверхностью модифицированные мишени.ν ec ∝ P1 / 3 и, следовательно, к увеличениюсредней энергии, получаемой электроном за лазерный импульс.

Так при P~6 и размерекластера 2–3 нм частота «столкновений» электрона с энергией 5 кэВ с поверхностью кластера достигает 1016 с-1, что превышает частоту лазерного импульса (1014 – 1015 с-1).Во всех экспериментах, описанных в предыдущих разделах, мишень смещалась послекаждого лазерного импульса для обеспечения взаимодействия ФЛИ с неповрежденнымучастком поверхности. Нами был развит подход, при котором «приготовление» структурированной поверхности производилось непосредственно во время эксперимента: первыйФЛИ формировал кратер с сильно развитой поверхностью, а последующий ФЛИ используется и для формирования плазмы и для подготовки кратера.

В этих экспериментах ис-20пользовалось излучение лазерной системы DYE при интенсивности на мишени до50 ПВт/см2. В качестве исходной мишени использовались: плоские полированные пластины монокристаллического кремния, германия, кристаллического и аморфного кварца; атакже ряда металлов – титана, палладия, железа, тантала, вольфрама, кристаллическогоциркония и др.Выход мягкого рентгеновского излучения не менялся по абсолютной величине при переходе от сплошной к лазерно-модифицированной мишени и слабо спадал при увеличении числа импульсов в одну точку на мишени.

В области жесткого рентгеновского спектра было получено, что с ростом интенсивности выход рентгеновского излучения нарастает для лазерно-модифицированных мишеней быстрее, чем для сплошной плоской мишени. Оценка средней энергии горячих электронов для лазерно-модифицированногокремния (см. рис. 9) дает <Eh>= 12,6±3 кэВ, что демонстрирует существенный перегревгорячего электронного компонента в этом случае.

Отметим, что поворот поляризацииФЛИ на 90о не влияет на характеристики горячего электронного компонента.При использовании лазерно-модифицированных мишеней существенно меняется характер сигнала, измеряемого с помощью время-пролетного спектрометра. Эти зависимости характеризуются наличием нескольких (до 4–5) максимумов.

При этом положениемаксимумов меняется от реализации к реализации. Существенные изменения ионного тока наблюдаются при установке время-пролетного спектрометра со стороны падающего,либо отраженного лазерного излучения. В случае сплошной и пористой мишеней регистрируется только один максимум со скоростьюраспространения, соответствующей тепловомуMэлектронному компоненту. Это подтверждает,что основная масса горячей плазмы летит в виде конуса нормально к средней поверхности0,2мишени. Зависимости, регистрируемые в случае лазерно-модифицированной мишени существенно иные. В них по-прежнему присутству0,1ет максимум, соответствующий быстрой ионной компоненте (с несколько меньшей скоростью распространения, чем по нормали к ми51015шени), наблюдается нестабильная многопич<Eh>, кэВковая структура, отсутствует зависимость отРис.

11. Гистограмма распределения поляризации лазерного излучения. Таким обрасредней энергии горячих электронов зом, для лазерно-модифицированных мишеней<Eh> для кремния (сплошные столбики) характерен почти изотропный разлет плазмы.и кремния с пирамидальными ямками Наличие нескольких максимумов в зависимона поверхности (незаштрихованные сти ионного тока от времени указывает на сустолбики).щественную роль микронеоднородностей поверхности кратера.Для выяснения роли структуры образца нами был проведен эксперимент с двумя образцами кварца: кристаллическим и плавленым кварцем.

Анализ результатов показал (см.рис. 10), что в усредненная по 50-ти реализациям средняя энергия горячих электронов= 7,2±1 кэВ до <Eh>== 12±3 кэВ и невозрастает в случае кристаллического образца от <Eh>=изменяется в случае плавленого образца (<Eh> = 6,6±1 кэВ и 6,2±3 кэВ соответственно).Регулярную структуру, аналогичную кратеру, можно создать и с помощью литографических методов.

В частности, нами были проведены исследования структуры в виде регулярной двумерной решетки пирамидальных ям на поверхности Si. Исследование выхода21жесткого рентгеновского излучения в различные спектральные диапазоны показало существенное (в 10 и более раз) превышение выхода и средней энергии горячих электронов вслучае структурированной поверхности по сравнению с плоским кремнием (см.

рис. 11). Вотличие от гладкой поверхности, зависимости выхода жесткого рентгеновского излученияот поляризации не наблюдалось.Одним из способов управления параметрами плазмы ФЛИ является увеличение поглощения лазерного излучения за счет возбуждения поверхностных электромагнитныхволн на границе плазма-вакуум. Нами проведены оценки возможности возрастания локального электромагнитного поля на границе раздела плазма-вакуум при воздействииФЛИ на модифицированную поверхность мишени. В результате расчетов коэффициентаусиления локального поля в плазме твердотельной плотности, сформированной на поверхности с модифицированной поверхностью (решетки, пористый слой и пр.), были выявлены общие требования к параметрам лазерной плазмы: высокая температура лазернойплазмы (Te > 300 эВ) и низкая кратность ионизации вещества (Z < 15), что соответствуетусловиям |n|<<|m| и |n|<<1, которые соблюдаются и случае возбуждения ПЭВ на поверхности металлической решетки невозмущающим лазерным излучением.Таким образом, при формировании плазмы в твердотельных модифицированных мишенях при умеренных интенсивностях в 10–100 ПВт/см2 возможно увеличение температуры горячих электронов и их числа, а также получение сильно неравновесной плазмы стемпературой ионов в 1–50 кэВ.