Диссертация (Генерация жесткого рентгеновского излучения и оптических гармоник при воздействии интенсивного лазерного излучения на модифицированные твердотельные мишени и кластерные пучки), страница 13

В случае измерения спектра ВГ по схеме из рис. 2.2-а, при достаточнойинтенсивности гармоники, линза (6) могла убираться: тогда излучение плазмы фокусировалосьна 30 см дальше, чем излучение ВГ и достигалась пространственная фильтрация сигнала.Амплитуда сигнала ВГ регистрировалась с помощью ФЭК-22 СПУ с областью максимальнойчувствительности 250-650 нм. В случае измерения сигнала ВГ с поверхности мишени, ФЭКустанавливалсяна позицию 3 на рис. 2.1, а в случае измерения ВГ из микроканала –на расстоянии порядка 3 м от мишени (позиция 3 на рис.

2.2-а). Вторая гармоника измикроканала назад наблюдалась визуально перед ФЭК и без фокусирующей линзы, в видепятна диаметром около 3 мм, вокруг которого был ореол (диаметр около 5 см) свеченияплазмы. Известная калибровка ФЭК (на длине волны 540 нм - 150 В/мкДж), позволила оценитьэнергию импульсов ВГ и эффективность их генерации.Была реализована схема регистрации на ПЗС-камере изображения пучка второйгармоники, отраженной назад из микроканала в мишени.

Излучение ВГ, отраженной назад измикроканала, проходило через фокусирующий объектив (1), зеркало, заводящее излучениена основной длине волны в тракт (5 на Рис. 2. 2а) и попадало на ПЗС камеру, расположеннуюза этим зеркалом (3 на Рис. 2. 2а).Помимо этого, имелась возможность регистрации рентгеновских спектров, котораяосуществлялась с помощью Si-pin детектора Amptek, энергетическое разрешение которого200 эВ, а площадь чувствительной поверхности 5 мм2. Спектрометр располагался на местеФЭУ, на расстоянии около 10 см перед мишенью. Перед спектрометром устанавливалисьдиафрагмы (d=0,01-0,5 см) и набор фильтров для одноквантового режима работы.

В результате,счет фотонов происходил в режиме 0,1−0,3 квант/импульс. Калибровка детектора основываласьна регистрации спектра рентгеновского излучения от источника типа ОСГИ-Fe-55 (активностьисточника 1÷100 кБк) с характеристическими Kα,β-линиями, находящихся на энергиях E=5,9кэВ и E=6,4 кэВ (Рис. 2. 3).51FeА, о.е.100010010012345678910Е, кэВРис.

2. 3. Спектр от радиоактивного источника Fe-55, полученный на рентгеновском спектрометре Amptek.Ширина полученных спектральных линий на полувысоте составляет ≈210 эВ. Одиниз дополнительных пиков в спектре с энергией ≈4,2 кэВ – это «пик вылета». Он появляется приреализации следующей ситуации. Если атом детектора поглощает рентгеновский квант, энергиякоторого больше, чем энергия К-перехода, то из этого атома с К-оболочки выбивается электрон,приобретающий кинетическую энергию. При этом, вакантную оболочку занимает другойэлектрон, в результате чего излучается характеристический К-фотон.

Если этот фотон вылетелиз детектора не поглотившись, то энергия, запасенная в детекторе - это разница энергийпервого кванта ихарактеристического.Даннойэнергиисоответствуетпиквылета.Для кремниевого детектора К-линия кремния – 1,74 кэВ, т.о. пик вылета, соответствующий Kαквантам железа с энергией 5,9 кэВ, должен находиться на 4,16 кэВ.Дополнительно, калибровка спектрометра и настройка его параметров производилисьв режиме реального эксперимента при регистрации рентгеновского излучения, генерируемогопри воздействии на твердотельные мишени фемтосекундного лазерного излучения с вакуумнойинтенсивностью1015-1016Вт/см2.Мишенивыбиралисьтакимобразом,чтобыих характеристические Kα линии лежали в пределах 2-8 кэВ. Кванты с меньшей энергиейпоглощаются окружающим мишень воздухом, а с большей не генерируются при данныхинтенсивностях лазерного излучения.

В результате были получены (Рис. 2. 4) спектрырентгеновского излучения из медной мишени (Е≈8 кэВ), кристаллов CaF2 (характеристическаялиния кальция Е≈3,7 кэВ) и KCl (характеристические линии калия Е≈3,3 кэВ и хлораЕ≈2,6 кэВ).52030123423456789105678910CaF22010А, о.е.040Cu302010400KCl302010001Е, кэВРис. 2. 4. Спектры рентгеновского излучения, полученные при воздействии лазерного излучения на мишени CaF2, Cu и KCl.На спектрах, полученных для CaF2 и KCl зафиксированы компоненты на удвоенныхзначениях энергий.

Эти пики появляются в том случае, если режим регистрации квантовперестаетбытьоднофотоннымиспектрометромрегистрируетсяодновременнодва характеристических кванта.Был проведена оценка эффективности генерации рентгеновского излучения в микроканалетвердотельной KCl мишени, находящейся в вакууме при воздействии на нее излучениемCr:forsterite лазера (интенсивность в импульсе I≈1016 Вт/см2). Эффективность преобразованиялазерной энергии в характеристическую линию хлора составила 2∙10−6 при выходе около2∙106 фот/имп (время накопления спектра - 655 с).

Фокусировка проводилась объективномс фокусным расстоянием 6 см, длительность импульса была порядка 140 фс, энергияв импульсе 550 мкДж.§2.2 Динамика сигнала второй гармоники лазерного излучения и выходажесткого рентгеновского излучения при формировании микроканалав мишениТак как выход рентгеновского излучения при генерации фемтосекундной лазернойплазмы зависит от интенсивности лазерного излучения, его регистрация во время лазерноговоздействия на мишень может служить удобным способом контроля энерговклада излученияв мишень. Точность фокусировки лазерного излучения на поверхность мишени в проводимыхэкспериментах ассоциировалась с максимальным выходом рентгеновского излучения.

Ранее53нами было установлено, что при формировании микроканала в алюминиевой мишени,находящейся в вакууме или воздухе, выход жесткого рентгеновского излучения (E>2 кэВ)немонотонен и имеет максимум [88, 193] и обнаруживает сходную динамику с динамикойамплитуды сигнала второй гармоники [88]. При этом, возрастание выхода рентгеновскогоизлучениясоответствуетвозрастаниютемпературыгорячихэлектроновс8±2 кэВна поверхности алюминиевой мишени, находящейся в вакууме, до 14±2 кэВ внутримикроканала [193]. Для того, чтобы подтвердить возможность использования сигнала второйгармоники наравне с выходом рентгеновского излучения в качестве индикатора локальногоэнерговклада лазерного излучения в мишень, процесс ГВГ был исследован более детально дляразличных типов мишеней.В первую очередь были проведены исследования сигнала ГВГ, генерируемой наповерхности твердотельной мишени. При контрасте излучения лазера на Cr:forsterite ~60, ГВГна поверхности мишени не было зафиксировано ни для металлической ни для диэлектрическоймишеней (находящейся в вакууме или воздухе).

При воздействии на поверхность мишенив вакууме p-поляризованным излучением с наносекундным контрастом 300, регистрируетсяp-поляризованная ВГ, эффективность которой составила η=(5±1)·10−4; при s-поляризациилазерного излученияэффективность ГВГ на поверхности мишени падает на 2 порядка.В случае формирования микроканала, эффективность ГВГ увеличилась в 9 раз и достигласвоего максимального значения (4,4±1)·10−3.Были проведены одновременные измерения сигнала второй гармоники, рассеяннойиз формируемого микроканала в мишени из плавленого кварца, и интегрального выходарентгеновского излучения в диапазоне >2 кэВ. Зарегистрировано, что динамика амплитудысигнала ВГ, генерируемой при формировании микроканала в мишени фемтосекунднымиимпульсами с вакуумной интенсивностью ≈1016 Вт/см2 имеет сходный характер с выходомжесткого рентгеновского излучения из такого микроканала.

Так, даже при неоптимальнойфокусировке лазерного излучения (заглублении фокуса излучения под поверхность мишенина 100 или 200 мкм), остается сходство динамики поведения сигналов, при том, что меняетсяее вид (Рис. 2. 5). Этот результат был получен в случае мишени, находящейся как в вакууме, таки в воздухе. Наличие фона в случае сигнала ВГ объясняется засветкой от плазмы, которуюне удалось до конца подавить. При измерениях использовался фильтр КС10, с нижней границейполосы пропускания в области 600 нм, который лучше всего подавлял излучение плазмыи при этом не поглощал сигнал ВГ.54700600H, о.е.500400а)30020010002004006001000поверхностьзаглубление 100 мкмзаглубление 200 мкм1000800Y, о.е.800600400б)200002004006008001000NРис.

2. 5. Сигнал ВГ (H) (а) и выход рентгеновского излучения (Y) (б) при формировании канала в мишени из плавленогокварца, находящейся в вакууме, в зависимости от номера воздействующего лазерного импульса (E≈470 мкДж) при различномположении вакуумного фокуса излучения относительно поверхности мишени.Так, наблюдалась существенная разница: в отличие от алюминиевой мишени, когдасигнал рентгеновского излучения и второй гармоники регистрируется в течение 20-30 лазерныхимпульсов [88], эти сигналы регистрируются гораздо дольше в случае мишени из плавленогокварца (до 200 лазерных импульсов при точной фокусировке лазерного излученияна поверхность мишени). При этом, в микроканале мишени из плавленого кварца, сигналрентгеновского излучения возрастает более, чем на порядок (как в случае вакуумных условий,так в случае воздушных), а в микроканале алюминиевой мишени – лишь в 2-4 раза.