Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом - роль примесного слоя

На правах рукописиЛачко Илья МихайловичДИАГНОСТИКА ИОННОГО ТОКАГОРЯЧЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ,СФОРМИРОВАННОЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ:РОЛЬ ПРИМЕСНОГО СЛОЯСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена в Международном Учебно-Научном Лазерном Центреи на физическом факультете Московского Государственного Университета им.М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентСавельев-Трофимов Андрей БорисовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукЧевокин Виктор Константиновичдоктор физико-математических наукЧерныш Владимир СавельевичВедущая организация:Институт теплофизики экстремальныхсостояний, Объединенный институт высокихтемператур Российской Академии НаукЗащита состоится 19 октября 2006 г.

в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу:119992, ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет,Корпус Нелинейной Оптики, аудитория им. С.А.Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан: “ 15 ” сентября 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. Ильинова3I. Общая характеристика работыАктуальность темыПоследние два десятилетия сопровождались бурным развитием техникипостроения мощных лазерных систем, способных генерировать сверхкороткиеимпульсы с длительностью 30–300 фс и энергией до единиц Дж. Жесткаяфокусировка такого излучения позволяет достигать интенсивностей световыхполей в перетяжке объектива на уровне ~1017 Вт/см2 и выше.

Это обстоятельство вызвало существенный научно-исследовательский интерес к вопросу поведения вещества (и особенно вещества находящегося в конденсированном состоянии) в столь интенсивном электромагнитном поле, поскольку его напряженность становится сравнимой c внутриатомным кулоновским полем в атомеводорода (~ 5⋅109 В/см).Лазерная плазма, формируемая при взаимодействии столь интенсивногоизлучения с твердотельным веществом, принципиально отличается по своимхарактеристикам и возможным приложениям от плазмы, формируемойнастолько же энергетичными (~1 Дж), однако менее интенсивными наносекундными импульсами, которая уже была широко исследована в 60-х–70-хгодах прошлого столетия. В частности, такие уникальные характеристикифемтосекундной лазерной плазмы (ФЛП) как около-твердотельная ионнаяплотность, а также высокая кратность ионизации (соответствующая температуре порядка 1 кэВ), стимулировали проведение исследований в различныхобластях науки и техники, среди которых: физика лазерного термоядерногосинтеза, инициирование реакций внутриядерных переходов, создание новыхтипов сверхинтенсивных импульсных источников (ионов, электронов, коротковолнового электромагнитного излучения) и т.п.Появление уникальных энергетических характеристик ФЛП является, всвою очередь, результатом уникальных физических процессов, сопровождающих поглощение лазерной энергии веществом, которые не наблюдаются применьших интенсивностях.

Так, уже при интенсивностях на уровне 1016–1017Вт/см2 классические (столкновительные) механизмы поглощения световойэнергии, ответственные в первую очередь за формирование так называемойтепловой электронный компонент плазмы, “перестают работать”. Дальнейшеепоглощение лазерной энергии осуществляется за счет дополнительных, бесстолкновительных механизмов, которые приводят к формированию так называемой горячей электронной компоненты. В целом, на их долю можетприходиться до 10% лазерной энергии уже при субрелятивистском уровнеинтенсивности. При этом средняя энергия горячих электронов может на 1-2порядка превосходить среднюю энергию тепловых.4Впоследствии на границе плазма-вакуум тепловые и горячие электроныобразуют так называемое амбиполярное поле, которое приводит к ускорениютяжелой, ионной компоненты плазмы. При этом скорость, набираемая наиболеебыстрыми из этих ионов, становится сравнимой с ионнозвуковой скоростью вплазме ~√3Z·Te/M.Несомненно, важным аспектом задачи изучения физики высокотемпературной лазерной плазмы является диагностика параметров испускаемых еючастиц.

При этом все известные методы диагностики плазмы можно разделитьна две группы: оптические и корпускулярные. Оптическая диагностика плазмыможет включать в себя регистрацию квантов света весьма широкого спектрального диапазона, начиная от вакуумного ультрафиолетового и рентгеновскогоизлучения и заканчивая излучением видимого спектра.В задачи корпускулярной диагностики лазерной плазмы входят:регистрация тока ионов, электронов, нейтральных частиц плазмы, кластерныхструктур и пр. с возможностью определения их энергий, скоростей и масс,зарядовых состояний, абсолютных величин токов, телесных углов разлета и пр.Среди существующих и широко используемых корпускулярных методов диагностики можно выделить такие методики как: времяпролетная, масс-спектрометрическая, масс-спектрометрический анализ предварительно перезаряженных ионов, времяпролетные измерения тока ионов, ускоренных во внешнемэлектростатическом поле и пр.В связи с тем, что до последнего времени в лаборатории сверхсильныхсветовых полей физического факультета МГУ корпускулярные методы диагностики лазерной плазмы не были развиты в должной мере (в отличие от оптических методов), одной из основных задач настоящей диссертационной работыстало создание экспериментального масс-спектрометрического комплекса набазе масс-энергоанализирующего устройства.Существенное влияние на процесс ускорения ионной компоненты плазмыоказывают искусственно созданные модификации структуры мишени и преждевсего, ее поверхностного слоя.

К таким модификациям можно отнести: предварительное формирование рельефа поверхности мишени, использование многокомпонентных (двухслойных), а также тонкопленочных мишеней. В частности,использование двухслойных мишеней, в которых наружный тонкий слой представлен элементом с меньшим атомным номером, приводит к увеличениюэффективности ускорения “легких” ионов. Напротив, “тяжелые” ионы, расположенные в нижнем слое мишени, ускоряются менее эффективно.Весьма похожая картина наблюдается при использовании мишени, поверхность которой загрязнена углеводородными соединениями, покрыта окиснымслоем либо содержит адсорбированные пары воды.

В этом случае роль “легкого” внешнего слоя выполняют атомы H, C и O. К сожалению, далеко невсегда желаемым оказывается эффективное ускорение примесных ионов с5одновременным уменьшением энерговклада в ионы основного материаламишени. Все это определило вторую из основных задач диссертационной работы: задачу изучения роли примесного слоя на параметры ионного тока формируемой лазерной плазмы, а также разработка методики очистки мишени отпримесей.Цели диссертационной работы1. Создание экспериментальной установки для масс-спектрометрической диагностики заряженных частиц из лазерной плазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до 1017 Вт/см2.

Установка должна обеспечивать регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от сотен до десятков тысяч эВпри разрешающей способности по энергии не менее 10–20 и хорошей помехозащищенности от электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы;2. Разработка и оптимизация методики импульсной лазерной очистки мишениот содержащихся на её поверхности примесного и окисного слоев. Исследование влияния параметров импульсной лазерной очистки (плотность энергии импульса, время опережения по отношению к фемтосекундномуимпульсу) на параметры формируемого тока из плазмы;3. Измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров частиц из лазерной плазмы, формируемой фемтосекундным импульсом с интенсивностьюсвыше 1016 Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени, в зависимости отатомного состава поверхностного слоя мишени и параметров этого импульса(энергетический контраст).Научная новизна работы1.

В струе ионов, вылетающих из горячей плотной плазмы, сформированнойсверхинтенсивным фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельнойповерхности мишени, были зарегистрированы высокоэнергетические однократно заряженные отрицательные ионы с высоким выходом до 10-2 относительно общего числа положительных ионов;2. Путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекундной лазерной плазмы, формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью ~1016 Вт/см2, подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам;3.

Показана возможность управления параметрами ионных токов (таких каксредняя и максимальная энергия основных ионов плазмы, кратности ионизации ионов) путем изменения условий предварительной импульсной лазерной очистки.6Практическая ценность1. Созданная экспериментальная установка на основе времяпролетного массспектрометра в дальнейшем может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени импульсами с интенсивностью, не превышающей 1017 Вт/см2. Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять обработкуданных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации;2.