Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом - роль примесного слоя, страница 3

При этом в случае использования кремниевой мишени, максимальнаякратность ионизации составит 12+, а при использовании мишени из железа 16+.В параграфе 1.3 сделан обзор экспериментальных схем и методов спектрального и массового анализов частиц лазерной плазмы.В §1.4, основываясь на заключениях, сделанных в §1.1-1.3, была спроектирована оригинальная схема электростатического масс-анализатора, которыйобеспечивает регистрацию ионного и электронного токов в диапазоне энергийдо нескольких десятков кэВ/Z, с разрешающей способностью не ниже rE~10–20,и обладает чувствительностью, достаточной для регистрации одиночных частиц. В частности, спроектированный анализатор позволяет раздельно идеентифицировать: 1) токи таких схожих по параметру M/Q ионов как Fe15+ и Fe16+,2) сущеественную часть спектра как тепловой, так и горячей электронной компоненты.

Кроме того, 3) масс-спектрометр обладает возможностью одновременного проведения времяпролетных ионных измерений.Схема собранного диссертантом масс-спектрометрического комплексаизображена на рисунке 1.Задачами второй главы диссертационной работы ставится: 1) описаниесозданного масс-анализатора электростатического поля (а также экспериментального диагностического комплекса в целом); 2) приведение результатов еготестов и калибровочных измерений.В параграфе 2.1 представлена схема экспериментальной установки целиком, тогда как сам масс-анализатор описан в §2.2. Спектрометр был собран всоответствии со сформулированными в заключение первой главы требованиями, определяющими возможность корпускулярной диагностики горячей11лазерной плазмы.

Далее в §2.2 производится предварительный численный расчет ряда технических параметров анализатора (динамический диапазон, минимальный регистрируемый ток и пр.). Так, энергетический параметр спектрометра составил k=5±1 эВ/В; разрешающая способность rE=10; рабочийдиапазон - от 500 эВ до 47 кэВ.

В заключение §2.2 приводится описаниепрограммного обеспечения, разработанного диссертантом в среде Labview 6.0 ипредназначенного для анализа и статистической обработки данных, регистрируемых прибором и считываемых при помощи цифрового осциллографа.В §2.3 описывается серия работ по калибровке спектрометра использующей различные методы и схемы. С этой целью применялся ряд электронныхисточников, как с предельно узким, так и с достаточно широким и при этомзаранее известным энергетическим спектром. В первом случае использоваласьэлектронная пушка, самостоятельно разработанная диссертантом, во втором –тритиевый источник.

В результате калибровочных измерений было вычислено,что k=4.25±0.1 эВ/В, а rE=12.5±0.5. Измеренная функция чувствительностидетектора ВЭУ-7 к электронному току была аппроксимирована как s(E)=1+(E2+½)-1, а зависимость коэффициента усиления от напряжения была найденаравной Y(U)=500⋅U12±0.5, (где размерности E и U - [кэВ] и [кВ] соответственно).Отметим, что в литературе встречается зависимость для Y(U) в виде степеннойфункции с показателем, равным 16 (данные относятся к детектору, собранномуиз одной микроканальной пластины).В §2.4, представлены первые данные по диагностике электронной компоненты плазмы. В условиях интенсивности ~1016 Вт/см2 демонстрируется ярковыраженное двухкомпонентное распределение по энергиям, соответствующеегорячим и тепловым электронам плазмы (Рис 2).

Настоящий результат былполучен впервые путем прямогоизмерения электронного спектра. Измеренный спектр с хорошей точностью соответствуетсумме двух экспоненциальныхраспределений с температурамиTth= 240±60 эВ и Thot= 14.4±4кэВ. При этом было установлено отсутствие зависимостипрофиля энергетического спектра, а также рассчитанных температур от типа материала мишени (по крайней мере, на примере мишеней из Si, Ti и Fe).12Измерения были повторены для различных углов падения излучения намишень (45 и 61 градус), а также в условиях низкого энергетического контраста(CE=10; исходно CE=1000). В случае большего угла падения излучения намишень, был отмечен рост общего количества горячих электронов по отношению к тепловым, что было объяснено увеличением амплитуды p-поляризованной компоненты излучения. Показано, что изменение контраста лазерногоизлучения не влияет существенным образом ни на энергетический спектр электронов, ни на параметры некогерентного рентгеновского излучения из плазмы(таких как: общий выход, средняя энергия).В параграфе также указывается на наличие в ФЛП двух четкоразграниченных в пространстве электронных компонент: “убегающие”электроны (с направленным характером движения) и электроны собственноплазмы (с беспорядочным характером движением).

Такое деление электроновявляется независимым по отношению к известному делению электронов натепловую и горячую компоненты. Конструктивным недостатком созданногомасс-спектрометра является возможность регистрации исключительно “убегающей” компоненты. Количественное соотношение горячих электронов к тепловым среди “убегающих” электронов плазмы составило A = 0.7±0.3. Этоотношение является, по-видимому, единственным параметром, характеризующим электронный ток из ФЛП, который бы зависел от атомного номерамишени. Так, в случае мишени из железа, это отношение оказывается примернов два раза выше (0.90±0.2) аналогичного значения полученного для мишени изкремния (0.45±0.1).В третьей главе диссертационной работы описано измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров ионов из ФЛП (I~2·1016 Вт/см2).

Вкачестве мишеней использовались: Si, Fe, Ti, DKDP. В условиях вакуума сдавлением остаточного газа на уровне 10-5 Торр в струе разлетающейся ФЛПмасс-спектрометрическими методами было обнаружена значительная доля (до2/3) примесных ионов H, C, и O. Такой результат был объяснен неотъемлемымприсутствием на поверхностях мишеней окисных пленок, адсорбированныхпаров воды, а также углеводородных примесей.Измерения средней энергии показали, что в ряде случаев (в частности для1+H и C6+), имеет место хорошее согласование с результатами численныхрасчетов. Так, энергия оцененная по формуле для ионнозвуковой скорости(~ √3Z·Te/M), в условиях интенсивности ~1016 Вт/см2, составила ~10-100 кэВ. Сдругой стороны, в ходе эксперимента эти значения составили 9 кэВ и 40 кэВсоответственно для H1+ и C6+. Зарядовые спектры ионов плазмы также неплохосогласуются с расчетными значениями, полученными, например, на основанииизвестного приближенного соотношения между потенциалом ионизации итемпературой UZ/T~2-3 (верного в случае около-твердотельной ионнойплотностью, а также в приближении ионизационного равновесия).

Так,13предсказанная в 1-й главе диссертации полная ионизация ионов C, на самомделе успешно наблюдалась в эксперименте.Тем не менее, определенные расхождения экспериментальных результатов с упомянутыми численными расчетами все же имели место. В первуюочередь несоответствия проявлялись в отношении “тяжелых” ионов основногоматериала мишени.

В частности, величина средней энергии для ионов Si1+, Si2+имела порядок всего 3-3.5 кэВ/Z, а максимальный заряд (для Si) достигал не12+ (как предсказывалось в главе 1), а только лишь 6+.Впоследствии это позволило сделать заключение о том, что на процессформирования лазерной плазмы в результате воздействия фемтосекундных импульсов с поверхностью твердотельных мишеней существенное влияние оказывает присутствие примесного слоя, содержащегося на поверхности. Былоуказано на два основных нежелательных следствия, к которым приводитналичие примесей на поверхностях мишеней: 1) Основной материал мишенипредставлен лишь незначительной частью ионов в общей плазменной струе (вовсяком случае среди ионов с энергией 100 эВ и более); 2) Среди быстрых ионовплазмы, набирающих максимальную энергию в процессе ускорения, лишьмалая часть являются ионами основного материала мишени.Пример зарядового и энергетического распределений ионов плазмы вслучае интенсивности лазерного излучения ~2⋅1016 Вт/см2 представлены нарисунках 3 и 4.

Данные получены при использовании мишеней из Ti и Siсоответственно.Кроме этого, одним из наиболее оригинальных результатов главыявляется обнаружение отрицательных высокоэнергетических ионов в струеразлетающейся плазмы. Подобное наблюдение было сделано впервые для стольгорячей плазмы, в которой кратность ионизации ионов углерода на этапе ее14формирования достигает 6+. Для большинства элементов отрицательные ионыявляются энергетически стабильными образованиями, поэтому важностьполученных нами результатов состоит не столько в факте их регистрации,сколько в количестве зарегистрированных ионов с отрицательным зарядом,которое составило от 10-2 до 10-3 относительно количества положительныхионов.

Отметим, что уравнение Саха (которое мы вправе применять как оценкусверху) предсказывает количественное отношение отрицательных ионов на 4-9порядков ниже значений, полученных в эксперименте. Другим важнымрезультатом спектрометрических измерений явилось то, что средние и максимальные энергии отрицательных ионов оказались сопоставимы со значениямиизмеренными для соответствующих положительных ионов.Впоследствии численное моделирование показало, что формированиеотрицательных ионов в расширяющейся лазерной плазме происходит врезультате перезарядки положительных ионов на молекулах остаточного газа вкамере. При этом фактором, определяющим величину общего потока отрицательных ионов, является давление остаточного газа.В диссертации показано, что спектр высокоэнергетических отрицательных ионов коррелирует со спектром соответствующих положительных ионов.Было указано на возможность использования ФЛП как источника пучковотрицательно заряженных ионов с энергиями в десятки кэВ (не менее 35 кэВ).В первой части четвертой главы диссертационной работы показано, чтоиспользование дополнительного лазерного импульса наносекундной длительности с плотностью энергии до 10 Дж/см2, опережающего фемтосекундныйлазерный импульс на 0.01 – 100 мс, позволило эффективно очищать поверхность мишени за счет удаления с нее молекул, содержащих водород, углерод икислород.