Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом - роль примесного слоя, страница 4

Поскольку углеводородные соединения (в частности) отличаютсянизкой термической устойчивостью, то нагрев поверхностного слоя мишениприводит к активации процессов десорбции примесного слоя, чему способствует помещение мишени в вакуум. В отличие от непрерывного тепловогонагрева поверхности лазерная импульсная очистка обеспечивает бόльшиетемпературы нагрева и может эффективно применяться для любыхтвердотельных мишеней как в режиме тепловой, так и плазменной очистки(необходимой для удаления более термостойких соединений – напримероксидов).

Сравнение экспериментально измеренных массовых спектров ионовплазмы для загрязненной и очищенной мишени кремния приведены на рис 5.Так, за счет импульсной лазерной очистки, нам удавалось снизить долюпримесей на поверхности кремниевой мишени до величины не более 0.5%.Аналогичная величина для титановой мишени оказалась несколько выше исоставила ~2%. Измерение энергетических спектров в первой части четвертойглавы не проводилось.15Рис.5. Массовые спектры ионов до (а) и после (б) лазерной очистки.Результаты спектрометрических исследований, описанные во второйчасти четвертой главы, показали, что применение импульсной лазернойочистки приводит к появлению дополнительной высокоэнергетической компоненты в спектре ионов основного материала мишени в формируемой лазернойплазме.

Действительно, в условиях присутствия “легкого” поверхностного слоя“тяжелые” ионы основного материала мишени в значительной степени экранируются от действия амбиполярного электрического поля горячей электроннойкомпоненты протонами плазмы (в частности). В результате именно протонынабирают скорости, сравнимые с ионнозвуковой скоростью соответствующейгорячей электронной компоненте. Этому способствует два обстоятельства: 1)примесный слой естественным образом располагается в поверхностном слоемишени, 2) ионизовать за счет какого-либо механизма “легкие” атомы (H, C) дотого же отношения M/Q оказывается проще, нежели “тяжелые” атомы основного материала мишени.В ходе экспериментов по импульсной лазерной очистке производилосьварьирование её параметров (времени задержки между импульсами и величиныплотности потока энергии греющего излучения).

В результате было выяснено,что для качественной очистки мишени титана (доля примесей не более 2%),необходима плотность потока энергии 5-10 Дж/см2; для кремния – 1-3 Дж/см2.Роль параметра задержки между импульсами оказалась ещё более существенной, чем роль плотности потока энергии. Так, при задержке в 100мкснаблюдаются ионы кремния с зарядом до 12+.

Уменьшение этого параметра до400нс привело к падению максимального регистрируемого заряда до 2+.Уточним, что в случае неочищенной мишени возможна регистрация ионов сзарядом до 5+. Существенное падение среднего, а также максимального зарядаионов в случае уменьшения времени задержки по всей видимости связано собразованием плазмы под действием предымпульса (преплазмы).

При этомразлет плазмы основного импульса осуществляется в преплазму, что ведет кподавлению известного эффекта замораживания ионизационного состояния.Наконец третьим параметром, определяющим характеристики ионноготока из плазмы, является контраст фемтосекундного импульса. Уменьшение16энергетического контраста также приводит к падению среднего имаксимального заряда в плазме.

Это позволило утверждать, что предымпульсможет выполнять функции импульсной лазерной очистки с предельно малымвременем задержки между чистящим и основным импульсами.Таким образом, в заключительной главе диссертации было показано, чтоуправление параметрами лазерной очистки, а также управление параметрамисамого фемтосекундного импульса, формирующего плазму являетсяэффективным инструментом для формирования плазмы с заданнымипараметрами ионных токов, такими как средний и максимальный заряд ионов,максимальная энергия ионов основного материала мишени и пр.Основные результаты и выводы1.

В рамках диссертационной работы на основе времяпролетного массспектрометра электростатического поля был создан экспериментальный комплекс, позволяющий осуществлять корпускулярную диагностику заряженныхчастиц из лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом субрелятивисткой интенсивности(до ~1017 В/см2) в условиях окружающего мишень вакуума не хуже 10-4 Торр.Диагностическая установка обеспечивает регистрацию заряженных частиц сэнергиями в диапазоне от 100эВ до 47кэВ (в расчете на единицу заряда). Чувствительность анализатора обеспечивает регистрацию частиц, в том числе и водиночном режиме (что достигается благодаря усилению сигнала в пористойструктуре детектора на основе МКП с коэффициентом усиления вплоть до 107108)Определенная в ходе калибровочных измерений величина разрешающейспособности масс-анализатора по энергиям составила rE=12±0.5, а разрешающая способность по массам rm=10±0.5.

Это в частности позволяет раздельнодетектировать такие ионы, как Fe4+ и Fe5+. Калибровочные измерения позволили также определить величину так называемого “энергетического параметрамасс-спектрометра” (k=4.25±0.1 эВ/В), (необходимого для измерения энергетических спектров частиц из лазерной плазмы); а также измерить спектральнуючувствительность анализатора к электронному току в диапазоне до 15 кэВ.Полученная зависимость с высокой точностью может быть аппроксимированафункцией s(E)=1+(E2+½)-1, в которой энергия электронов имеет размерность[кэВ]. Зависимость коэффициента усиления детектора ВЭУ-7 от напряженияпитания, приложенного к нему, была найдена равной Y(U)=500·U12±0.5, гдеразмерность U - [кВ].В дальнейшем созданная экспериментальная установка может бытьуспешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так иэлектронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы. Написанный пакет17программного обеспечения позволяет осуществлять обработку данных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации.2.

В работе были измерены энергетические массовые, а также зарядовыеспектры ионов из ФЛП формируемой сверхинтенсивным лазерным импульсом.При этом в качестве мишеней использовался широкий круг материалов: Si, Fe,Ti, DKDP. В процессе эксперимента производилось варьирование как условийформирования лазерной плазмы (интенсивность излучения, его контраст,использование дополнительного чистящего предымпульса), так и условийдиагностики (изменение знака заряда регистрируемых частиц).В ряде случаев (в частности для H1+, C5+, C6+) полученные данные хорошосогласуются с результатами различных теоретических моделей, предсказывающих как зарядовые распределения ионов плазмы на длине разлета порядка 60см, так и значения их характерных энергий, в условиях интенсивности лазерного импульса на уровне 1016 Вт/см2.

Так, энергия, оцененная по формуле дляионнозвуковой скорости (~√3Z·Te/M), составила ~10-100 кэВ, а значения вэксперименте, оказались равными 9 кэВ и 40 кэВ соответственно для H1+ и C6+.С другой стороны, предсказанная в 1-й главе диссертации полная ионизацияионов углерода, на самом деле успешно наблюдалась в эксперименте. Дляионов углерода, кислорода, кремния, железа, титана, фосфора и калия, значениясреднего заряда регистрируемых ионов оказалось равным 3 ± 1, а максимального 5-6. Средняя энергия наиболее быстрых ионов плазмы равнялась ~ 9 кэВ врасчете на единицу заряда.Также в работе было отмечено непротиворечивость энергетическихспектров ионов с электронными энергетическими спектрами плазмы.3.

Впервые путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на твердотельнойповерхности мишени импульсами с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующихтепловым и горячим электронам. Полученный в эксперименте энергетическийспектр был успешно аппроксимирован двойным экспоненциальным распределением с температурами соответственно равными Tth=240±60 эВ и Thot=14.4±4кэВ. При этом было установлено отсутствие зависимости профиля энергетического спектра, а также рассчитанных температур от типа материала мишени(Si, Ti и Fe). Приведенные значения не плохо согласуются с известными излитературы величинами рассчитанными численно.

Так, в условиях интенсивности лазерного излучения ~1016 Вт/см2, оценка сверху для температуры тепловыхэлектронов составила 500 эВ, а среднее значение температуры для горячихэлектронов оценивалось равным ~5 кэВ.18Измеренное количественное соотношение между горячей и тепловойэлектронными компонентами среди “убегающих” электронов составило A = 0.7± 0.3.4. Впервые в струе горячей фемтосекундной лазерной плазмы сформированной сверхинтенсивным лазерным импульсом на твердотельной поверхностимишени были зарегистрированы высокоэнергетичные однократно заряженныеотрицательные ионы с максимальной энергией не менее 34 кэВ. Относительныйвыход отрицательных ионов при давлении в вакуумной камере на уровне 10-5Торр составил значение 10-3≤η≤10-2, что существенно превышает величину,соответствующую полному ионизационному равновесию (например: η≤10-17для T~10эВ и ni~ 1014см-3).

При этом наличие углеводородных и оксидныхпримесей способствовало росту выхода отрицательных ионов. Формированиеотрицательных ионов в расширяющейся лазерной плазме происходит впроцессе перезарядки положительных ионов на молекулах остаточного газа вкамере. Фактором, определяющим величину общего потока отрицательныхионов, является давление остаточного газа в камере. Было указано на возможность использования фемтосекундной лазерной плазмы как источника пучковотрицательно заряженных ионов с энергиями в несколько десятков кэВ (~ 30кэВ и более).5. Было показано, что присутствующий на поверхности мишени примесный слой, состоящий из углеводородов, окислов и паров воды, существеннымобразом модифицирует параметры ионного тока лазерной плазмы. Основныемодификации заключаются в: изменении массового состава ионов плазмы, атакже в том, что наибольшую энергию на единицу заряда иона приобретаютлегкие примесные элементы.

Тем самым существенная доля лазерной энергииперераспределяется в кинетическую энергию примесных ионов.Так, при формировании лазерной плазмы импульсами с интенсивностью16в 10 Вт/см2 на поверхности неочищенной мишени в условиях окружающегомишень вакуума на уровне 10-5 Тор, доля примесных ионов составляет порядка2/3 среди всех ионов с энергией 100 эВ и выше.