Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом

На правах рукописиУрюпина Дарья СергеевнаФОРМИРОВАНИЕ БЫСТРЫХ ИОНОВИЗ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ, СОЗДАННОЙВЫСОКОКОНТРАСТНЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква2006Работа выполнена на физическом факультете Московского государственногоуниверситета им. М.В. Ломоносова.Научный руководитель:Официальные оппоненты:доктор физико-математических наук, доцентСавельев-Трофимов Андрей Борисовичдоктор физико-математических наук, профессорКрайнов Владимир Павловичкандидат физико-математических наукКильпио Александр ВладимировичВедущая организация:Институт прикладной физики РАНЗащита состоится 19 октября 2006 г.

в 16 00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992 ГСП-2 Москва,Ленинские горы, МГУ, физический факультет, КНО, аудитория им. С.А.Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «» сентября 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. ИльиноваОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темыПлазма, формируемая на поверхности твердотельной мишени мощным фемтосекунднымлазерным импульсом (ФЛИ) с высоким контрастом, является уникальным источникомбыстрых ионов.

Основной интерес в изучении ионных токов плазмы связан с возможностьюсоздания пучков ионов, которые могли бы использоваться в задачах имплантации ионов,напыления тонких пленок, для быстрого инициирования ядерной реакции в плазме, вмедицинских целях (например, для протонной терапии раковых опухолей) и т.д. Кроме того,исследуя ионные токи, можно получить информацию о параметрах сформированной плазмы(например, можно оценить среднюю энергию электронов в плазме, заряд ионов и пр.).По мере развития лазерной техники длительность лазерного импульса уменьшалась, чтоприводило к повышению интенсивности.

Изменение параметров лазерного импульсасущественным образом влияет на свойства формируемой плазмы и, в конечном счете, наионный ток плазмы. При воздействии наносекундных и пикосекундных импульсов синтенсивностью до 1014-1015 Вт/см2 за время действия лазерного импульса успеваетсформироваться равновесная плазма, электроны которой обладают максвелловскимраспределением по скоростям. Ускорение ионов в такой плазме происходит благодаряамбиполярному полю, формирующемуся на границе плазма-вакуум между электронами иионами. При этом, электроны набирают энергию в результате столкновительного механизмапоглощения лазерного импульса и разлетаются из плазмы в широкий телесный угол.Пространственное распределение ионов тоже оказывается очень широким.

С увеличениеминтенсивности лазерного импульса от 1015 Вт/см2 появляются дополнительные эффекты,приводящие к изменениям в энергетическом спектре ионов. В первую очередь, это связано сгенерацией горячих электронов в плазме. Горячие электроны ускоряются непосредственносамим полем лазерного импульса и формируются в поверхностном слое плазмы. Основныемеханизмы генерации горячих электронов это: резонансное поглощение, вакуумный нагрев,пондеромоторное ускорение и т.д. Ускорение горячих электронов происходитпреимущественно в направлении нормали к поверхности мишени, поэтому они вылетают изплазмы в одном направлении и телесный угол их разлета значительно ужé, чем пристолкновительном нагреве.

Ионы, ускоряясь такими электронами, также разлетаются в узкийтелесный угол преимущественно по нормали к поверхности мишени.В то же время, модификация физических свойств поверхности мишени позволяетуправлять атомным и ионным составом разлетающейся плазмы. Известно, что даже наповерхности обычной твердотельной мишени находится слой окисла, воды и углеводородов.Толщина такого слоя сравнима с глубиной скин-слоя. В случае плазмы, образованной ФЛИ,это обстоятельство в значительной степени определяет энергию, заряд и атомный номерионов. Поскольку горячие электроны формируются в скин-слое, то до значительных энергийускоряются ионы поверхностных загрязнений, главным образом протоны.

Ионы основноговещества мишени ускоряются преимущественно тепловыми электронами и приобретаютменьшие энергии на единицу заряда. Ситуация изменяется, если поверхность мишениочищена от слоя загрязнений. Для очистки поверхности мишени обычно используютрезистивный нагрев, ионное распыление или импульсную лазерную очистку. Недостаткомрезистивного метода очистки мишени является невозможность удаления окисного слоя, таккак обычно температура плавления окислов превышает температуру плавления самоговещества.

Кроме того, при таком методе необходимо использовать токопроводящую мишеньили мишень с токопроводящей подложкой. Очистка поверхности мишени ионным пучкомили лазерным импульсом позволяет использовать в экспериментах мишень любого типа(металлы, полупроводники и диэлектрики). Также, лазерная очистка позволяет локально3нагреть мишень до температур, обеспечивающих удаление не только углеводородов и воды,но и окисного слоя. Изменяя качество очистки поверхности мишени от слоя загрязнений,можно управлять максимальной энергией ионов основного вещества мишени. Помимо этого,в поверхностном слое мишени, благодаря более высокой температуре тепловых электронов иболее низкой концентрации плазмы, ионизация происходит эффективнее. То есть изменениетолщины примесного слоя дает возможность управления зарядом ионов.

Большинствоэкспериментов до настоящего времени проводились с использованием мишеней споверхностью, не подвергнутой предварительной очистке. Это в значительной степенизатрудняет понимание физических процессов происходящих в плазме ФЛИ.Обычно в экспериментах с плазмой ФЛИ используются различные твердотельныемишени, кластеры, микрокапли и струи. Однако, можно использовать и жидкость.

Это можетбыть заманчиво, прежде всего, тем, что жидкую мишень не надо ни сдвигать, ни обновлятьпосле каждого лазерного выстрела. Такая ситуация значительно облегчает конструированиевозможных источников частиц и излучения из плазмы. Понятно, что если времявосстановления поверхности жидкости после воздействия лазерного импульса достаточномало, то это позволит использовать такую мишень в экспериментах с высокой частотойповторения лазерных импульсов.К настоящему моменту существует ограниченное число работ, в которых проводилисьисследования плазмы, формируемой лазерным импульсом на поверхности жидкости.

Вчастности, измерялся спектр тормозного рентгеновского излучения из плазмы, формируемойна поверхности воды единичным лазерным импульсом и «мульти-импульсом»(последовательность лазерных импульсов, отделенных друг от друга временным интерваломв 10 нс). Частота повторения лазерных импульсов в данных экспериментах была 10 Гц. Былообнаружено, что при воздействии «мульти-импульсом» появляется более жесткоерентгеновское излучение по сравнению с режимом единичных лазерных импульсов. Такоеувеличение энергии рентгеновских квантов было связано с появлением микрокапель в случае«мульти-импульса». Исследовалось также взаимодействие лазерных импульсов, следующихс частотой 2 кГц со свободной поверхностью ртути.

Однако, в опубликованных работах нетданных касательно динамики рентгеновского излучения в зависимости от номера лазерногоимпульса и т.п. Необходимо отметить, что все перечисленные эксперименты проводились ватмосфере окружающего воздуха при атмосферном давлении, что, по-видимому,существенно снижало эффективность генерации рентгеновского излучения за счетнеизбежных потерь в результате ионизации приповерхностного воздушного слоя.Существует также ряд работ по изучению плазмы, образующейся на поверхности жидкостипри воздействии пикосекундными и фемтосекундными импульсами с интенсивностью до1013 Вт/см2, а также по наблюдению ударных волн, образующихся в области пробоя.Для получения ионов с большой энергией значительный интерес представляетиспользование лазерных импульсов с высоким контрастом.

В случае, когда лазерныйимпульс обладает пьедесталом или предымпульсом с интенсивностью выше 1010-1011 Вт/см2на поверхности мишени формируется предплазма и поглощение основного импульсапроисходит уже не на резкой границе мишень-вакуум, а на границе со спадающимградиентом плотности плазмы. Наиболее частые причины плохого контраста лазерногоимпульса это усиленная спонтанная люминесценция, несогласованность решетоккомпрессора и т.п. Энергии ионов, ускоряющихся в плазме с низкой плотностью ниже, чем втвердотельной плазме.

Это происходит от того, что из-за размытости границы плазма-вакуумне происходит четкого разделения электронов и ионов в пространстве и электростатическоеполе между электронами и ионами не достигает значительных величин для эффективногоускорения ионов. Для лазерного импульса с интенсивностью ~1016 Вт/см2 (Te~200 эВ,4ne~5⋅1023 см-3) на резкой границе плазма-вакуум амбиполярное поле может достигать~ 2⋅1010 В/м.

Помимо более низкой энергии, ионы в плазме, сформированной лазернымимпульсом с низким контрастом, обладают и более низким зарядом, так как ионизацияпроисходит в плазме с более низкой плотностью и температурой электронов. Таким образом,необходимым условием для получения ионов с большой энергией и зарядом являетсяналичие лазерного импульса с высоким контрастом, обеспечивающего формированиевысокотемпературной твердотельной плазмы.Одновременно с развитием лазерной техники происходило развитие аналитических ичисленных моделей, описывающих разлет ионов.