Диссертация (1102719), страница 18
Текст из файла (страница 18)
3. 5.500, фс4003002001000-1,5 -1,0 -0,5 0,00,51,01,52,02,53,0dx, ммРис. 3. 5. Зависимость длительности лазерного импульса от относительного смещения дифракционной решетки компрессора.В [192] измерялась корреляционная функция третьего порядка для определенияпикосекундного контраста используемых импульсов для двух разных положений решетки:соответствующей минимальной длительности и относительном смещении 1,5 мм. Присмещении 1,5 мм, основной пик автокорреляционной функции имел ширину, соответствующуюдлительности 300 фс, что соответствует результатам, полученным нами.С учетом калибровки ФЭК 150 В/мкДж, можно сделать нижнюю оценку эффективностиГВГ в кристалле. Энергия неколлинеарной второй гармоники при минимальной длительности7740В/150=0,3 мкДж, а для длительности 450 фс E≈12/150=0,08 мкДж.
При падающей энергииE0=0,1 мДж эффективность для длительностей 90 фс и 450 фс будет соответственно 3∙10 −3 и0,8∙10−3.Как уже было сказано, энергия используемого лазерного излучения ограничиваласьвеличиной ≈5 мДж, в силу того, что при больших значениях энергии возникалосамовоздействие излучения в воздушном тракте, по которому оно доставлялось до вакуумнойкамеры. Самовоздействие лазерного излучения можно оценить, рассчитав набег фазы лазерногоимпульса по формуле (3.2). Величина n2 для воздуха – 5,57·10−19 см2/Вт [207], для кварца –2·10−16 см2/Вт [208].
На Рис. 3. 6 показан набег фаз для энергий E=1-10 мДж (при постояннойдлительности 300 фс) и длительностей импульса τ=50-1000 фс (при постоянной энергии5 мДж)./0,60E, мДж42680,60,50,50,40,40,30,30,20,10,0t=son=cс0ф30st=52000,2E=con400600м Дж8000,10,01000t, фсРис. 3. 6. Зависимость набега фазы (в единицахπ) от длительности лазерного импульса при постоянной его энергии 5мДж (черная кривая), и от энергии лазерного импульса при постоянной его длительности 300 фс (синяя кривая).
Учтеныкварцевые элементы и путь в воздухе.Видно,чтосущественноесамовоздействие(какправило,единогокритерия«существенности» нет, но можно считать таким критерием превышение набега фазы более чемна π/2) происходит для энергий лазерного импульса более 6 мДж при постоянной длительности300 фс, а в случае фиксированной энергии лазерного импульса в 5 мДж - для длительностей300 фс.Наличие самовоздействия экспериментально контролировалось путем анализа спектралазерного излучения (Рис.
3. 7).78ЭнергияЧирпирование:смещение решетки, ммE=5 мДж1,03 мДж1,3 мДж5 мДж8,5 мДжфс0,31,49,7A, о.е.A, о.е.1,00,50,00,50,0780790800810820830780790800810820830, нм , нмб)а)Рис. 3. 7. Спектр лазерного излучения а) энергией 5мДж при различном чирпировании лазерного импульса б) при постояннойдлительности импульса 300 фс и различных его энергиях.Полученные спектры соответствуют вышеприведенной оценке: так, лазерный импульсэнергией 5 мДж подвергается самовоздействию при практически полном отсутствиичирпирования (смещению дифракционной решетки на 0,3 миллимета, т.е.
при длительностиимпульса ≈60 фс), в то время как при положительном чирпировании и длительностях более300 фс спектр не модифицируется (Рис. 3. 7а). При постоянной же длительности лазерногоимпульса около 300 фс, спектр начинает существенно уширяться при энергиях более 5 мДж(Рис. 3. 7б).§3.3 Генерация жесткого характеристического рентгеновского излучения прилазерном возбуждении кластеров аргонаОдной из основных методических задач являлась регистрация рентгеновскогоизлучения, источником которого служит кластерная наноплазма аргона, а также оценка выходаиэффективностигенерациирентгеновскогоизлучения.Приописанныхвышеэкспериментальных условиях (диаметр критического сечения сопла – 0,75 мм, полуугол привершине – 5°, газ – аргон, давление – 30 атм, комнатная температура) радиус аргоновыхкластеров будет составлять 27 нм (Глава 1 §1.2).
При воздействии на струю таких аргоновыхкластеров лазерным излучением с энергией ≈5 мДж, был зарегистрирован сигнал на ФЭУ,соответствующий интегральному выходу рентгеновского излучения, а такжеполученыспектры рентгеновского излучения на спектрометре Amptek.Спектр накапливался в однофотонном режиме (~0,3 квантов/импульс), которыйдостигался подбором диафрагмы и использованием набора фильтров, в том числе расстояниемот входного окна спектрометра до выходного окна вакуумной камеры (толщиной воздушной79прослойки, которая играла роль фильтра). Спектр позволил оценить выход рентгеновскихквантов за лазерный импульс и эффективность генерации рентгеновского излучения.
Алгоритмоценки эффективности генерации рентгеновского излучения был следующим.1. Первичная обработка полученных спектров, заключалась в том, что учитывалосьвлияние фильтров (слой воздуха, толщина бериллиевого окна вакуумной камеры, толщинаалюминиевого фильтра) – количество зарегистрированных квантов на определенной энергииделилосьнакоэффициентпропусканияфильтров,соответствующийэтойэнергии.Коэффициент пропускания каждого фильтра в зависимости от энергии рентгеновских квантовбыл получен на сайте [209]. Пример спектра до и после учета пропускания фильтров показан наРис. 3. 8.
Данный спектр был получен для «высокого» лазерного контраста, аргона давлением30 атм, накапливался 3600 с, на спектрометре была установлена диафрагма диаметром 200 мкм,бериллиевое окно вакуумной камеры являлось фильтром (толщина 250 мкм), междуспектрометром и выходным окном вакуумной камеры была воздушная прослойка 1 см.Высокая амплитуда спектральных компонентов в низкоэнергетической области (<2 кэВ вданном случае) является следствием очень низкого коэффициента пропускания в этой области.При подсчете интегрального выхода рентгеновского излучения, эти компоненты неучитывались, поэтому оценки по выходу рентгеновского излучения являются немногозаниженными.1,01000,8800,66025Tотсчеты20150,410500123456789кванты, шт.30400,2200,0100E, кэВ123456E, кэВ789а)10б)Рис.
3. 8. Спектр полученный для аргона и кривая пропускания (а); тот же спектр, с учетом пропускания фильтров (б). Энергияв импульсе – 7 мДж.2. Подсчитывалась суммарная энергия квантов в требуемом диапазоне. Так, для оценкивыхода характеристического рентгеновского излучения и эффективности его генерации вслучае аргоновых кластеров, диапазон был 2,7-3,3 кэВ.803. Учитывался телесный угол, под которымвелась регистрация рентгеновского излучения ивремя накопления спектра.
В результате, энергия рентгеновских квантов, сгенерированных залазерный импульс:,где- энергия, соответствующая телесному углу спектрометра (полученная впредыдущем пункте),- телесный угол, S-площадь вещества, на которой фиксируютсякванты (r – радиус диафрагмы на спектрометре), R-расстояние между кластерной струей испектрометром (оно, как правило, составляло порядка 40 см), t – время накопления спектра.4. Оценивалась эффективность генерации рентгеновского излучения:где– энергия лазерного импульса,,– суммарная энергия рентгеновских квантов,сгенерированных за один лазерный импульс.
Энергия лазерного импульса измерялась дофокусирующей линзы. Поэтому с учетом всех потерь:,где Tl – пропускание линзы, Tw пропускание окна в вакуумной камере, Tl≈ Tw. Этикоэффициенты определяются отражением излучения на обоих гранях окна (коэф. отражения отодной грани - 0,034, по формуле френеля()(), где n – отношение показателейпреломления сред. Так, если измеренная энергия была 5 мДж, с учетом всех потерь, докластерной струи доходило 3,96 мДж.В результате было получено (Табл.3. 1), что в случае «низкого» контраста лазерногоизлучения,за лазерный импульс генерируется (1,8±1,2)∙106рентгеновских квантов (вдиапазоне энергий более 2,7 кэВ), (1,4 ±0,9)∙106 из которых характеристические (лежат в вобласти 2,7-3,3 кэВ). При этом, эффективность генерации характеристического рентгеновскогоизлучения составляет (1,3±0,9)∙10−7.
При «высоком» контрасте лазерного излучения, выход иэффективность возрастают на порядок.81Табл.3. 1. Выход рентгеновских квантов и эффективность их генерации при возбуждении кластеров аргона лазернымизлучением с различным контрастом.Выходхарактеристическихквантов за импульсЭффективностьконверсии вхарактеристическуюлинию(1,8 ±1,2) ∙106 (1,5 ±0,9) ∙10−7(1,4 ±0,9) ∙106(1,3 ±0,9) ∙10−7(1,9±0,6)·107 (1,5 ±0,5) ∙10−6(1,5±0,5)·107(1,2±0,4)·10−6Полный выходрентгеновскихквантов за импульсконтрастнизкийвысокийЭффективностьконверсииКонтраст характеристической линии в рентгеновском спектре (отношение амплитудыхарактеристическойлинииктормозномуфону)составляет≈10,приэтомчислохарактеристических квантов составляет порядка 80% от общего выхода.
Высокая доляхарактеристических рентгеновских квантов делает правомерным использование ФЭУ дляоперативного измерения выхода рентгеновского излучения в каждом акте взаимодействиялазерного излучения с кластерами.Помимо этого, была проведена оценка выхода рентгеновского излучения, основанная насигнале, полученном на ФЭУ и предположении о том, что все зарегистрированные кванты –характеристические (имеют энергию 3 кэВ). Зная сигнал, полученный на ФЭУ, его калибровку(1,52 мВ/кэВ), пропускание фильтров и телесный угол, под которым был расположен ФЭУ,вычислялась суммарная энергия всех рентгеновских квантов, сгенерированных за одинлазерныйимпульс.Врезультате,выходрентгеновскогоизлучениясоставил(2,1±1,8)·106 фот/имп. Это значение хорошо согласуется со значением интегрального выхода,полученным из рентгеновских спектров и подтверждает правомерность использования в нашихэкспериментах ФЭУ для оперативного измерения выхода рентгеновского излучения безнакопления спектров.Прямоевышеописанныхсравнениесизвестнымиэкспериментахзначенийлитературнымиданнымиэффективностиполученныхгенерациииввыходахарактеристических квантов затруднительно: параметры экспериментов (давление газа, энергияи интенсивность лазерного излучения и т.п.) у различных научных групп сильно варьируются.Можно грубо сопоставить результаты, пересчитав известные эффективности и выходрентгеновского излучения с учетом того, как меняется выход рентгеновского излучения взависимости от давления газа и интенсивности излучения, иначе говоря, отнормироваврезультаты, известные из литературы, по давлению и интенсивности.Зависимость выхода рентгеновского излучения от давления аргона при лазернойинтенсивности 1016 Вт/см2 близка к кубической [159], это подтверждается в [174] для диапазона8210−45 атм, в [210] эта зависимость пропорциональна степени 1,7, в [211] показатель степени –3,7.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
