Диссертация (1102719), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Кластерная мишень объединяет в себе преимущества твердотельной и газообразноймишеней и может поглощать до 95% энергии взаимодействующего с ней лазерного излучения.Кластерная наноплазма, возникающая под действием интенсивного фемтосекундного лазерногоизлучения,являетсяисточникомнетолькорентгеновскогоизлучения,нои высокоэнергетических ионов, нейтронов и электронов [10].
Она обладает ярко выраженныминелинейно-оптическими свойствами: распространение фемтосекундного лазерного излучения в6ней сопровождается филаментацией [11], генерацией гармоник [12] и излучения в терагерцовомдиапазоне.Яркое характеристическое рентгеновское излучение из кластерной наноплазмыможет быть получено с эффективностью сопоставимой со случаем твердотельной мишени [13].В этой связи одной из актуальных проблем является повышение эффективности генерациирентгеновского излучения и расширение набора получаемых характеристических линий.Очевидным способом повышения эффективности генерации характеристическогорентгеновского излучения (кроме управления интенсивностью лазерного излучения) являетсяиспользование крупных кластеров, содержащих более 106 частиц [13].
Простейший способувеличения размера кластеров – повышение давления рабочего газа в пределах 10-100 атм.Другим ключевым параметром, определяющим эффективность генерации рентгеновскогоизлучения, является плотность электронов, возникших в результате начальной ионизациикластера лазерным импульсом. В наноплазме, образованной кластерами многоатомныхмолекул, электронная плотность может быть выше по сравнению с кластерной наноплазмой наоснове инертного газа.
Кроме того, использование молекулярных газов выгодно и в планерасширения набора линий характеристического рентгеновского излучения. Эффективнымспособом создания крупных молекулярных кластеров является использование смеси, состоящейиз легкокластеризующегося молекулярного газа и относительно легкого газа-носителя, взятоговболеевысокойконцентрации[14].Поэтомуможноожидать,чтогенерацияхарактеристического жесткого рентгеновского излучения (с энергией квантов более 2 кэВ)будет происходить с высокой эффективностью при использовании в качестве мишени крупныхкластеров многоатомных молекул.Использование смесей многоатомных молекул с инертными газами при определенныхконцентрациях может сопровождаться появлением смешанных кластеров, содержащих и атомыи молекулы.
Такие кластеры представляют интерес не только в плане особенностей их строения[15, 16], лазерной ионизации и дефрагментации [17], но и генерации наноплазмы ихарактеристического мультиэнергетического рентгеновского излучения. Можно ожидать, чтопри лазерном возбуждении таких кластеров, спектр рентгеновского излучения будет содержатьхарактеристические линии всех компонентов, составляющих кластер. Представляет интересвопрос и о возможности управления парциальной концентрацией компонентов, образующихсмешанные кластеры, что даст возможность влиять и на выход характеристического излученияна соответствующих линиях.7Такимобразом,тематикадиссертационнойработыпредставляетсяновойивостребованной как в области фундаментальных исследований, так и с точки зренияпрактического применения.Цели диссертационной работы1.Изучениеособенностейпараметроввторойгармоникилазерногоизлучения(спектральная модификация, эффективность генерации) и выхода рентгеновского излучения,возникающих при создании микроканала в твердотельной мишени последовательностьюинтенсивных (I≈1015-1016 Вт/см2) фемтосекундных (~100 фс) лазерных импульсов.2.Исследованиевозможностиполученияэффективнойгенерациижесткогохарактеристического рентгеновского излучения в диапазоне 2-5 кэВ при воздействии намолекулярныекластерыфемтосекунднымлазернымизлучениемсинтенсивностьюI≈1015-1016 Вт/см2.3.Детектированиесмешанныхатомарно-молекулярныхкластеровпоспектрурентгеновского излучения, возникающего при их возбуждении фемтосекундными лазернымиимпульсами с интенсивностью I≈1015-1016 Вт/см2 и создание двухэнергетического источникарентгеновского излучения на основе смешанных кластеров.Научная новизна1.Обнаружено, что при формировании микроканала в мишени последовательностьюсфокусированных (f=6 см) на ее поверхность фемтосекундных (~100 фс) лазерных импульсов синтенсивностью I≈1016 Вт/см2, выход рентгеновского излучения и сигнал второй гармоникиизлучения немонотонны и имеют экстремум (достигают максимума).
Эффективность генерациирентгеновского излучения возрастает с 1∙10−6 до 6∙10−6 при формировании канала в мишени изплавленого кварца, находящейся в вакууме. В случае, если мишень находится в воздухе,эффективность генерации рентгеновского излучения при тех же условиях возрастает с 4∙10 −8 до4∙10−7. Установлено, что при формировании канала, эффективность процесса ГВГ достигаетвеличины 4·10−3, а сдвиг спектра второй гармоники в голубую область составляет в среднемвеличину 25 нм.
Впервые исследована зависимость сдвига спектра основного лазерногоизлучения и его второй гармоники от номера лазерного импульса, воздействующего на мишень(алюминий, кварц), находящуюся в вакууме или воздухе.2.С помощью метода рэлеевского рассеяния установлено, что при использовании смеситяжелого молекулярного газа с относительно легким газом-носителем в большой пропорции8(SF6-Ar 1:8, CF3I-Ar 1:30, изменение давления смеси в диапазоне 10-50 атм), генерируютсякрупныемолекулярныекластеры.Впервыезарегистрированохарактеристическоерентгеновское излучение (энергии линий: ES(Kα)≈2,3 кэВ, ЕCl(Kα)≈2,6 кэВ, ЕCl(Kβ)≈2,8 кэВ иЕI(Lα)≈4 кэВ, ЕI(Lβ)≈4,2 кэВ) при фемтосекундном лазерном (I≈8·1015 Вт/см2) возбуждениикластеров SF6, CF3I и CF2Cl2, образующихся при расширении в вакуум смесей молекул cаргоном (концентрации 1:8, 1:15 и 1:9).
Получено, что при воздействии на кластеры молекулCF2Cl2 и SF6 (смеси CF2Cl2-He (1:9), SF6-He (1:8), давление 30 атм) фемтосекунднымиимпульсамиинтенсивностьюI≈8·1015Вт/см2(E≈5 мДж),эффективностьгенерациирентгеновского излучения достигает соответственно 2∙10−5 и 1∙10−5 при выходе 3∙108и 2∙108 фотон/имп.3.Впервые исследована зависимость сигнала третьей гармоники и картина свеченияплазменного филамента, возникающих при взаимодействии интенсивного лазерного излучения(наносекундный контраст Kns≈105, пикосекундный – Kps≈2∙102) с газокластерной струей, отположения вакуумного фокуса лазерного излучения относительно оси струи.
Установлено, чтопри максимальном выходе рентгеновского излучения, когда перетяжка лазерного излучениянаходится перед осью газокластерной струи, филамент имеет многофокусную структуру, асигнал третьей гармоники испытывает минимум. При изменении (улучшении) контрасталазерного излучения (Kns≈5∙106, Kps≈106), филамент в оптимальном режиме становитсяоднофокусным.4.Продемонстрировано, что спектр характеристического рентгеновского излучения можетлежать в основе метода детектирования смешанных кластеров.
Предложено для управленияпарциальной концентрацией компонентов, образующих смешанные кластеры, добавлять киспользуемой газовой смеси третий легкий компонент – гелий. На примере смеси газов фреона,аргона и гелия (CF2Cl2-Ar-He) впервые показана возможность управления выходомхарактеристического излучения на линиях кластерообразующих компонентов (аргона и хлора)за счет влияния гелия.Научная и практическая значимостьОбнаруженные существенные сдвиги (модификации) спектра второй гармоникилазерного излучения (достигающие 25 нм) могут служить в качестве индикатора наличия среды(взвеси, газа) внутри канала, формируемого в мишени интенсивным (I>1015 Вт/см2)фемтосекундным лазерным излучением.
Появление взвеси внутри канала может существенновлиять на процесс абляции вещества мишени.9Предложенный способ повышения эффективности генерации характеристическогорентгеновского излучения и увеличения количества характеристических рентгеновских линий,основанный на использовании крупных кластеров из многоатомных молекул, позволяетрасширить возможности источников сверхкоротких рентгеновских импульсов. Достижениеминимума сигнала третьей гармоники при одновременном образовании плазменногофиламента, наряду с выходом рентгеновского излучения, может использоваться в качествекритерия при проведении оптимизации положения вакуумного фокуса лазерного излученияотносительно оси газокластерной струи.
Зарегистрированное «выедание» (модификация)спектра лазерного излучения является еще одним критерием, который может быть использованпри оптимизации энерговклада лазерного излучения в кластерную среду.Спектр рентгеновского излучения является информационным каналом, позволяющимдетектировать существование смешанных кластеров. Полученный на их основе источник двухсинхронизованных характеристических рентгеновских линий может быть использован вэкспериментах по дифференциальному поглощению.Защищаемые положения1. Процесс образования микроканала в результате абляции твердотельной мишени поддействиемимпульсно-периодическогосфокусированногофемтосекундноголазерногоизлучения (I≈1016 Вт/см2) сопровождается немонотонными выходами его второй гармоники ирентгеновскогоизлучения,которыеимеютэкстремум(максимум).Максимальныеэффективности генерации рентгеновского излучения и второй гармоники составляют,соответственно, 6∙10−6 и 4·10−3 для мишени из плавленого кварца, находящейся в вакууме(остаточное давление 10−2 Торр).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
