Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом - роль примесного слоя (1102805)
Текст из файла
На правах рукописиЛачко Илья МихайловичДИАГНОСТИКА ИОННОГО ТОКАГОРЯЧЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ,СФОРМИРОВАННОЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ:РОЛЬ ПРИМЕСНОГО СЛОЯСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 2006Работа выполнена в Международном Учебно-Научном Лазерном Центреи на физическом факультете Московского Государственного Университета им.М.В. Ломоносова.Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентСавельев-Трофимов Андрей БорисовичОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукЧевокин Виктор Константиновичдоктор физико-математических наукЧерныш Владимир СавельевичВедущая организация:Институт теплофизики экстремальныхсостояний, Объединенный институт высокихтемператур Российской Академии НаукЗащита состоится 19 октября 2006 г.
в 1600 часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университетеим. М.В. Ломоносова по адресу:119992, ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет,Корпус Нелинейной Оптики, аудитория им. С.А.Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультетаМГУ им. М.В. Ломоносова.Автореферат разослан: “ 15 ” сентября 2006 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31кандидат физ.-мат. наук, доцентТ.М. Ильинова3I. Общая характеристика работыАктуальность темыПоследние два десятилетия сопровождались бурным развитием техникипостроения мощных лазерных систем, способных генерировать сверхкороткиеимпульсы с длительностью 30–300 фс и энергией до единиц Дж. Жесткаяфокусировка такого излучения позволяет достигать интенсивностей световыхполей в перетяжке объектива на уровне ~1017 Вт/см2 и выше.
Это обстоятельство вызвало существенный научно-исследовательский интерес к вопросу поведения вещества (и особенно вещества находящегося в конденсированном состоянии) в столь интенсивном электромагнитном поле, поскольку его напряженность становится сравнимой c внутриатомным кулоновским полем в атомеводорода (~ 5⋅109 В/см).Лазерная плазма, формируемая при взаимодействии столь интенсивногоизлучения с твердотельным веществом, принципиально отличается по своимхарактеристикам и возможным приложениям от плазмы, формируемойнастолько же энергетичными (~1 Дж), однако менее интенсивными наносекундными импульсами, которая уже была широко исследована в 60-х–70-хгодах прошлого столетия. В частности, такие уникальные характеристикифемтосекундной лазерной плазмы (ФЛП) как около-твердотельная ионнаяплотность, а также высокая кратность ионизации (соответствующая температуре порядка 1 кэВ), стимулировали проведение исследований в различныхобластях науки и техники, среди которых: физика лазерного термоядерногосинтеза, инициирование реакций внутриядерных переходов, создание новыхтипов сверхинтенсивных импульсных источников (ионов, электронов, коротковолнового электромагнитного излучения) и т.п.Появление уникальных энергетических характеристик ФЛП является, всвою очередь, результатом уникальных физических процессов, сопровождающих поглощение лазерной энергии веществом, которые не наблюдаются применьших интенсивностях.
Так, уже при интенсивностях на уровне 1016–1017Вт/см2 классические (столкновительные) механизмы поглощения световойэнергии, ответственные в первую очередь за формирование так называемойтепловой электронный компонент плазмы, “перестают работать”. Дальнейшеепоглощение лазерной энергии осуществляется за счет дополнительных, бесстолкновительных механизмов, которые приводят к формированию так называемой горячей электронной компоненты. В целом, на их долю можетприходиться до 10% лазерной энергии уже при субрелятивистском уровнеинтенсивности. При этом средняя энергия горячих электронов может на 1-2порядка превосходить среднюю энергию тепловых.4Впоследствии на границе плазма-вакуум тепловые и горячие электроныобразуют так называемое амбиполярное поле, которое приводит к ускорениютяжелой, ионной компоненты плазмы. При этом скорость, набираемая наиболеебыстрыми из этих ионов, становится сравнимой с ионнозвуковой скоростью вплазме ~√3Z·Te/M.Несомненно, важным аспектом задачи изучения физики высокотемпературной лазерной плазмы является диагностика параметров испускаемых еючастиц.
При этом все известные методы диагностики плазмы можно разделитьна две группы: оптические и корпускулярные. Оптическая диагностика плазмыможет включать в себя регистрацию квантов света весьма широкого спектрального диапазона, начиная от вакуумного ультрафиолетового и рентгеновскогоизлучения и заканчивая излучением видимого спектра.В задачи корпускулярной диагностики лазерной плазмы входят:регистрация тока ионов, электронов, нейтральных частиц плазмы, кластерныхструктур и пр. с возможностью определения их энергий, скоростей и масс,зарядовых состояний, абсолютных величин токов, телесных углов разлета и пр.Среди существующих и широко используемых корпускулярных методов диагностики можно выделить такие методики как: времяпролетная, масс-спектрометрическая, масс-спектрометрический анализ предварительно перезаряженных ионов, времяпролетные измерения тока ионов, ускоренных во внешнемэлектростатическом поле и пр.В связи с тем, что до последнего времени в лаборатории сверхсильныхсветовых полей физического факультета МГУ корпускулярные методы диагностики лазерной плазмы не были развиты в должной мере (в отличие от оптических методов), одной из основных задач настоящей диссертационной работыстало создание экспериментального масс-спектрометрического комплекса набазе масс-энергоанализирующего устройства.Существенное влияние на процесс ускорения ионной компоненты плазмыоказывают искусственно созданные модификации структуры мишени и преждевсего, ее поверхностного слоя.
К таким модификациям можно отнести: предварительное формирование рельефа поверхности мишени, использование многокомпонентных (двухслойных), а также тонкопленочных мишеней. В частности,использование двухслойных мишеней, в которых наружный тонкий слой представлен элементом с меньшим атомным номером, приводит к увеличениюэффективности ускорения “легких” ионов. Напротив, “тяжелые” ионы, расположенные в нижнем слое мишени, ускоряются менее эффективно.Весьма похожая картина наблюдается при использовании мишени, поверхность которой загрязнена углеводородными соединениями, покрыта окиснымслоем либо содержит адсорбированные пары воды.
В этом случае роль “легкого” внешнего слоя выполняют атомы H, C и O. К сожалению, далеко невсегда желаемым оказывается эффективное ускорение примесных ионов с5одновременным уменьшением энерговклада в ионы основного материаламишени. Все это определило вторую из основных задач диссертационной работы: задачу изучения роли примесного слоя на параметры ионного тока формируемой лазерной плазмы, а также разработка методики очистки мишени отпримесей.Цели диссертационной работы1. Создание экспериментальной установки для масс-спектрометрической диагностики заряженных частиц из лазерной плазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до 1017 Вт/см2.
Установка должна обеспечивать регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от сотен до десятков тысяч эВпри разрешающей способности по энергии не менее 10–20 и хорошей помехозащищенности от электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы;2. Разработка и оптимизация методики импульсной лазерной очистки мишениот содержащихся на её поверхности примесного и окисного слоев. Исследование влияния параметров импульсной лазерной очистки (плотность энергии импульса, время опережения по отношению к фемтосекундномуимпульсу) на параметры формируемого тока из плазмы;3. Измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров частиц из лазерной плазмы, формируемой фемтосекундным импульсом с интенсивностьюсвыше 1016 Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени, в зависимости отатомного состава поверхностного слоя мишени и параметров этого импульса(энергетический контраст).Научная новизна работы1.
В струе ионов, вылетающих из горячей плотной плазмы, сформированнойсверхинтенсивным фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельнойповерхности мишени, были зарегистрированы высокоэнергетические однократно заряженные отрицательные ионы с высоким выходом до 10-2 относительно общего числа положительных ионов;2. Путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекундной лазерной плазмы, формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью ~1016 Вт/см2, подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам;3.
Показана возможность управления параметрами ионных токов (таких каксредняя и максимальная энергия основных ионов плазмы, кратности ионизации ионов) путем изменения условий предварительной импульсной лазерной очистки.6Практическая ценность1. Созданная экспериментальная установка на основе времяпролетного массспектрометра в дальнейшем может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени импульсами с интенсивностью, не превышающей 1017 Вт/см2. Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять обработкуданных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации;2.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
