Особенности формирования плазмы на поверхности расплавленных металлов сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением (1104157), страница 2
Текст из файла (страница 2)
с высокой частотойповторения импульсов. Самообновление поверхности мишени позволяет использоватьповерхность жидкости многократно (так как на ней не образуется кратеров), что значительноувеличивает ресурс по количеству выстрелов.5Развитая методика оптического зондирования одним лазерным пучком обеспечиваетинформацию о временной динамике расширения плазменного факела (методом теневогофотографирования).В целом подходы и методики, развитые в диссертационной работе, могут использоватьсядля создания различных источников плазменных излучений и частиц с высокой частотойповторения импульсов.Защищаемые положения1. Возможно эффективное управление параметрами плазмы (средняя энергия горячихэлектронов, эффективность генерации жесткого рентгеновского излучения с непрерывным илинейчатым спектром, энергетический спектр быстрых и медленных ионов), создаваемойфемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1016–1017 Вт/см2 на поверхностирасплавленного металла, если во временной структуре этого излучения содержитсяпредымпульс, опережающий основной импульс на 13 нс и имеющий амплитуду в 30-400 разменьшую, чем основной импульс.2.
Параметры плазмы, формируемой на поверхности расплавленного легкоплавкого металла(галлий, индий, висмут) фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1016–1017 Вт/см2 при частоте следования импульсов 10 Гц, слабо зависят от поляризациилазерного излучения. Так, эффективность преобразования по энергии в жесткийрентгеновский диапазон спектра, средняя энергия горячих электронов плазмы иэффективность генерации К-альфа излучения (галлия) совпадают в пределах ошибкиизмерения при s- и p- поляризации лазерного излучения и наносекундном контрасте поинтенсивности менее 400.3. Взаимодействие фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью порядка5х1016 Вт/см2 при частоте следования импульсов 10 Гц и контрасте по интенсивности свыше106 с поверхностью расплавленного металла, имеющего температуру свыше 400 К, приводитк формированию пучка быстрых тяжелых многозарядных ионов основного материаламишени с энергией, превышающей 1 МэВ.Апробация работы и публикацииОсновные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывалисьна следующих научных конференциях: IV и V Международный научный семинар«Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах» (Москва, 2007,2008), III Международная конференция «Перспективы нелинейной физики» (НижнийНовгород, 2007), Международная конференция по когерентной и нелинейной оптикеICONO-2007 (Минск, 2007), 5-ый семинар «Комплексные системы заряженных частиц и ихвзаимодействие с электромагнитным излучением» (Москва, 2007).6По теме диссертации опубликовано 7 научных работ, в том числе 2 статьи вотечественных научных журналах (1 журнал из списка ВАК России) и 5 тезисов докладов.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены принепосредственном участии автора.
Автор внес важный вклад в постановку и проведениеэкспериментов, обработку экспериментальных данных, а также интерпретацию полученныхрезультатов.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения. Работа изложена на 115страницах, включает 43 рисунка, 4 таблицы и список литературы (общее число ссылок 160).СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИВо Введении (раздел 1) сформулированы цели и задачи работы. Кратко изложеносодержание диссертации.Во втором разделе диссертационной работы представлен обзор работ, связанных свзаимодействием сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с плотнымимишенями.
Рассмотрены основные физические процессы, протекающие при взаимодействиифемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью 1016-1017 Вт/см2 с мишенями,плотность которых слабо отличается от твердотельной .При описании физической картины такого взаимодействия в параграфе 2.1. основноевнимание уделено процессам, приводящим к генерации горячих электронов. Горячийэлектронный компонент проявляется в виде «хвоста» в высокоэнергетичной части спектраэлектронов. Основным параметром, определяющим преимущественную роль того или иногобесстолкновительного механизма генерации горячих электронов, является пространственныймасштаб градиента электронной плотности.Ускорение ионов в такой плазме (параграф 2.2) происходит за счет амбиполярногополя, возникающего вследствие разделении зарядов на границе плазма-вакуум.
В случаеразлета плазмы, содержащей ионы одного типа, энергетический спектр ионов будетсоответствовать энергетическому спектру электронов. Если в плазме присутствуют горячиеи тепловые электроны, то появятся быстрый и медленный ионные компоненты.В параграфе 2.3. проведен обзор работ по формированию лазерно-плазменногоисточника с использованием фемтосекундного лазерного излучения с использованиемплотных мишеней различного типа.
Одной из ключевых проблем при создании такого родаисточников является необходимость быстрой смены области взаимодействия перед каждымлазерным импульсом. Наиболее простой тип мишени - мишень в виде плоской пластины, необеспечивает возможности долговременной работы. Для преодоления такого рода проблем7вместо плоских пластин в качестве мишени используются быстро вращающиеся диски, атакже протягиваемые проволоки и ленты. Помимо твердых веществ в качестве мишенимогут быть использованы вещества в жидкой фазе, также имеющие плотность, близкую ктвердотельной.
Наиболее простой и очевидной формой такой мишени является жидкость,налитая в кювету. Однако публикаций по использованию мишеней такого рода мало.При определенных условиях воздействие фемтосекундного лазерного импульса(предымпульса) на поверхности жидкости приводит к формированию микрокапель,взаимодействие с которыми последующих лазерных импульсов имеет важные особенности,приводящие, в частности, к существенному увеличению эффективности генерации жесткогорентгеновского излучения. Завершается раздел 2 формулировкой основных задач, решаемыхв рамках настоящей диссертации.В третьем разделе работы проведено описание основных частей использованнойэкспериментальной установки: фемтосекундного лазера на сапфире с титаном, созданнойкамеры взаимодействиядля исследованиявзаимодействиялазерногоизлучениясповерхностью жидкостей и расплавленных металлов, использованных методик регистрациижесткого рентгеновского излучения плазмы и ионных время-пролетных сигналов, а такжесхемы оптического зондирования плазменного факела.
В параграфе 3.1. приведеныосновные параметры излучения, генерируемого лазерной системой на сапфире с титаном, исхемы их измерения. Лазерная система, которая используется в наших экспериментах,генерируетимпульсноеизлучениедлительностью50 фс,энергиейдо25 мДжинаносекундным контрастом по интенсивности до 4х106. Фокусировка данного излучения спомощью безаберрационного объектива возможна при энергии в импульсе до 2 мДж, чтообеспечивает интенсивность на мишени вплоть до 1017 Вт/см2.Во временной структуре излучения отсутствуют предымпульсы на пикосекундноммасштабе времен с амплитудой более 10-5 от амплитуды основного импульса. Контрастсистемы на наносекундном масштабе определяется, в первую очередь, «просачиванием»излучения предыдущего импульса из цуга генерации регенеративного усилителя черезполяризационную развязку.
Контраст по энергии для данного предымпульса составляет от 10до 106 в зависимости от точности взаимной юстировки поляризаторов и нелинейныхкристаллов в ячейках Поккельса.Параграф 3.2 посвящен описанию схемы эксперимента, созданной нами камерывзаимодействия и используемых методик исследования плазмы (рис.1). Излучениефемтосекунднойлазернойсистемыфокусировалосьнамишеньбезаберрационнымобъективом с фокусным расстоянием 6 см через одно из окон вакуумной камеры.
Уголпадения излучения на мишень составлял 45°. Поворот вектора поляризации осуществлялся8поворотом полуволновой пластинки нулевого порядка вокруг оптической оси. Вакуумнаякамера откачивалась с помощью форвакуумного насоса до давления 10-2 Тор. В центрекамеры горизонтально устанавливалась мишень, представлявшаявшая собой кювету изнержавеющей стали с медным резистивным нагревателем, в которую помещалсянагреваемый легкоплавкий металл. Температура металла изменялась с помощью выборанапряжения на нагревателе от переменного трансформатора ЛАТР и измерялась в течениевсего эксперимента с помощью термопары, погруженной в металл.
Максимальнаятемпература металла составляла 600°K.Измерение характеристик плазмы проводилось по регистрации жесткого рентгеновскогоизлучения и ионных времяпролетных сигналов, а также методом оптического зондированиявдоль поверхности мишени. РентгеновскоеизлучениерегистрировалосьдвумяNaIдетекторами. Наборыаборы фильтров из фольгалюминия,бериллияитантала,расположенные перед входными окнамидетекторов, обеспечивалиобеспечива измерение выходажесткогоРис. 1. Схема экспериментальной установки.рентгеновскогоразличныеспектральныеОтметим,спектральномдиапазонерентгеновскоеизлучениеизлучениячтовобусловленовдиапазоны.регистрируемомименногорячимиэлектронами, вклад в спектральную функцию от тепловых электроновэлектроно пренебрежимо мал.Оценка на среднюю энергию Eh горячего электронного компонента плазмыпроизводилась по разработанной в лаборатории методике.
ИзмеренияИэффективностигенерации β тормозного рентгеновского излучения проводятся одновременно в дваразличных спектральных диапазона.диапазона Затем, исходя из известного спектра свечения лазернойплазмы и пропускания фильтров,фильтров можно оценить «температуру» горячих электронов плазмы.Измерение ионных токов производилось с помощью времяпролетного спектрометра смикро-канальной пластиной шевронного типа, пристыкованного к камере взаимодействия ввертикальном положении над мишенью.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
