Особенности формирования плазмы на поверхности расплавленных металлов сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением (1104157), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Была реализована схема дифференциальной откачкиионного спектрометра: объем камеры взаимодействия отделялся от спектрометра с помощьювакуумно-плотнойдиафрагмысотверстием0.5 мм,аспектрометрпрокачивалсядополнительным турбомолекулярным насосом ТМН-150. Остаточныйстаточный вакуум в объемеспектрометра был не хуже 5х10-5 Тор, а остаточный вакуум в камере взаимодействия приэтом не изменялся. Расстояние от мишени до отверстия в диафрагме составляло 10 см, а от9этого отверстия до МКП – 20, либо 110 см в зависимости от варианта стыковкиспектрометра.
Регистрация ионных токов осуществлялась с помощью платы быстрогоцифрового осциллографа с частотой оцифровки 2 ГГц, встраиваемой в ПЭВМ.Поскольку контраст лазерного излучения является одним из основных параметров,влияющих на характеристики формирующейся плазмы, нами была реализована методикаоптического зондирования плазменного факела. Оптическое излучение с энергией порядка1 мДж, делилось на два пучка с помощью стеклянного клина. Небольшая часть излучения,отраженная от входной поверхности пластинки, фокусировалось на мишень.
Основная частьизлучения направлялась на кристалл KDP для генерации второй гармоники, задерживалась спомощью линии задержки (от 0 до 15 нс шагом порядка 1 нс) и далее фокусировалась вдольповерхности мишени с таким расчетом, чтобы перетяжка этого пучка совпадала с областьюплазмы. Изображение на длине волны 400 нм переносилось с увеличением порядка 20x наПЗС матрицу, снабженную светофильтрами для подавления засветки на длине волны 800 нм,с помощью объектива с фокусным расстоянием 6 см (пространственное разрешениеоптической системы переноса изображения ~3 мкм).Проведенные оценки показывают, что большинство легкоплавких металлов могутбыть использованы в экспериментах по взаимодействию сверхинтенсивного лазерногоизлучения с поверхностью расплавленного металла.
В качестве основной мишени былвыбран галлий, выгодно отличающийся низкой температурой плавления и малым давлениемнасыщенных паров. Поскольку для целого ряда приложений представляет интересиспользование мишеней с различными атомными номерами, были проведены сравнительныеисследования для индия и висмута.Вразделе4приведеныоригинальныеэкспериментальныерезультатыпохарактеризации горячего электронного компонента плазмы по рентгеновскому свечениюплазмы. Эксперименты выполнены для различных мишеней при варьировании контраста иполяризации фемтосекундного лазерного излучения.В параграфе 4.1 приведены результаты экспериментов для мишеней из галлия, индияи висмута при температуре около 500 К, полученные при контрастах лазерного излученияоколо 200 и 20 для p-поляризованного лазерного излучения с энергией порядка 850 мкДж.Анализ этих результатов показывает, что при ухудшении контраста наблюдается ростэффективности β, а также средней энергии Eh.
Кроме того, наблюдаются необычныеизменения в гистограммах распределения этих величин по реализациям: при ухудшенииконтраста появляется «хвост» распределения со стороны больших значений величин, причемчисло таких реализаций достаточно существенно. Так, появляется большое число реализаций(свыше 10%) со средней энергией, в 2-4 раза превышающей среднее значение Eh. Это явно10указывает на проявление дополнительных механизмов ускорения электронов при плохомконтрасте лазерного излучения.В связи с этим в параграфе 4.2. проведено исследование влияния контраста лазерногоизлучения и его поляризации на исследуемые параметры плазмы. Контраст излученияизменялся от 10 до 106.
В первой серии экспериментов проводилось измерение β в дваспектральных диапазона и оценка Eh при двух линейных поляризациях лазерного излучения(p и s) и разных его контрастах. Сводные результаты представлены на рисунке 2. Величины βи Eh возрастают с ухудшением контраста и достигают своих максимальных значений приконтрасте порядка 30-40. В тоже время, эти величины слабо зависят от поляризациилазерного излучения. При высоком контрасте реализации сконцентрированы вблизи одногосреднего значения, а сама гистограмма почти симметрична относительного этого значения.
Вслучаеp-поляризациисреднеезначениеEh~8400±100эВнемногопревышаетсоответствующую величину для s-поляризованного излучения 7900±100 эВ. При ухудшенииконтраста до 53 распределение становится несимметричным с длинным «хвостом» в областьбольших значений, а среднее значение Eh>50 кэВ. Дальнейшее ухудшение контраста до 14приводит к общему сдвигу распределения в область меньших значений при существенномуменьшении числа реализаций с аномально высокой средней энергией. Аналогичныерезультаты были получены также для мишени из индия. Основное отличие состоит лишь внебольшом изменении контраста, при котором наблюдается максимальные β и Eh, что можетбыть связано с различиями в физико-химических параметрах галлия и индия.ps60Eh, кэВp-поляризацияs-поляризацияp, к-альфаs, к-альфа50401000β302010100101001000Контраст010100контраст1000Рис. 2.
Зависимость β (а) и Eh, оцененная по двум методикам, (б) от контраста лазерного излученияпри двух его состояниях поляризации. Здесь и далее контраст 106 условно показан значением 1000.ГаллиеваярегистрируемоймишеньобластиобладаетяркойэнергетическогохарактеристическойспектраК-альфарентгеновскоголиниейизлучения.вДляисследования влияния К-альфа излучения на оценку Eh и оценку эффективности генерацииэтой линии в наших условиях был использован метод фильтров с применением ряда11фильтров из алюминия с последовательно нарастающей оптической толщиной. В отсутствиеК-альфа излучения галлия зависимость β от нижнего порога пропускания фильтра (поуровню энергии 0.5) должна быть экспоненциальной с показателем экспоненты,соответствующим квазитемпературе горячих электронов плазмы.Результаты измерений для контраста 53 и p-поляризации лазерного излученияприведены на рис.3.
В области больших энергий экспериментальные данные хорошоаппроксимируютсяэкспоненциальноспадающейкривой.Результатподгонкиэкспериментальных кривых суммой экспоненциально спадающей функции и линии приэнергии 9.3 кэВ представлены сплошной линией на том же рисунке. Итоговые результаты позависимости эффективности генерации К3500альфа излучения галлия и Eh от контраста3000лазерного2500излученияпредставленынарис 2 б. Величина Eh заметно возросла поβ20001500сравнению с оценкой по двухдетекторной1000методике с фильтром в опорном канале с500полосой пропускания свыше 2.5 кэВ. Так при0510152025Энергия, кэВмаксимальномРис. 3. Подгонка зависимости β от порогапропусканияфильтров(p-поляризация,контраст 53).контрастеизлученияэтавеличина выросла с 8 кэВ до 15 кэВ. Важноотметить, что эффективность генерации Кальфа излучения возрастает при ухудшенииконтрастанапорядокдо-42.5х10 ,аабсолютноечислорентгеновскихквантов8характеристического излучения достигает 3х10 за импульс.В разделе 5 представлены результаты по исследованию ионных токов из плазмы.Помимо получения пучков высокоэнергетичных тяжелых ионов с использованием мишени ввиде расплавленного металла, нами также проведена количественная обработка ионныхсигналов (параграф 5.2), на основе которой получены оценки на зарядовый состав и средниеэнергии быстрого и медленного ионных компонентов.
Как и в предыдущем разделе вкачестве основной мишени используется галлий, кроме того приведены результаты дляиндиевой мишени. Относительно высокое давление насыщенных паров висмута непозволило получить в камере взаимодействия необходимый вакуум и провести измерения сэтой мишенью.Время-пролетные ионные сигналы были получены при установке детектора нарасстояниях 30 и 120 см от поверхности мишени.
Одновременная регистрация выходажесткого рентгеновского излучения по двум каналам обеспечила контроль и оценку Eh.Сравнение сигналов для двух поляризаций лазерного излучения (рис.4) указывает на12отсутствие существенных различий для разных состояний поляризации при одинаковомзначении контраста. Ухудшение контраста приводит к плавному смещению максимумовионного тока в область больших задержек относительно момента формирования плазмы.0,00,0spps-0,1I, отн.ед.I, отн.ед.-0,1-0,21e6-0,3-0,235-0,4-0,31E-61E-51E-61E-5t, секt, секРис.
4. Сравнение ионных токов, полученных при двух поляризациях лазерного излучения приразличных контрастах последнего.Во временной структуре тока хорошо заметен целый ряд пиков. Посколькутемпература жидкого металла достаточно высока, поверхность мишени свободна от водяныхи углеводородных пленок, адсорбированных на поверхности обычных мишеней исущественно затрудняющих анализ ионных сигналов, и ионный ток формируетсяисключительно ионами основного материала мишени (в данном случае - галлия) свозможным включением ионов кислорода вследствие окисления поверхности галлия.Итоговые результаты обработки ионных сигналов представлены на рис.5.
Максимальногозначения свыше 500 эВ температура тепловых электронов плазмы достигает примаксимальномконтрастелазерногоизлучения.Средняяимаксимальнаяэнергиивысокоэнергетичных ионов галлия максимальны при максимальном контрасте лазерногоизлучения. Так максимальная зарегистрированная энергия этих ионов составляет 1.3 МэВ.Аналогичные результаты были получены и для индиевой мишени (параграф 5.3).7501,5pp (max)ssp(O)p(Ga)1,0Te, эВEh, МэВ5002500,500,01010010000К2004006008001000КРис.5. Зависимость температуры тепловых электронов (а) и энергии быстрых ионов (б) от контрасталазерного излучения для двух состояний его поляризации.13В шестом разделе работы обсуждаются результаты экспериментов по оптическомузондированию эволюции плазмы, создаваемой предымпульсом (параграфпараграф 6.1),6.1 а такжепроведено обсуждение возможных физических эффектов, приводящих к наблюдаемым вэксперименте зависимостям параметров плазмы от характеристик воздействующеголазерного излучения (параграф 6.2)..В экспериментах по оптическому зондированию полная энергия излучения составляладо 5 мДж, энергия импульса на основной частоте, создающего плазму, не превышала 200мкДж, что соответствовало контрасту лазерного излучения, для описанных в предыдущихразделах экспериментов, порядка 5.2341авбгРис.6 Изображение факела плазмы при разных временах задержи зондирующего излучения:излучения 6 нс (а),11 нс (б), 13 нс (в) и 13 нс в другом динамическом диапазоне градаций серого (г).На рисунке 6 приведеныриведены изображения плазменного факела при разных временахзадержки зондирующего излучения.излучения На изображениях можно выделить две области:непрозрачную для зондирующего излучения темную область 1 и область большего размера2, в которой происходит лишь рассеяние и преломление зондирующего излучения.Плотность электронов на внешнейшней границе первой области соответствует критическойплотности плазмы на длине волны 400 нм, а плотность электронов во второй областисущественно меньше критической.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
