Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом (1105118), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Впервые задача разлета плазмы быларассмотрена около 40 лет назад. Было получено автомодельное решение для случаягидродинамического разлета изотермической плазмы с максвелловским распределениемэлектронов и одним сортом ионов. В дальнейшем модель модифицировалась с учетомнескольких сортов ионов и для более сложных распределений электронов (бимаксвелловское, супергауссовское и др.). Проводились также численные решения системыгидродинамических уравнений. Позже появились аналитические модели, в которыхрешаются кинетические уравнения для электронов и ионов.
В последнее десятилетиепоявилось большое количество работ, исследующих ускорение ионов с помощью методачастиц в ячейке (PIC (particle-in-cell) кода). И хотя моделирование плазмы с помощью PICкода в основном касается бесстолкновительной плазмы, формируемой лазерным импульсомс интенсивностью от 1018-1019 Вт/см2 и выше, существует небольшое количество работ, вкоторых с помощью PIC кода исследовался разлет ионов и при умеренных интенсивностяхлазерного импульса (от 1016Вт/см2). Расчёт разлёта плазмы позволяет установитьсоответствие между параметрами плазмы в момент начала её разлёта и параметрамиэлектронов и ионов, регистрируемых на более поздних временах вдали от плазмы.Цели диссертационной работы1.
Измерение и анализ особенностей зарядовых и энергетических спектров ионов изплазмы, созданной высококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см2 наповерхности твердотельной мишени, очищенной от поверхностного слояуглеводородных и окисных загрязнений.2.
Построение методики оценки средней энергии горячих электронов на основеаппроксимации сигнала от протонов во времяпролетном ионном токе аналитическимизависимостями.3. Анализ особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения синтенсивностью свыше 1016 Вт/см2 с поверхностью жидкости и исследованиепараметров формирующейся плазмы.Научная новизна1. Продемонстрировано, что в плазме кремния и вольфрама, формируемой наповерхности мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисныхзагрязнений дополнительным наносекундным лазерным импульсом, существенноувеличивается заряд и энергия ионов основного вещества мишени. В случае мишенииз вольфрама были зарегистрированы ионы с зарядом от 1+ до 29+, при этом энергияионов достигала 1 МэВ при интенсивности лазерного импульса около 2.5⋅1016 Вт/см2.В плазме, формируемой на неочищенной мишени при тех же параметрах лазерногоимпульса, заряд ионов вольфрама достигал лишь 5+, а их энергия не превышала150 кэВ.52.
Предложена последовательная физическая картина появления в плазме, созданнойвысококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см2, быстрых ионов с большимзарядом. Быстрые ионы вылетают из поверхностного слоя мишени, ускоряясьгорячими электронами. Благодаря тому, что в поверхностном слое плазмытемпература тепловых электронов выше, чем в глубине мишени, а концентрацияплазмы ниже, ионы ионизуются эффективнее, чем в более глубокой твердотельнойобласти плазмы. Это приводит к тому, что средний заряд быстрых ионов значительнопревышает средний заряд медленных ионов.
Дополнительное влияние на заряд ионовможет оказывать ударная ионизация в присутствии амбиполярного поля, а такженадбарьерная ионизация амбиполярным полем. В результате формируется небольшоеколичество ионов с зарядом, превышающим равновесные значения. Разлетаясь свысокой скоростью и в облаке плазмы с низкой концентрацией, быстрые ионыпрактически не испытывают рекомбинации в плазме, но несильно рекомбинируют врезультате столкновений с молекулами остаточного газа в камере взаимодействия.
Наоснове данной картины получили объяснение основные особенности зарядовых иэнергетических спектров быстрых ионов вольфрама и кремния: существенноеувеличение средней энергии и среднего заряда быстрых ионов, появление ионов саномально высокой кратностью ионизации.3. Предложена методика оценки средней энергии горячих электронов в плазме,основанная на аппроксимации экспериментально измеренного времяпролетногоионного тока плазмы аналитической зависимостью. Аналитическая зависимостьстроится на основе адиабатической модели разлета плазмы с учетом нелинейностиотклика детектора ионов. Экспериментально продемонстрировано, что оценки длясредней энергии горячих электронов, полученные с помощью используемой ранеерентгеновской методики, совпадают с оценками, полученными на основе ионнойметодики, развитой в рамках настоящей работы.4.
На примере мишеней из вакуумного масла ВМ-1 и галлия экспериментальнопродемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенных паров можетбыть использована в качестве мишени для формирования твердотельной плазмы ФЛИ.Экспериментально продемонстрировано, что плазма, формируемая на мишени изжидкого галлия, может быть использована для создания стабильного источникарентгеновского излучения с частотой повторения импульсов 10 Гц.Практическая ценностьПолученные в работе результаты демонстрируют возможность использования плазмыФЛИ, созданной на мишени, подвергнутой предварительной очистке, для формированиявысокоэнергетичных тяжелых ионов с широким зарядовым спектром, а также дляформирования пучков легких ионов с энергиями, лежащими в узком спектральном диапазоне.Использование в качестве мишени для формирования плазмы ФЛИ свободнойповерхности жидкости открывает возможность создания источников рентгеновскогоизлучения, быстрых ионов, γ-квантов, нейтронов и т.п.
с высокой частотой повторенияимпульсов. Самообновление поверхности мишени позволяет значительно реже, посравнению с твердотельными мишенями, сдвигать мишень. Кроме того, поверхностьжидкости может быть использована многократно (так как на ней не образуется кратеров),что значительно увеличивает ресурс по количеству выстрелов.В целом подходы и методики, развитые в диссертационной работе, могутиспользоваться в таких областях, как физика плазмы и физика УТС для решения следующихприкладных и фундаментальных задач:6диагностика плотной плазмы;создание источников тяжелых ионов с большим зарядом и энергией;создание различных источников плазменных излучений и частиц с высокой частотойповторения импульсов.Защищаемые положения1.
Импульсная лазерная очистка поверхности мишени от слоя углеводородныхсоединений и окислов (плотность энергии очищающего излучения 3 Дж/см2,опережение относительно фемтосекундного импульса 100 мкс) приводит ксущественному увеличению числа быстрых ионов основного вещества мишени изначительному увеличению среднего и максимального заряда быстрых ионов изплазмы, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным излучением синтенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищенной поверхности.2.
Наблюдаемые в экспериментах по воздействию высококонтрастным фемтосекунднымлазерным импульсом с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищеннуюповерхность твердотельной мишени вольфрама и кремния зарядовый иэнергетический спектры быстрых ионов основного вещества мишени определяютсяэффективной ударной ионизацией ионов тепловыми электронами в поверхностномслое плазмы и ускорением ионов за счет горячей электронной компоненты.3. Твердотельная плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом синтенсивностью ~1016 Вт/см2 на свободной поверхности жидкости с низкимдавлением насыщенного пара, является эффективным и стабильным источникомжесткого некогерентного рентгеновского излучения и быстрых ионов.4.
Оценка средней энергии горячих электронов плазмы, сформированнойфемтосекундным лазерным импульсом на поверхности твердотельной мишени, можетбыть получена путем аппроксимации времяпролетного сигнала ионного тока плазмыв рамках одномерной адиабатической модели разлета плазмы, состоящей из протонови горячих электронов.Апробация работы и публикацииОсновные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывалисьавтором на следующих научных конференциях: 2-ая международная конференция молодыхученых и специалистов «Оптика-2001» (Санкт-Петербург, Россия, 2001), девятаямеждународная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам«Ломоносов 2002» (Москва, Россия, 2002), международная конференция по квантовойэлектронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция по лазерной оптикеLaser Optics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 3-ий международный симпозиум посверхбыстрой и интенсивной лазерной науке ISUILS-3 (Палермо, Италия, 2004),международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (СанктПетербург, Россия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейнойволновой физики NWP-2005 (Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия, 2005), 4-ыйсимпозиум «Сложные системы заряженных частиц и их взаимодействие с электромагнитнымизлучением.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
