Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом (1105118), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Физика сложных систем.» (Москва, Россия, 2006), XII конференция по лазернойоптике Laser Optics-2006 (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международная школа поквантовой электронике «Вещество в сверх-интенсивных лазерных полях» (Эриче, Италия,2006). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научныхконференциях: 4-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики итехнологий ITARUS 2001 (Санкт-Петербург, Россия, 2001), международная конференция по7квантовой электронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция полазерной оптике Laser Optics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 12-ый международныйсимпозиум по лазерной физики Laser Physics-2003 (Гамбург, Германия, 2003), 5-ый италороссийский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2003 (Москва,Россия, 2003), 2-ая международная конференция «Рубежи нелинейной физики» (НижнийНовгород – Санкт-Петербург, Россия, 2004), международная конференция по когерентной инелинейной оптике ICONO 2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), конференция по лазерам иэлектрооптике CLEO/EUROPE 2005 (Мюнхен, Германия, 2005), 3-ий симпозиум «Плазма иее взаимодействие с электромагнитным излучением» (Москва, Россия, 2005), 2-ойсимпозиум по фотонике и лазерным технологиям (Каяни, Финляндия, 2005), международныйсимпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2005 (СанктПетербург - Нижний Новгород, Россия, 2005), российско-немецкий симпозиум по лазернойфизике (Нижний Новгород, Россия, 2005).По теме диссертации опубликовано 17 работ в рецензируемых научных изданиях, в томчисле 7 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и 9 статей в сборниках итрудах конференций, 1 препринт и 21 тезис докладов.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены авторомлично, либо при его непосредственном участии.
Автором осуществлялось проведениеэкспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов эксперимента спомощью существующих численных моделей, анализ теоретических моделей разлета ионов,а также интерпретация полученных результатов.Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 119страницах, включает 55 рисунков, 2 таблицы и список литературы (общее число ссылок 119).Содержание работыВо введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели,задачи, научная новизна, практическая ценность, защищаемые положения, даётся краткаяаннотация содержания глав.Глава 1 является обзорной и посвящена рассмотрению основных характеристик ионов,формирующихся в плазме ФЛИ.
В параграфе 1.1 рассматриваются основные свойстваэлектронов и ионов, формирующихся в плазме, созданной высококонтрастнымфемтосекундным лазерным импульсом на поверхности твердотельной мишени. В частности,внимание уделяется механизмам поглощения энергии лазерного импульса, механизмамнагрева электронов в плазме, рассматриваются основные механизмы ионизации, заряд ионови наиболее распространенные механизмы ускорения ионов в плазме. Отмечается, что вплазме, формируемой лазерным импульсом с умеренной интенсивностью, ионы с переднейповерхности мишени ускоряются амбиполярным полем, формирующимся междуэлектронами и ионами на границе плазма-вакуум. Кроме того, существенное влияние наэнергию и заряд ионов основного вещества мишени оказывает наличие на поверхностимишени загрязняющего слоя из углеводородов и окислов.
Толщина слоя загрязненийпорядка толщины скин-слоя в плазме (~10 нм). Наиболее эффективно в этом случаегорячими электронами будут ускоряться легкие ионы примесей, обладающие наибольшимотношением заряда к массе. В первую очередь это будут протоны. Ионы основного веществамишени, ускоряясь тепловыми электронами, приобретают значительно меньшие энергии на810амп.отн.ед.Th/Tth=1Th/Tth=4Th/Tth=6.7Th/Tth=13.3Th=3 кэВnh/nth=0.11i, отн.ед.0,0-0,2-0,4Th/Tth=1, nh/nth=0.1Th/Tth=4, nh/nth=0.1Th/Tth=6.7, nh/nth=0.1Th/Tth=6.7, nh/nth=0.01-0,6(а)0,1-0,8(б)-1,00510152025303540Eion, кэВ0,00,20,40,60,8 t, мкс 1,0Рис. 1 Энергетические спектры (а) и времяпролетные спектры (б) протонов, получаемые вавтомодельном решении.единицу заряда по сравнению с протонами.
Это указывает на то, что для получениявысокоэнергетичных ионов основного вещества мишени, необходимо использовать мишень,очищенную от поверхностных загрязнений.В параграфе 1.2 представлен обзор наиболее распространенных методикэкспериментального исследования ионов, вылетающих из плазмы.
В частности представленывремяпролетная методика, методика измерения энергетических спектров ионов с помощьюэлектростатического спектрометра и спектрометра Томпсона, методика регистрации ионовпри слиянии их с нейтральными атомами, методика использования радиохромных пленок.Параграф 1.3 посвящен более подробному рассмотрению ускорения ионовамбиполярным полем и рассмотрению возможности построения аналитической зависимости,описывающей времяпролетный сигнал ионов.
Исходя из аппроксимации экспериментальноизмеренного времяпролетного сигнала ионов аналитической зависимостью, существуетвозможность оценить параметры электронной составляющей плазмы. В параграфеанализируются автомодельное решение одномерных гидродинамических уравнений разлетаплазмы и решение, получаемое в рамках адиабатической модели разлёта плазмы. Даннаямодель отличается от автомодельного решения тем, что в ней решаются кинетическиеуравнения для электронов и ионов в плазме.
Это позволяет учесть охлаждение электронов,связанное с перекачкой тепловой энергии электронов в кинетическую энергию ионов. Нарисунке 1а представлены энергетические спектры ионов, получаемые в автомодельномрешении для однотемпературной и для двухтемпературной функций распределенияэлектронов. В случае двухтемпературной функции распределения в спектре можноразличить две группы ионов: быстрые и медленные ионы.
При этом, чем сильнее различиемежду температурами горячих и тепловых электронов, тем сильнее выражены быстрая имедленная ионные компоненты. При Th Tth > 9.9 спектре ионов появляется «провал», то естьионы с определенными энергиями отсутствуют. Адиабатическая модель не предсказываетпоявления «провалов». В реальности электроны в процессе ускорения ионов охлаждаются,что приводит к замыванию «провала». На рисунке 1б приведены рассчитанныевремяпролетные ионные сигналы. Зависимости соответствуют расчету ускорения протоновэлектронами с однотемпературным и с двухтемпературным распределениями по энергиям.Наиболее важное наблюдение, которое можно сделать, глядя на этот рисунок, это то, чтонезависимо от наличия тепловых электронов и независимо от температуры тепловыхэлектронов пик в ионном токе, определяемый горячими электронами не изменяет своегоположения во времени. Это говорит о том, что для оценки средней энергии горячих электро9Рис.
2 Схема эксперимента: 1 – фемтосекундный лазерный импульс, 2 – наносекундныйчистящий лазерный импульс, 3 – мишень (кристаллический кремний или вольфрам), 4 –электростатический масс-спектрометр, 5 – микроканальная пластина ВЭУ-7, 6 диафрагма, 7 - рентгеновские детекторы на базе сцинтиллятора NaI(Tl) и ФЭУ-119, 8 –полосовые рентгеновские фильтры (Al, Be).нов достаточно использовать решение для ионов ускоренных только горячими электронами.В главе 2 представлены результаты экспериментов по исследованию зарядовых иэнергетических спектров ионов, формирующихся в плазме на очищенных мишенях изкристаллического кремния и вольфрама фемтосекундным лазерным импульсом синтенсивностью около 1016 Вт/см2.
В этих условиях удалось получить ионы кремния сзарядом от 1+ до 12+ и ионы вольфрама с зарядом от 1+ до 29+ и энергией до 1 МэВ. Крометого, в ионном токе присутствовали полностью ионизованные ионы углерода и кислорода.Потенциалы ионизации таких ионов превышают 800 эВ. Помимо этого, на основе сравненияэкспериментальныхрезультатовсрезультатамичисленногомоделированияпроанализированы основные закономерности ускорения и ионизации ионов в плазме.В параграфе 2.1 рассматриваются особенности эксперимента, проводимого сиспользованием мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисныхзагрязнений. В частности, приводятся оценки для температуры нагрева мишени лазернымимпульсом, времени остывания мишени после воздействия лазерного импульса и временивосстановления поверхностных загрязнений в результате адсорбции молекул изокружающего мишень газа.
Из оценок следует, что фемтосекундный импульс,формирующий плазму, должен приходить на поверхность мишени не ранее чем через 110 мкс после очищающего импульса, но и не позже чем через 3 мс. Экспериментальноопределенное время составило 100 мкс. В эксперименте проводились измеренияэнергетических спектров ионов из плазмы (см. схему эксперимента на рис.2). Поверхностьмишени предварительно была очищена от слоя окислов, углеводородных соединений ипаров воды с помощью воздействия дополнительным наносекундным лазерным импульсом.В качестве мишеней были взяты кристаллический кремний и вольфрам.
Для формированияплазмы использовался лазерный импульс, генерируемый фемтосекундной лазерной системойна красителе (λ=616 нм, τ=200 фс, E~500 мкДж, I~2.5⋅1016 Вт/см2). Для удаленияповерхностного слоя загрязнений мишень перед каждым выстрелом подвергаласьвоздействию лазерного импульса XeCl-эксимерного лазера (τ=30 нс, E=10 мДж, λ=308 нм,W=3 Дж/см2). Для измерения ионных токов плазмы использовался электростатический10Siамплитуда ионного тока, отн.ед.спектрометр. Одновременно с измерениямиионных токов в каждом лазерном выстрелепроводились измерения выхода жесткогорентгеновского излучения в два различныхспектральных диапазона (>6 кэВ и >10 кэВ).12+SiSiSi9+4+Si3+Si1+2+(а)В параграфе 2.2 представлены основныерезультаты экспериментов.
ИспользованиеSiCSiрентгеновской диагностики формируемойC Cплазмы позволило сказать, что очисткаO(б)мишени не приводит к значительнымHизменениям в механизмах формирования0123t, мкс 4горячихэлектроновплазмы.Для Рис. 3 Типичные ионные токи из плазмыкремниевой мишени конверсия энергии кремния, зарегистрированные при энергиилазерного импульса в рентгеновское иона на единицу заряда E /Z=5 кэВ. (а) –ionизлучение с энергией кванта больше 6 кэВ и очищенная мишень, (б) – неочищеннаясредняя энергия горячих электронов, и для мишень.случая очищенной мишени, и для мишени,не подвергнутой предварительной очистке, составили соответственно ~4.5⋅10-5 % и6.5±2.2 кэВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
