Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом (1105118), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Наибольшее влияние на процессыионизации могут оказывать электромагнитное поле лазерного импульса и амбиполярноеполе, формирующееся на резкой границе плазма-вакуум. Электромагнитное поле лазерногоимпульса с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2 не превышает 5·1011 В/м и оказываетвлияние только на начальной стадии ионизации в плазме.
Амбиполярное поле начинаетвлиять на ионизацию на более поздних временах жизни плазмы, в момент еегидродинамическогоразлета.Внашихэкспериментальныхусловиях( nh nth ~ 0.01, Tth Th ~ 0.04 ) основной вклад в величину амбиполярного поля будут вносить30тепловые электроны. При Te=200 эВ, ne=5⋅1023 см-3 амбиполярное поле достигает значенийE amb ~ 2 ⋅1012 В / м ( E amb ≈ 8π (nthTth + nhTh ) ) и способно ионизовать ионы вольфрамавплоть до заряда 30+. Основным механизмом ионизации таких ионов является, по-видимому,ударная ионизация в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля.Существенный вклад, однако, может внести и прямая надпороговая ионизация этим полем.На рисунке 7 приведены оценочные зависимости максимального заряда ионов вольфрама,полученные при учете дополнительных механизмов ионизации.
Наблюдается хорошеесовпадение экспериментально наблюдаемого максимального заряда ионов с расчетом,полученным при последовательном учете ударной ионизации в присутствии внешнегоквазистатического амбиполярного поля, трёхчастичной рекомбинации в плазме ирекомбинации на атомах остаточного газа в камере взаимодействия.В главе 3 представлены результаты экспериментов по исследованию плазмы,формируемой ФЛИ на свободной поверхности жидкости. Параграф 3.1 посвящён рассмотре140,00,0i,отн.ед.-0,225<Eh>, кэВ200,20,4(3)0,8 t, мкс 1,00,6(1)-0,415-0,610(2)-0,850-1,0(a)51015215 I, 10 Вт/см 20Рис. 8 (а) - Зависимость средней энергии горячих электронов от интенсивности (| - ВМ-1, - кремний). (б) - Ионный времяпролетный сигнал из плазмы, сформированной наповерхности масла ВМ-1 (линия 2 (■)), и из плазмы кремния (линия 1 (|)); аналитическаязависимость, соответствующая расчету разлета плазмы, состоящей из протонов игорячих электронов (линия 3).нию основных требований, предъявляемых к веществу мишени, находящемуся в жидкойфазе.
Для создания на поверхности мишени высокотемпературной лазерной плазмы ипоследующей эффективной генерации жёсткого рентгеновского излучения в диапазонесвыше 2 кэВ и быстрых ионов необходимо обеспечить интенсивность лазерного излучениясвыше 1016 Вт/см2. Как следствие, жидкость должна обладать малым давлением насыщенныхпаров во избежание самовоздействия лазерного излучения и пробоя приповерхностногогазового слоя.
Немаловажными характеристиками жидкости так же являются вязкость,поверхностное натяжение и теплопроводность. Вязкость и поверхностное натяжениеопределяют скорость выравнивания поверхности после взаимодействия с лазернымимпульсом, а теплопроводность скорость остывания области воздействия. Оба этих моментастановятся принципиально важными при использовании в экспериментах излучениялазерных систем, работающих в импульсно-периодических режимах с высокой частотойповторения импульсов.
После анализа физических свойств значительного количестважидкостей органического и неорганического происхождения было заключено, что дляэкспериментов с лазерной плазмой наиболее подходят жидкие металлы, некоторые сплавы(например, свинец с висмутом), вакуумные масла, глицерин, этиленгликоль и валериановыекислоты. Окончательно, в качестве вещества мишени были выбраны вакуумное масло ВМ-1и галлий.
Целью экспериментов, проводимых с использованием мишени из ВМ-1, былопоказать, что параметры плазмы, формируемой на поверхности жидкости, не отличаются отплазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени. Целью экспериментов,проводимых с галлием, было показать, что возможно создать плазменный источникрентгеновского излучения и ионов с большой частотой повторения импульсов. В параграфе3.2 отражены основные результаты, полученные в экспериментах с маслом ВМ-1. Вэксперименте проводились одновременные измерения выхода тормозного жёсткогорентгеновского излучения в различные спектральные диапазоны и времяпролётныеизмерения ионных токов плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1 лазернымимпульсом генерируемым лазерной системой на красителе (λ=616 нм, τ=200 фс, E~300 мкДж,I~2⋅1016 Вт/см2, контраст по интенсивности 105).
Сравнение с твердотельной мишенью(кристаллический кремний) показало, что средняя энергия горячих электронов в плазме искорости быстрых протонов в обоих случаях имеют одни и те же значения (см. рис. 8). Навремяпролётных зависимостях видно (рис. 8б), что минимум, соответствующий времени15приходапротонов,наобеихзависимостях совпадает и равен10~0.1 мкс. Это указывает на то, что вобоих случаях протоны ускорялись8электронами с одинаковой энергией.6Большой разброс значений среднейэнергии горячих электронов (см.4рис. 8а)можетбытьсвязанс2изменением во время экспериментафизическихсвойств,каксамой0101214161820жидкости, так и с появлением над152I, 10 Вт/смповерхностьюжидкостипара,Рис.
9 Зависимость средней энергии горячихмешающего доставке излучения наэлектронов в плазме от интенсивностимишень. Чтобы проверить такиелазерного импульса. - Оценка, полученная спредположениябылапроведенапомощью рентгеновской методики, z оптическая диагностика поверхностиоценка, полученная с помощью ионноймишени после воздействия лазернымметодики.импульсом.Результатыэтихэкспериментов также представленыпараграфе 3.2.
Значительное внимание в параграфе 3.2 уделено рассмотрению методикиоценки средней энергии горячих электронов плазмы на основе аппроксимации протоннойчасти времяпролетного сигнала ионов аналитической зависимостью, получаемой в рамкахадиабатической модели разлёта плазмы с учётом нелинейности отклика детектора ионов (см.рис. 8б).
Одновременные измерения выхода рентгеновского излучения и ионных токовпозволили провести оценку для средней энергии горячих электронов двумя независимымиметодиками, и тем самым проверить, насколько правильно работает разработанная ионнаяметодика. Сравнительные данные приведены на рисунке 9. Хорошее совпадение величин длясредней энергии горячих электронов, получаемых с помощью ионной методики, свеличинами, получаемыми с помощью ранее развитой рентгеновской методики, позволяетутверждать, что развитая методика дает возможность получать правильную оценку длявеличины средней энергии горячих электронов в плазме. Таким образом, в параграфе 3.2продемонстрировано, что жидкость может быть использована в качестве мишени дляформирования твердотельной плазмы фемтосекундным лазерным импульсом.
Параметрыполученной плазмы соответствуют параметрам плазмы, формируемой на твердотельныхмишенях. Однако, поскольку воздействие от выстрела к выстрелу происходит в одну и ту жеточку на мишени, необходимо выбирать время между лазерными импульсами заведомобольшим, чем время восстановления мишени. Мишень из вакуумного масла ВМ-1 неподходит для использования с лазерными системами с высокой частотой следованияимпульсов.
В данном случае необходимо подбирать другую мишень, например, галлий.Результаты экспериментов по измерению выхода рентгеновского излучения из плазмыформируемой на поверхности жидкого галлия в режиме 10 Гц взаимодействия представленыв параграфе 3.3. Схема эксперимента представлена на рисунке 10. Для формированияплазмы в данных экспериментах использовался лазерный импульс, генерируемый лазернойсистемой на кристалле хром-форстерита (τ=110 фс, E~350 мкДж, λ=1.24 мкм, I~1016 Вт/см2).Частота повторения лазерных импульсов составляла 10 Гц.
Мишень из жидкого галлиянаходилась в подогреваемой кювете. Температура галлия могла изменяться в диапазоне откомнатной температуры (~20°C) до 270°C. Для регистрации интегрального выхода жесткоготормозного рентгеновского излучения использовались два рентгеновских детектора на осно-12<Eh>, кэВ16Рис. 10 Схема экспериментальной установки: 1 – фемтосекундный лазерный импульс, 2 –вакуумная камера, 3 – жидкая галлиевая мишень, 4 – рентгеновские детекторы, 5 –рентгеновские фильтры (Be или Al), 6 – электронагреватель, 7 – термопара.-45x10(a)η, %η, %-44x10-43x10-42x10<Eh>, кэВ-44x101818-45x10(б)<Eh>, кэВ15151212996633-43x10-42x10-4-41x101x10010000200003000040000номер лазерного выстрела50000010000200003000040000номер лазерного выстрела50000Рис. 11 Выход рентгеновского излучения η в спектральный диапазон более 2.5 кэВ (а) исредняя энергия горячих электронов <Eh> (б) как функции номера лазерного выстрела врежиме 10 Гц взаимодействия.
Температура галлия TGa=270ºC. Белая линия соответствуетбегущему среднему.ве сцинтиллятора NaI(Tl) и ФЭУ-119. Выход рентгеновского излучения измерялся вспектральные диапазоны >2.5 кэВ и >7.5 кэВ. Это позволяло оценивать в каждом лазерномвыстреле среднюю энергию горячих электронов в плазме. Вначале была проведена серияэкспериментов по измерению выхода рентгеновского излучения из плазмы, как в режиме10 Гц взаимодействия, так и в одиночном режиме. В обоих случаях конверсия энергиилазерного импульса в тормозное рентгеновское излучения с энергиями квантов более 2.5 кэВсоставила (2.2±0.4)⋅10-4%, а с энергиями квантов более 7.5 кэВ – (4.2±0.5)⋅10-5%, а средняяэнергия горячих электронов равна 9.3+/-1.1 кэВ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
