Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом (1105118), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Таким образом, экспериментальнопроверено, что за время 100 мс галлиевая мишень успевает восстановиться после лазерноговоздействия и параметры плазмы, формируемой в режиме 10 Гц взаимодействия, неотличаются от параметров плазмы, формируемой в однократном режиме.Чтобы проверить стабильность источника, был проведен эксперимент при длительномвоздействии лазерных импульсов на мишень.
В первую очередь, исследовалось, какизменяется выход рентгеновского излучения от выстрела к выстрелу. Было проведено17приблизительно 50000 лазерных выстрелов. Такое число лазерных выстрелов соответствуетприблизительно полутора часам непрерывного воздействия в режиме 10 Гц. Во времяэксперимента мишень не сдвигалась, и не проводилось дополнительной фокусировкиизлучения. На рисунке 11 представлен выход рентгеновского излучения в спектральныйдиапазон более 2.5 кэВ (рис. 11а) и средняя энергия горячих электронов (рис.
11б) какфункция номера лазерного выстрела. Было получено, что для галлия, нагретого до 270°C, втечение 50000 лазерных выстрелов выход рентгеновского излучения упал примерно на 25%,а средняя энергия горячих электронов изменилась от 9.3+/-0.9 кэВ до 9.0+/-1.1 кэВ. Можнотакже оценить, что скорость падения среднего значения выхода рентгеновского излучения вспектральный диапазон >2.5 кэВ составляла 1.2⋅10-9% за один выстрел.
Оценки, приведенныев параграфе, показывают, что снижение выхода рентгеновского излучения и средней энергиигорячих электронов в данном случае связано с общим падением уровня жидкости в течениеэксперимента в результате выноса вещества в каждом лазерном выстреле. Это падениеможет быть легко скомпенсировано либо дополнительной фокусировкой объектива, либоповышением уровня жидкости.Основные результаты и выводы1) Импульсная лазерная очистка твердотельной мишени позволила выявить рядпринципиальных особенностей ускорения и ионизации быстрых ионов в плазме,формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом• В условиях очистки поверхности твердотельной мишени от слоя углеводородов иокислов дополнительным наносекундным импульсом (плотность мощности 3 Дж/см2,время задержки между импульсами 100 мкс), происходит ускорение тяжелых ионовосновного вещества амбиполярным полем горячих электронов, которое на исходнойповерхности экранируется более легкими ионами (в первую очередь протонами).
Витоге максимальная энергия ионов вольфрама увеличилась от 150 кэВ до 1 МэВ.• В плазме на чистой поверхности существенной модификации подвергается зарядовыйсостав ионов основного материала мишени. Средний заряд ионов кремния увеличился с3+ до 4+, а максимальный с 5+ до 12+, для ионов вольфрама максимальный зарядувеличился с 5+ до 29+.• Заряд медленных ионов существенно уменьшается из-за рекомбинации при разлетеплазмы. Быстрые ионы либо не рекомбинируют в процессе разлета плазмы, либоскорость их рекомбинации не зависит от заряда и скорости ионов.• В энергетических спектрах легких ионов (водород, углерод, кислород) наблюдаютсяглубокие амплитудные модуляции.
Глубина модуляций достигает одного порядка поамплитуде. Возможные причины появления модуляций могут быть связаны, как сразделением ионов в пространстве из-за существенно разных температур тепловых игорячих электронов, так и с влиянием электростатического поля на фронте горячихэлектронов на легкие ионы.• В плазме, формируемой на поверхности очищенной вольфрамовой мишени лазернымимпульсом с интенсивностью от 4·1015 Вт/см2 до 2.5·1016 Вт/см2 наблюдаются ионы сзарядом, превышающим заряд предсказываемый при учете только ударной ионизации.Основным механизмом ионизации таких ионов является, по-видимому, ударнаяионизация в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля.Существенный вклад, однако, может внести и прямая надпороговая ионизация этимполем.2) Проведенные исследования позволяют предложить следующую картину ионизации иускорениябыстрыхионовввысокотемпературнойплазме,формируемой18высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом.
Нагрев мишени переднимфронтом лазерного импульса приводит к формированию на её поверхности градиентаплотности ионов и электронов в плазме. Это происходит даже в случае, если мишеньизначально обладала резкой границей, то есть предымпульс отсутствовал. Длявысококонтрастного лазерного импульса с длительность порядка 100 фс пространственныймасштаб градиента плотности плазмы составляет порядка нескольких десятков нанометров вмомент прихода максимума лазерного импульса. Следовательно, лазерное излучениепоглощается преимущественно в плазме с плотностью ниже твердотельной, но значительновыше критической плотности. Во внешних слоях плазмы тепловые электроны оказываютсянагреты в 2-3 раза сильнее, чем в глубине мишени.
Например, в плазме кремния для условий,при которых проводился эксперимент, температура электронов в глубине мишени непревышает 150 эВ, а над поверхностью мишени достигает 300 эВ.Ионизация в глубине мишени и на её поверхности также происходит по-разному. Вповерхностной области благодаря более высокой температуре тепловых электронов и болеенизкой концентрации плазмы средний заряд ионов достигает бóльших значений, чем вглубине мишени. Однако, необходимо учитывать, что время требуемое для достиженияравновесного состояния увеличивается в плазме с низкой плотностью. Это значит, что вобласти с низкой плотностью средний заряд ионов достигает равновесного значения позже,чем в более плотной области.
При наших экспериментальных условиях средний заряд ионовна поверхности мишени в плазме кремния достигает 9+, а в плазме вольфрама 23+.Дополнительное влияние на заряд ионов может оказывать ударная ионизация в присутствииамбиполярного поля и надбарьерная ионизация этим полем.Горячие электроны ускоряются непосредственно электромагнитным полем лазерногоимпульса и появляются в области критической плотности плазмы, то есть над поверхностьюмишени. Концентрация горячих электронов мала по сравнению с концентрацией тепловыхэлектронов, и они практически не влияют на заряд ионов.
Вылетая из плазмы, электроныформируют квазистатическое амбиполярное поле, которое ускоряет ионы. Подобноэлектронам, ионы в своем распределении по энергиям имеют быструю и медленнуюкомпоненты. Причем, ионы с более высоким зарядом, находящиеся в момент формированияплазмы в приповерхностной области, ускоряются преимущественно горячими электронами.Ионы из более глубоких слоев плазмы ускоряются тепловыми электронами.
Малаяплотность и высокая скорость быстрых ионов приводит к тому, что они не испытываютрекомбинации в плазме, и их ионизационное состояние «замораживается». Для быстрыхионов играет роль лишь рекомбинация в результате перезарядки на молекулах остаточногогаза в камере взаимодействия.
При давлении в камере взаимодействия около 10-5 торр завремя порядка 1 мкс заряд ионов кремния уменьшится не более чем на 1, а ионов вольфрамана 4-5. Медленные ионы испытывают значительную рекомбинацию в плазме.В случае использования мишени, не подвергнутой предварительной очистке, вповерхностной области плазмы, главным образом, находятся ионы водорода и углерода.Именно они ионизуются наиболее сильно и ускоряются горячими электронами. Ионыосновного вещества мишени в этом случае ионизуются слабо, ускоряются тепловымиэлектронами и к тому же значительно рекомбинируют при разлете плазмы.3) Предложенная методика оценки средней энергии горячих электронов плазме с помощьюаппроксимации аналитической зависимостью протонного сигнала в регистрируемомвремяпролетном ионном токе плазмы позволяет оценивать среднюю энергию горячихэлектронов в плазме в каждом лазерном выстреле.
Аналитическая зависимость строитсяисходя из «адиабатической» модели одномерного разлета плазмы. При этом учитываетсянелинейность отклика микроканальной пластины, регистрирующей ионы. В диапазоне19интенсивностей лазерного импульса от 1016 Вт/см2 до 2⋅1016 Вт/см2 оценки, получаемые спомощью данной методики, совпадают с оценками, получаемыми по выходу рентгеновскогоизлучения.
Так средняя энергия горячих электронов, оцененная в одном и том же лазерномвыстреле с помощью ранее разработанной рентгеновской методики, составила<Eh>=6.6±0.8 кэВ, а с помощью ионной методики - <Eh>=6.3±0.3 кэВ (для I=1.8⋅1016 Вт/см2 иплазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1).4) Экспериментально продемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенныхпаров можно использовать в качестве мишени для создания на её поверхностивысокотемпературной твердотельной фемтосекундной лазерной плазмы.• Проанализированы особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса споверхностью жидкости и разработаны основные критерии выбора мишени.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
