CC BY
63
УДК 533.9.08
РЕГИСТРАЦИЯ СПЕКТРОВ ГОРЯЧЕЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ В ДИАПАЗОНАХ 8-10 Ä И 30-90 Ä
© 2013 В.А. Бураков, А.А. Кологривов, М.В. Осипов, В.Н. Пузырёв, А.Н. Стародуб, А.А. Фроня, О.Ф. Якушев
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва
Поступила в редакцию 15.01.2013
На установке "Канал-2" ЛВЛИ ФИАН разработаны и реализованы диагностические каналы для исследования излучения лазерной плазмы в мягком (30-90 Ä) и жестком (8-10 Ä) рентгеновских спектральных диапазонах на основе спектрографа скользящего падения и спектрографа по схеме Иоганна. Проведенные эксперименты позволили зарегистрировать спектры излучения мишеней из B4C, Mg, Al при плотностях потока лазерного импульса на мишени ~1013-1014 Вт/см2. Ключевые слова: лазерная плазма, взаимодействие излучения с веществом, рентгеновские спектры.
1. ВВЕДЕНИЕ
Лазерная плазма (ЛП) представляет огромный интерес для исследований как источник электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов и различных частиц [1]. При воздействии лазерного излучения с плотностью от 1012 Вт/см2 формируется ЛП, для которой характерен большой диапазон изменения, как плотности, так и температуры: плотность меняется от твердотельной плотности до вакуума, температура же варьируется в пределах от единиц эВ до нескольких кэВ. При таких параметрах плазмы, максимум ее излучения лежит в рентгеновском диапазоне длин волн, вследствие чего разработка и совершенствование рентгеновской диагностики плазмы является важным направлением исследований.
Рентгеновское излучение плазмы несет в себе информацию о таких параметрах плазмы, как температура электронной и ионной компонент плазмы, плотность и ионизационный состав плазмы, пространственное распределение температу-
Бураков Владимир Алексеевич, аспирант. E-mail: [email protected]
Кологривов Андрей Александрович, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Осипов Михаил Владимирович, ведущий научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Пузырёв Виктор Николаевич, научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Стародуб Александр Николаевич, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией. E-mail: starodub @sci.lebedev.ru
Фроня Анастасия Андреевна, кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник. E-mail: [email protected]
Якушев Олег Феликсович, старший научный сотрудник. E-mail: [email protected]
ры и плотности плазмы и их эволюция во времени и пр. Одним из видов рентгеновской диагностики^] являются спектроскопические методы исследования [3]. Однако рентгеновские спектры многозарядных ионов характеризуются чрезвычайным обилием линий, а регистрация их происходит в ограниченном спектральном интервале. В силу этого при разработке спектрографов и диагностической аппаратуры на их основе требуется решение таких задач, как установление механизмов возбуждения спектров, расчет спектроскопических характеристик многозарядных ионов с точностью, гарантирующей надежную идентификацию экспериментальных данных.
В настоящей работе представлены результаты разработки и создания диагностических каналов на основе рентгеновских спектрографов, и результаты экспериментов по изучения рентгеновских спектров лазерной плазмы твердотельных мишеней в диапазонах 30-90 А и 8-10 А. Анализ линий рентгеновского спектра излучения лазерной плазмы в указанных выше диапазонах позволяет определить электронную плотность и температуру лазерной плазмы, кратность ионизации.
2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ
2.1. Канал на основе спектрографа скользящего падения (в18-8)
С18-8 представляет собой специально разработанный в отделении Оптики ФИАН компактный ВУФ спектрограф скользящего падения [4]. Для регистрации интегральных по времени спектров использовалась ПЗС-линейка ТСБ1304А с люминофором на базе P-46, размер зерна которой составлял 3 мкм, а размер ячейки - 8х200 мкм. Использование внероуландовской схемы регистрации позволило значительно упростить
Рис.1. Схема работы спектрографа С18-8
процедуру установки и юстировки прибора. В используемой схеме спектрограф был съюстирован таким образом, чтобы центральная длина волны составляла X 0 = 80 А. Спектральный интервал, в котором дефокусировка была пренебрежимо мала, был не меньше 50 А.
2.2. Канал на основе спектрографа по схеме Иоганна
Спектрограф состоит из цилиндрического корпуса высотой h = 20 см, радиусом R = 14 см, в боковой стенке которого имеется входное отверстие круглого сечения; крышкой спектрографа служит одна из торцевых стенок цилиндра.
В качестве материала кристалла использована слюда (2d = 19,84 А). Кристалл изогнут в сагиттальном и меридиональном направлениях по радиусу R = 100 мм. В наших экспериментах расстояние от мишени до кристалла составило ! = 520 мм.
Выбор геометрии расположения кристалла относительно источника диктуется условиями эксперимента (необходимостью размещения одновременно нескольких приборов диагностического комплекса вблизи мишени). Расположение источника вне круга фокусировки приводит к некоторому снижению светосилы спектрографа по сравнению со значением, когда источник расположен точно на круге. Но в нашем случае эффекты дефокусировки, связанные с отклонением поверхности кристалла от круга Роуланда несущественны, и разрешающая способность спектрографа в этом случае определяется в основном шириной кривой отражения кристалла.
3. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Эксперименты по воздействию лазерного излучения на вещество выполнялись на установке "Канал-2" [5, 6] ЛВЛИ ФИАН. В качестве греющего излучения использовалось излучение Ш-лазера наносекундной длительности с плотностью потока на мишени 1013-1014 Вт/см2. Лазерному воздействию подвергались твердотельные
Рис. 2. Принцип работы спектрографа
по схеме Иоганна: 1 - круг Роуланда, 2 - кристалл слюды, 3 - плоскость регистрации
мишени из магния - Mg, карбида бора - B4C, и алюминия - Al.
Наибольшее внимание было уделено получению и идентификации спектров магния, т.к. одной из основных задач была однозначная градуировка спектрографа скользящего падения С18-8, а резонансные линии магния в диапазоне длин волн 1 = 40-70 А определяются однозначно. Данный тип мишеней представлял собой металлические фольги толщиной от 100 мкм до 200 мкм.
Приведенные спектры (рис. 3) получены с использованием спектрографа скользящего падения. В спектре, представленном на рис. 3а, удалось однозначно идентифицировать наиболее интенсивные, резонансные линии. Энергия лазерного импульса в данном выстреле равнялась 20 Дж. Восстановленные значения длин волн совпали с табличными значениями [7]. На рис. 3б представлен спектр, идентичный предыдущему, но с большей энергией импульса (Еи = 35 Дж) и, как следствие этого, с большим набором линий. Используя предварительные результаты (рис. 3а), и табличные значения [7], были установлены две серии линий, по 4 в каждой, принадлежащие соответственно [Не]- и ^]-подобным ионам.
По схожим причинам были выбраны мишени, содержащие углерод C - это простота идентификации линий. Мишени из B4C - бруски, размером 3x2x0.5см. Спектр, полученный в результате выстрела по данному веществу, представлен на рис.4. По полученным данным (рис. 3-4) построен градуировочный график С18-8 (рис. 5), ставящий отсчетам шкалы ПЗС-линейки прибора в соответствие длины волн в ангстремах.
С помощью спектрографа по схеме Иоганна был зарегистрирован спектр [Не]-подобных ионов Mg (рис. 6). Зафиксировано наличие диэ-лектронных сателлитов], k (применяются общепринятые обозначения сателлитов, приведенные, например, в [6]). По отношению интенсивностей линий диэлектронных сателлитов ], k к резонан-
аоо тт 600 т
4И
2(Н) ЮП 41
Мд1Х-Х
Н91Х
Ма>
П1¥1
а б
Рис. 3. Спектры плазмы Mg в диапазоне 35-80А для энергий импульса 20Дж (а) и 35Дж (б)
9600 3400 3200' 3000 2В00
эеоо
2400 2200 2000'
I 1 Г Г [ 1Г-1Т- ■—;— т —: —:—
9 1 1
1 ;| 1
| ;г 1
!
1
:| 1
1
1
: [[' [Г ... ... ... -- |
:
... 1 Г
>•• /1 3
«я и ■л.
В 30 32 34 36 38 40 42 44 4В
50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70
Рис. 4. Спектр плазмы В4С в диапазоне 35-70А для энергии импульса 30Дж
900 950 1000 1050 1100
Рис. 6. Спектр плазмы Mg в диапазоне 9.1-9.4 А для энергии импульса 25Дж
сной линии т оценивается электронная температура. В нашем случае при энергии лазера 25 Дж она составила ~ 180эВ.
Отношение интенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий (т и у) позволяет определить электронную плотность; по оценкам
Рис. 5. Градуировочный график спектрографа С18-8
она составила 2х1019 см-3. Восстановленные значения электронных температуры и плотности получены усредненными по объему плазмы.
В качестве альтернативной методики определения параметров лазерной плазмы применялся метод восстановления спектра по кривым ослабления [8]. Обработка кривых ослабления излучения, прошедшего сквозь бериллиевые фильтры, осуществлялась по методу минимизации функционала направленных расхождений, описанному в [8]. На рис. 7 представлен спектр алюминиевой мишени при энергии лазерного излучения 20 Дж. В области энергий квантов выше 7 кэВ кривая соответствует максвелловс-кому спектру при Т = 400 эВ.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В данной работе разработаны диагностические каналы на основе двух рентгеновских спектрографов. Созданные каналы взаимно дополняют друг друга, поскольку позволяют получать рентгеновские спектры излучения плазмы в двух информа-
fcgO) Е, keV
Рис. 7. Восстановленный спектр плазмы А1 в диапазоне для энергии импульса 25Дж
тивных диапазонах длин волн 30-90 А (С18-8) и 810 А (спектрографа по схеме Иоганна).
В результате серии проведенных экспериментов получены следующие результаты. С помощью спектрографа скользящего падения С18-8 были зарегистрированы ВУФ-спектры мишеней различного состава. Используя сводные данные, была построена градуировочная кривая в основном рабочем диапазоне спектрографа.
С помощью спектрографа, использующего схему Иоганна, были зарегистрированы рентгеновские спектры металлических мишеней. По отношению относительных интенсивностей са-теллитных линий], к и резонансной линии т оценена электронная температура. Её значение составило ~180 эВ.
Восстановлены рентгеновские спектры по
данным, полученным с помощью метода поглотителей. Оцененная электронная температура ЛП составила ~ 400 эВ.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-02-31441).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Диагностика плотной плазмы / Н.Г. Басов, Ю.А. Захаренков, А.А. Рупасов, Г.В. Склизков, А.С. Шика-нов [под ред. Н.Г. Басова]. М.: Наука. 1989.
2. Лазерная плазма. Физика и применения / О.Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин. М.: Наука, 2003.; Диагностика плотной плазмы [под ред. Н.Г. Басова]. Москва: Наука, 1989.
3. Пресняков Л.П. Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы // УФН, 19(1). 1976. С.49-73.
4. Шевелько А.П. ВУФ-спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL) // Препринт ФИАН, 2008.
5. Lasers for ICF with a Controllable Function of Mutual Coherence of Radiation / С.И. Федотов, Л.П. Феоктистов, М.В. Осипов, А.Н. Стародуб // Journal of Russian Laser Research, 25(1), 2005.
6. Комплекс рентгеновской диагностики на установке "Канал-2" / В.А. Бураков, Б.Л. Васин, А.А. Кологри-вов, М.В. Осипов, В.Н. Пузырев, А.Н. Стародуб, А.А. Фроня, М.Л. Чернодуб, О.Ф. Якушев // Препринт ФИАН, 2012.
7. Kelly R.L. Atomic and Ionic Spectrum Lines Below 2000 Angstremes, 1982
8. Восстановление спектра непрерывного рентгеновского излучения лазерной плазмы по кривым ослабления / АА.Кологривов, Г.В.Склизков, А.С.Шика-нов // Препринт ФИАН, 1981.
REGISTRATION OF SPECTRUM FROM LASER INDUCED PLASMA IN 8-10 A AND 30-90 A WAVELENGTHS
© 2013 V.A. Burakov, A.A. Kologrivov, M.V. Osipov, V.N. Puzyryov, A.N. Starodub, A.A. Fronya, O.F. Yakushev
P.N. Lebedev Physical Institute of the RAS, Moscow
Diagnostic channels for research of the laser plasma in the soft (30-90 A) and hard (8-10 A) X-ray spectral wavelengths, based on the grazing incidence spectrograph and Johann's scheme spectrograph, were developed and implemented at the "Channel 2" LVLI LPI. Our experiments allowed to register the emission spectra of targets of B4C, Mg, Al for flux density of the laser pulse on the target ~ 1013-1014 W/cm2. Keywords: laser plasma, interaction of radiation with matter, X-ray spectrum.
Vladimir Burakov, Graduate Student. E-mail: [email protected]
Andrey Kologrivov, Candidate of Physics and Mathematics, Research Fellow. E-mail: [email protected] Mikhail Osipov, Leading Research Fellow. E-mail: [email protected]
Victor Puzyrev, Research Fellow. E-mail:[email protected] Alexander Starodub, Candidate of Physics and Mathematics, Head at the laboratory. E-mail: [email protected] Anastasiya Fronya, Candidate of Physics and Mathematics, Associate Research Fellow. E-mail: [email protected] Oleg Yakushev, Senior Research Fellow. E-mail: [email protected]
