Исследование эмиссии нейтральных атомов при взаимодействии лазерного излучения с плоскими мишенями Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 533.951

(

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭМИССИИ НЕЙТРАЛЬНЫХ АТОМОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С

ПЛОСКИМИ МИШЕНЯМИ

А. А. Ерохин, Ю. В. Коробкин, А. С. Шиканов, Е. Воловский Э. Ворына1, П. Парис1

Приводятся результаты экспериментов по измерению спектров скоростей ионов и атомов при взаимодействии лазерного излучения с плотностью потока до 1015 Вт/см2 и длиной волны 1 мкм с плоскими мишенями из материалов с различными массовыми числами, таких как (С-#2)п, А1, Си, Та. Исследована зависимость потоков нейтральных частиц от массового числа материала мишени и условий фокусировки лазерного излучения.

При взрыве микрообъектов (в частности, в экспериментах с лазерной плазмой или плазмой, создаваемой пучком частиц) в разлетающемся веществе наряду с ионами со держатся нейтральные атомы, образованные в результате рекомбинации в процессе разлета с характерными скоростями ~ 10' см/с. Очевидно, что с увеличением плотности и уменьшением температуры доля таких атомов возрастает. Анализируя распределение атомов по скоростям, можно сделать вывод о физических процессах, происходящих при микровзрывах.

Теоретическое и экспериментальное исследование данных процессов важно для многих прикладных вопросов, таких как процессы входа астероидов в пределы земной атмосферы, взаимодействие микрометеоритов с обшивкой корабля, светореактивное ускорение частиц, при оптимизации энергетического баланса процесса взаимодействия греющего излучения с облучаемыми лазером мишенями и т.п. В данном сообщении приведены результаты иссследования нейтральной компоненты плазмы, полученной

Институт физики плазмы и лазерного микросинтеза, Варшава, Польша.

при взаимодействии лазерного излучения с плоскими мишенями при плотностях потока ~ 1015 Вт/см2.

Работа проводилась на одноканальной лазерной установке Варшавского института плазмы и лазерного микросинтеза. Параметры пучка: энергия Е^ = 15 Дж, длительность импульса г = 1 н с, длина волны Л = 1,06л«к.м, расходимость 20 = 5 • 10~4ра<?, контраст излучения К = 106. Установка построена стандартным образом: задающий ге нератор, система временного формирования импульса, каскад усилителей, система пространственного формирования пучка на основе вакуумных пространственных фильтров и метода обращения волнового фронта (ОВФ) после предварительного каскада усиления, а также система фокусировки излучения на мишень, состоящая из асферической линзы и эллипсоидального зеркала [1].

Эксперименты по изучению спектральных закономерностей распределения нейтральных атомов проводились с помощью электростатического дефлектора ионов [2] и вторично-эмиссионного умножителя (ВЭУ) ЕМ1 9643/2 В. Ионный сигнал регистрировался кольцевым ионным коллектором [3]. Для наблюдения сигналов с ВЭУ и ионного коллектора использовался анализатор импульсов ББА 601 фирмы Тех^ошх.

В эксперименте использовались мишени четырех видов: (СЯ2)„, А/, Си, Та. Схема диагностического комплекса представлена на рис. 1. Измерение распределения потоков нейтральных и заряженных частиц происходило на достаточно больших расстояниях от мишени. Ионный коллектор (ИК) устанавливался в дрейфовой трубе на расстоянии Ьик от мишени (Ьик = 91,5 см для (СЩ)п и 141,5 см для А/, Си и Та). За ионным коллектором на расстоянии Ьвэу от мишени (Ьвэу = 251 см для (С//г)п и 201 см для А/, Си, Та) - вторично-эмиссионный умножитель (ВЭУ). Такое расположение позволяло получать ионные сигналы от ИК и ВЭУ (при разности потенциалов на дефлекторе равной нулю) или ионный сигнал от ИК и сигнал от нейтральных атомов от ВЭУ (при разности потенциалов на дефлекторе II). Для очистки атомного пучка от ионов и электронов между коллектором и ВЭУ располагался электростатический ионный дефлектор (ЭИД), представляющий собой плоский конденсатор с двумя апертурными диафрагмами (разность потенциалов до 4 кВ; ширина входной щели, расположенной на расстоянии 0,5 см от пластин конденсатора, к яз 0, 3 см; размеры пластин IV х I. х (I = 2x3x0, 5 см3; на выходе из пластин, на расстоянии I = 1,7 см помещалась диафрагма с диаметром отверстия 2грд = ЮО-мя.«). Рассмотрим условия прохожде);;!>: заряженных частиц через дефлектор при наложении электрического поля:

Распределение ионного пучка в плоскости диафрагмы определяется выражением

Рис. 1. Схема экспериментальной установки. В - лазерный луч, Ь - асферическая линза, Л/

- эллипсоидальное зеркало, Т - мишень, ИК - ионный коллектор, 5 - входная щель, ЭИД

- электростатический дефлектор заряженных частиц, РН - диафрагма, ВЭУ - вторично-эмиссионный умножитель.

Для вывода ионов за пределы диафрагмы необходимо выполнение условия

У > грн + Л/2.

При 11 — ±2 кВ данная конструкция дефлектора позволяет очистить пучок от ионов с кинетической энергией (или скоростью)

Ег(кэВ) < 364г или ь{(см/с) < 6,8 • 108[2/Л(а.е.л«.)]1/2, и электронов с кинетической энергией (или скоростью)

Ее(кэВ) < 240 или уе < 2,2 • Ю10 и 0,73с, где г; - зарядовое число, А - массовое число, выраженное в атомных единицах массы.

С целью исследования зависимости потоков ионов и нейтральных частиц от условий фокусировки лазерного излучения на мишень, измерения в эксперименте проводились при трех различных положениях фокального пятна: а) 0,5 мм в глубь мишени; 6) на поверхности мишени; с) 0,25 мм перед мишенью. Остаточное давление в системе не превышало 6 • 10_6 мм рт.ст.

5х 10®

« 5x10"

5x10'

0 20 40 60

Нормированное время пролета, мкс

1x10"

I 1х Ю8

РЭ

а

к

О.

Я IXю7

0 10 20 30 40 50 60 Нормированное время пролета, мкс

Рис. 2. Сигналы ионной и нейтральной компонент для Си. а - суммарный сигнал ионной ц нейтральной компонент от ионного коллектора; Ь - суммарный сигнал ионной и нейтральной компонент от вторично-эмиссионного умножителя; с - сигнал нейтральной компоненты от вторично-эмиссионного умножителя = 10 Дж, фокусировка - 0,5л<л< в глубь мишени).

Рис. 3. Сигналы нейтральной компоненты для Си, полученные при различных условиях фокусировки лазерного излучения на мишень (Е£ = 10 Дж). а - 0,5 мм в глубь мишени; Ь на поверхность мишени; с - 0,25 мм над мишенью.

Рис. 4. Структура сигналов ионной и нейтральной компонент для различных мишеней (фокусировка - 0,5 мм в глубь мишени), а - суммарный сигнал ионной и нейтральной компонент от ионного коллектора, Ь - суммарный сигнал ионной и нейтральной компонент от ВЭУ; с - сигнал нейтральной компоненты от ВЭУ.

Результаты, полученные в эксперименте, приведены на рис. 2-4. Амплитуды и времена пролета нормированы на единицу телесного угла и расстояние Ьвэу = 201 см. Проведем рассмотрение результатов на примере медной мишени (рис. 2, фокусировка на расстояние 0, 5 мм в глубь мишени). На рисунке приведены следующие зависимости: а - суммарный сигнал ионной и нейтральной компонент от ионного коллектора, Ь суммарный сигнал ионной и нейтральной компонент от вторично-эмиссионного умножителя, с - сигнал нейтральной компоненты от ВЭУ. Ионные сигналы от ИК и ВЭУ отвечают трем группам ионов: наиболее быстрая (и, ~ (7 — 8) ■ 10' см/с) соответствует водородным ионам; вторая группа (иг ~ (2 —7)-107 см/с) состоит из высокозарядных ио-

в

я*

■ч £

о. о

•г

3x10' 2x10' 1хЮ7 0

ЗхЮ" 2x10" 1хЮ" 0

• 1 х 10'°

5x10' 0

(СН2)п

0 10 20 30 0 10 20 30

Нормированное время пролета, мкс Нормированное время пролета, мкс

ЗхЮ6

5; 2ХЮ6 <Э 1хЮ6

|5х1о°5

ё 6х Ю10 ¡4x10'° ¡2x10'°

I 0

ш

а

| 5x10'

о Ж

0

0 20 40 60 Нормированное время пролета, мкс

нов Си; третьей группе (и,- < 2 • 107 см/с) отвечают низкозарядные ионы Си. Подобная структура ионного сигнала отвечает всем типам используемых мишеней и условиям фокусировки.

Структура сигналов, отвечающих нейтральным атомам, значительно зависит от условий фокусировки и типа применяемой мишени. В качестве иллюстрации рассмо трим рис. 3, на котором приведен сигнал нейтральной компоненты от Си-плазмы, реги стрируемый при различных условиях фокусировки: —0,5жж (в глубь мишени); О.Олг.и (в плоскость мишени); 0,25 мм (перед мишенью). Сравнительный анализ данных сигналов приводит к выводу, что в области времен пролета 12-64 мкс (соответствующей скоростям (0,31 — 1, 7) • 107 см/с для нейтральных атомов Си) их соотношение 100:32:20. Примерно такое же соотношение и для остальных мишеней (рис. 4).

Данная работа представляет результаты экспериментов по исследованию эмиссии нейтральных атомов при взаимодействии лазерного излучения при потоках дА2 яз 1015 Втсм~2 мкм2 с плоскими мишенями. В качестве материала мишени использовались материалы с малым массовым числом - (С #2)71, средним - А1, большим - Си, Та. На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Показано, что с увеличением атомного номера материала мишени возрастает верхняя граница спектра энергии нейтральных частиц в разлетающейся плазме.

2. Важным результатом проведенных исследований является установление резкой зависимости сигнала нейтральной компоненты от условий фокусировки лазерного и ■ лучения на мишень.

3. Количество нейтральных атомов при данных потоках лазерного излучения мало по сравнению с количеством ионов независимо от условий фокусировки.

4. Максимальная амплитуда ионого сигнала уменьшается с увеличением массового числа материала мишени.

5. Сигналы от ионной и нейтральной компонент плазмы, полученные с помощью вторично-эмиссионного умножителя (ВЭУ), имеют пичковую структуру для мишеней с низким массовым числом: (С//г)п и А1. Для Си, Та пичковая структура присутствует только для нейтральной компоненты.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты: 95-02-18750, 96-02-04267).

ЛИТЕРАТУРА [1] Т а к е и с Ь 1 et.il. Лар. Л. Арр1. РЬуз., 22, 1709 (1983).

[2] S а г a f f S., W о о d а 11 D. М. Rev. Sei. Instrum., 49, no. 8, 1147 (1978).

[3] D e с о s t e R. Memorandum Report. Washington, NRL, no. 3774, 1978.

Поступила в редакцию 26 декабря 1996 г. После переработки 10 сентября 1997 г.