Введение к работе
ксертация посвящена сравнительному экспериментальному исследованию диолюмпнесцсишш щёлочно-галоидных кристаллов (ЩГК) при мощном нм-льсном возбуждении электронными и лазерными пучками; прямому эксне-[ментальному доказательству явления внутризонной раднолюминесценцин !РЛ); а также исследованию лучевой стойкости диэлектриков при синхро-гзированном воздействии наносекундных сильноточных электронных и пи-
ктуальиость темы. Работа является логическим продолжением нссле-жаний процессов в диэлектрических материалах под действием мощных ла-рных и электронных пучков, начатых около 30 лет назад с момента создали первых лазеров и сильноточных электронных ускорителей. Долгое время рфекты мощного лазерного и электронно-лучевого воздействия на днэлек-рики изучались в значительной мере обособленно, хотя многие из них имеют, іинаковую природу, связанную с неравновесным состоянием облучаемого мд-эриала. При лазерном воздействии обнаружены и глубоко изучены сильные елинейные эффекты, как, например, хрупкое разрушение твердых днэлек-риков, оптический пробой, нелинейное поглощение и светонндушфонанная розрачность, многофотонная ионизация и другие. Под действием плотных пектронных пучков был обнаружен и подробно исследован ряд физических влений, таких как хрупкое разрушение диэлектрических кристаллов и ствол,.генерация акустических импульсов волн разгрузки и нзгнбных волн, вы-окоэнергетическая проводимость и мощная критическая эмиссия диэлектрн-ов, многоканальный электрический пробой, внутрнзоншія раднолюмннесцен-іия диэлектриков. Следует отметить, что большинство пионерских работ по ізучению свойств диэлектриков при воздействии плотных электронных пуч-;ов были проведены научным коллективом лабораторий нелинейной физики ^омского политехнического университета и Института сильноточной элек-роники СО РАН, в котором выполнена настоящая работа. Основные резуль-аты, полученные до 1980 года, описаны в монографии [!}, а последующие серии научных статей.
В диэлектрике, возбужденном мощным лазерным или электронным пуч-ом, развиваются два основных процесса: генерация одночастичных элемсн-арных возбуждений высокой плотности — электронов, дырок, экситонов, фо-онов, с одной стороны, и сильных механических и электромагнитных по-
лей с другой. Именно эти поля определяют коллективное поведение воз жденпй и дефектов, что является причиной наблюдаемых катастрофпчесі явлений, таких как хрупкое разрушение, пробой, критическая эмиссия и т Импульсные лазерные и плотные электронные пучки как источники воз ждения диэлектриков обладают рядом значительных достоинств по сраг нию с другими способами возбуждения. В частности, лазерное возбуждеї 1) дает возможность воздействовать на вещество рекордно короткими иып} сами (вплоть до фемтосекунд); 2) позволяет переводить электроны и ды на определенный уровень в спектре возбужденных состояний твердого те* получать предельно высокие заселенности в узкой полосе спектра.
Достоинства способа возбуждения плотным электронным пучком: 1) собность производить плотную и достаточно однородную ионизацию боль: объемов диэлектрика без существенных термических эффектов; 2) возх ность накачивать электронами її дырками практически все знергетнчеі уровни твердого тела вплоть до верхней энергии электронов пучка (соті тысячи кэВ).
Сказанное привело к пониманию, что одновременное воздействие раз ных видов радиации на исследуемый материал может существенно расши] возможности эксперимента при сравнении с раздельным. Одной из перв: мировой практике работ, выполненных в в этом направлении, было созд установки СГИН-1 [2], в которой синхронизировались два сильноточных ; рителя типа ГИН-600 с точностью до ±2 не. Проведенные на СГИИ-І исс; вання люминесценции- ЩГК, возбуждаемой одним ускорителем с одноврс иым наведением в образце механических полей, возникающих после во ствия на диэлектрик излучения второго ускорителя, подтвердили ПЛОДО' ность выдвинутой идеи. После этого стало ясно, что сочленение В ЛОДОІ рода установке лазерного и электронного способа воздействия на матері силу их достоинств и различий, позволит эффективно выделять и исслед< в чистом виде элементарные составляющие сложных нелинейных проце«| выяснять их механизмы.
Цель работы — разработать и создать комплекс физической аппараї
в котором соединены и синхронизированы три основных элемента: п|
кундный лазер с перестраиваемой длиной волны, наносекундный силы
ный ускоритель электронов и регистрирующая аппаратура соответствуй
временного разрешения — и с его помощью решить ряд конкретных за|
воздействию излучения на прозрачные диэлектрики. I
шкретные задачи работы:
-
Создать пикоеекундную лазерную систему на YAG:Nd3+ с генераторами второй, третьей, четвертой гармоник, способную возбуждать прозрачные, диэлектрики с шириной запрещенной зоны Ед = 5 -г 9эВ вплоть до их лазерного пробоя.
-
Произвести синхронизацию лазера и сильноточного ускорителя электронов типа «Радан-220», а также регистрирующей аппаратуры с точностью не хуже -± 1нс. - - --.._..
внутризонной радиолюмннесценции диэлектриков при их лазерном и электронном возбуждении.
-
Получить прямое экспериментальное доказательство явлення ВРЛ диэлектриков, item Выяснить механизм пикосекундной радиолюминесценции Csl.
-
Исследовать' шшяние синхронного электронного облучения на оптический пробой диэлектрика лазерным лучом.
аучная новизна.
-
Впервые создан экспериментальный комплекс, в котором пикосекупдныи YAG:Nd3+ лазер с генераторами гармоник синхронизирован с наносе-кундным ускорителем электронов типа «Радан-220» и регистрирующей аппаратурой субпапосекундного разрешениям точностью, пе хуже ±1 не.
-
Впервые, путем сравнения спектров люминесценции кристаллов NaC'l
- при электронном н двухфотонном лазерном-(2/ш = У, 32эВ) возбужде- .. .. ний получено прямое доказательство явления внутризонной электронной .радиолюминесценции прозрачных диэлектриков.
3. Выяснен механизм пикосекундной радиолюмннесценции Csl и впервые
показано сосуществование двух видов фундаментальной люминесценции
зонных электронов и дырок: внутризонной электронной и межзонной ды
рочной радиолюмннесценции.
-
Впервые произведены относительные измерения порогов оптическої пробоя кристаллов NaCl при инжекции в образец сильноточного пучк Выявлена их независимость в пределах 25%-точности эксперимента.
-
Впервые проведены относительные измерения коэффициентов рэлеевск го рассеяния газообразных N2, Аг для импульсов переменной длительн сти от 15 пс до 20 не с длиной волны 532 нм. Показано, что коэффициент рассеяния не зависят от длительности рассеиваемого импульса.
Практическая значимость. Созданный в процессе работы аппаратурль комплекс показал высокую эффективность при решении ряда практическі задач, реализация которых была ранее затруднена. Полученные экспериме тальпые данные позволяют с большей точностью прогнозировать поведен: прозрачных диэлектриков в интенсивных лазерных и электронных пучка Способы и методики, разработанные в процессе исследований, реализованы реальном физическом эксперименте, а их эффективность подтверждается г лученными научными результатами, такими как прямое доказательство яш ния ВРЛ в NaCl и наблюдение сосуществования внутризошюй электронной межзонной дырочной радиолюминесценцни в Csl. Основные положения, представляемые к защите:
синхронизация пикосекундного YAG:Nd3+ лазера с пассивной синху шпацией мод и сильноточного ускорителя электронов «Радан-220», построе ного по схеме импульсного трансформатора, осуществлена с точностью ±11
прямое_ экспериментальное доказательство явления внутризошюй | днолюминесценции диэлектриков;
спектр пикосекундной радиолюминесценцни кристалла Csl формируї ся двумя видами фундаментальной люминесценции ионизационно-пасспвн: зонных электронов и дырок: внутризошюй электронной и межзонной дыр( ной;
порог оптического пробоя кристалла NaCl сфокусированным нзлучеі ем пикосекундного YAG:Nd3+ лазера не зависит от синхронной «подсветк плотным наносекундным электронным пучком в пределах 25% погрешнос измерений; '
коэффициенты рэлеевского рассеяния газообразных азота и аргона зависят от длительности рассеиваемых лазерных импульсов с длиной вол 532 нм в диапазоне длительностей 15 -г-200 пс, 2 -г- 20 не. . '
пробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на Всесоюзной конференции по распространению радиоволн (Томск, 1972 г.); сесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмо-рере (Томск, 1973, 1975, 1979 г.г.); VIII Всесоюзном симпозиуме по лазерно-у и акустическому зондированию (Томск, 1984 г.); IV Всесоюзном совещании Воздействие ионизирующего излучения и света на гетерогенные среды» (Ке-ерово, 1986 г.); VIII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике Свердловск, 1990 г.); II Всесоюзной конференции «Модификация свойств кон-грукционных материалов пучками заряженных частиц» (Свердловск, 1991 ); 8 конференции по радиационной физике и химии неорганических матепиа-^1,|РХ:5^(Т5Ш1П^3153гТ7Г5К^конференции п" лк>мин»спен!іми Лосква, 1994 г.).
бъем и структура работы. Диссертация содержит 106 страниц машн-шисного текста, 50 рисунков, 2 таблицы, 15 страниц библиографии и состоит t введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего ІЗ найменованії^.
Похожие диссертации на Синхронизированные пикосекундные лазерныеи наносекундные электронные пучки и их применение для исследования фундаментальной люминесценции диэлектриков
