Введение к работе
Актуальность темы. Одним из актуальных вопросов современной лазерной физики является исследование механизма нагрева и образования плазмы при взаимодействии излучения лазера с твердыми телами. Такой повышенный интерес обусловлен созданием лазерного термоядерного синтеза, лазеров на многозарядных ионах, плазменных лазеров, эффективных источников многозарядных ионов и др.
Процессы образования ионного пучка и плазмы при взаимодействии излучения лазера с твердыми телами сопровождаются сложными явлениями, связанные с особенностями энергетической структуры лазерного импульса [1-3]. Плотность потока энергии в импульсе нарастает постепенно во времени, так что импульс имеет характерную колоколобразную форму. Следовательно, можно выделить интервалы времени, когда: 1) плотность мощности еще мала, чтобы вызывать испарение вещества; происходит нагрев вещества (q<105-106 Вт/см2); 2) плотность мощности такова, что вещество мишени интенсивно испаряется, но ионизации еще нет (q<108 Вт/см2); 3) плотность мощности столь велика, что происходит интенсивная ионизация испаряемого вещества (q>108 Вт/см2); 4) при плотности мощности q>109 Вт/см2 испаряемое вещество ионизировано в значительной степени и основное поглощение энергии лазерного импульса происходит в образовавшейся плазме, вызывая повышение температуры и увеличение степени ионизации. Рост температуры плазмы сопровождается формированием многозарядных ионов в широком интервале кратности заряда и энергии, а также возникновением газодинамического движения, что, в свою очередь, оказывает существенное влияние на нагрев и ионизацию; 5) при плотности мощности q<1014 Вт/см2 получена плазма с ионными пучками: Ag+16, Та+2, W*19, Bi+I9, Со+25, А1+'3 и экспериментально установлено, что максимальная кратность заряда моноэлементного ионного пучка растет с ростом q лазера; 6) при плотности мощности греющего излучения q>10l5-1017 Вт/см2 регистрирована нейтроны, что явилось прямым
экспериментальным доказательством лазерного нагрева плазмы до термоядерных температур. Необходимо отметить, что в случае моноэлементной мишени при воздействии излучения лазера установлено сильное увеличение рекомбинационных потерь для ионов с наиболее высокими кратностями заряда (Z>3), которые приводят к уменьшению их интенсивности, поэтому в масс-спектре их интенсивность всегда меньше, чем однозарядных. Пути управления плотностями мощности лазера и выбор различных мишеней моноэлементного состава не дали ожидаемого эффекта по уменьшению рекомбинационных потерь многозарядных ионов и следовательно, увеличения их интенсивности.
Образование плазмы и физические процессы протекающие в ней зависит не только от плотности мощности излучения лазера, но и от угла падения, длины волны, условия фокусировки излучения лазера [4-6] и т.д.
В настоящее время в проблеме физики взаимодействия излучения лазера с веществом остается не исследованными влияния еще одного параметра, а именно плотности пористой мишени р на формирования масс-зарядовых, энергетических спектров ионов в широком интервале кратности заряда и энергии.
Так как поглощения излучения лазера, ионизационные и рекомбинационные процессы в пористых малоплотных мишеней могут иметь весьма специфический характер и привлекают в последнее время все больше внимание исследователей. Анализ результатов имеющихся работ по изучению ионизационных и рекомбинационных процессов при взаимодействие излучения лазера с твердыми телами показывает, что исследования проведены, в основном, с использованием мишени моноэлементного состава (плотность мишени постоянная), а роль плотности мишени в процессах ионизации, рекомбинации и «закалки» остается открытой. В последние годы появились работы [7], где рентгеновскими и оптическими методами исследовались механизмы взаимодействия излучения лазера с малоплотными пористыми средами. Было получено, что внутри пористой мишени формируется область плотной плазмы, которая эффективно поглощает лазерное излучение.
Однако, масс-спектрометрические данные не изучались. Мы полагаем что, следует необходимость исследования взаимодействия излучения лазера с малоплотными пористыми средами путем изучения масс-зарядовых спектров многозарядных ионов в широком интервале плотности мишени, выяснить роль малоплотных пористых сред в формирования зарядовых, энергетических, временных характеристик ионов лазерной плазмы.
Целью данной диссертации является исследование масс-спектрометрическим методом взаимодействия излучения лазера с малоплотными пористыми средами в зависимости от плотности мощности, угла падения излучения лазера и плотности мишени.
Объектами исследования являлись мишени из Y203, Но203, приготовленные из порошка с помощью пресса с плотностью: pi=l,4 г/см3, р2=2,8 г/см3, рз=3,2 г/см3, р4=3,5 г/см3, р5=3,7 г/см5. Мишени имели диаметр 10 мм с разной толщиной в виде таблетки и изготовлены на технологической базе ФТИ АН РУз.
Научная новизна. В работе впервые проведены масс-спектрометрические исследования взаимодействия излучения лазера с малоплотными пористыми средами Но203, Y203 в зависимости от плотности мощности и угла падения излучения лазера, а также плотности мишени.
- показана зависимость поглощения лазерного излучения от плотности
мишени. С ростом плотности мишени существенно изменяются
поглощательные свойства мишени и, следовательно, меняются
кратности заряда, массовый состав и интенсивности ионов плазмы
при фиксированном значении плотности мощности лазера.
установлена неравновесность процесса ионизации атомов малоплотной среды излучением лазера.
показано, что начиная с плотности мишени p>2.3pi поры в мишенях уменьшаются настолько, что они не влияют на формирование масс-
зарядовых и энергетических спектров ионов, образованных излучением лазера.
установлено, что энергетические спектры ионов О и Но (Y) независимо от плотности мишени расположены в различных энергетических диапазонах.
установлено, что максимальное поглощение излучения лазера плазмой, разлетающейся в основном по нормали мишени, наблюдается при перпендикулярном падении луча на поверхность мишени (а=(Ґ) относительно а=18.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Существенная зависимость масс-зарядовых, энергетических спектров ионов плазмы, образующейся при взаимодействии излучения лазера с малоплотными пористыми средами Но203, Y203 от плотности мишени.
-
Эффект увеличения интенсивности, кратности заряда, энергии ионов как Но (Y), так и О малоплотных пористых сред Но203, Y203 и расширение энергетического спектра ионов при увеличении плотности мишени, с которыми связаны изменения поглощательных свойств мишени, а также с ростом ионизационных и уменьшением рекомбинационных процессов в плазме.
-
Зависимость поглощения излучения лазера от плотности мишени и неравновесное распределение поглощенной энергии излучения лазера между ионами Но (Y) и О в интервале p=pi^-p3.
-
Особенности взаимодействия излучения лазера с малоплотными пористыми средами, которые характеризуют в зависимости от р мишени объемные (p=Pi^p3) и поверхностные р>р3 процессы поглощения излучения лазера. В области р=р1ч-р3 большую роль играет объемное поглощение излучения лазера порами мишени.
Практическая ценность работы заключается в том, что полученные данные о массовых, зарядовых, энергетических, скоростных, временных характеристиках ионов малоплотной среды под действием излучения лазера, могут быть использованы в получении ВТСП пленок с лазерным
напылением и в создании эффективных источников многозарядных ионов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах, в том числе Республиканской конференции «Узбекистан олий укув юртларида физика фанининг ютуклари» (Ташкент, 1995 г.), Республиканской конференции по физической электронике (Ташкент, 1995, 1999 г.), ХШ-ой международной конференции «Взаимодействие ионов с поверхностью» (Москва, 1997 г.), ХХШ-ей международной конференции «Эмиссионная электроника, новые методы и технологии» (Ташкент, 1997 г.), Республиканской конференции «Современные проблемы ядерной физики» (Самарканд, 1997 г. Бухара, 1999 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации изложены в 14 печатных работах.
Личный вклад автора заключается в следующем: усовершенствование экспериментальной установки и методик измерения; участие в проведении экспериментов, получение результатов; обработка и обсуждение экспериментальных данных.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и содержит 116 страниц машинописного текста, 27 рисунков и список литературы из 117 наименований.
