Введение к работе
Актуальность работы. Расширение диапазона доступных длин волн, на которых осуществляется генерация лазерного излучения является одной из основных проблем лазерной физики. Продвижение в область коротких длин волн (менее 1000 ангстрем) связано с рядом трудностей как технического, так и принципиального характера, поэтому рентгеновские лазеры по-прежнему остаются реализованными лишь в рамках редких и экзотических лабораторных установок. Ожидается, что дальнейшее развитие в этой области приведет к созданию недорогих компактных источников усиленного спонтанного излучения в мягком рентгеновском диапазоне, что позволит в полной мере использовать возможности коротковолновых лазеров. Одним из наиболее очевидных путей подобного развития является переход от источников на основе лазерной плазмы, к разрядным.
Хотя плазма электрических разрядов менее выгодна с точки зрения достижимых плотностей мощности энерговклада, следует упомянуть как минимум два ее преимущества: существенно более высокая суммарная энергия, вкладываемая в вещество, позволяет, при прочих равных условиях, получить существенно больший энергетический выход по сравнению с лазерной накачкой, вплоть до энергий импульса порядка миллиджоуля [1]. Второе преимущество заключается в отсутствии такого громоздкого и дорогостоящего элемента как лазер накачки, что позволяет сделать рентгеновский лазер доступным настольным прибором.
Из многочисленных разновидностей разрядной плазмы, наиболее подходящей для получения эффектов УСИ является плазма капиллярных разрядов, возникающая при разряде сквозь тонкий (0.1-10 мм) и длинный (1-30 см) канал. Важными свойствами плазмы, образующейся при подобном разряде являются:
а) большое отношение длина/диаметр (до 1000). Благодаря ему плазма остается оптически тонкой в поперечном направлении, что позволяет избежать пленения излучения на переходе из нижнего рабочего уровня в основное состояние
] РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ
| СПетсрффг і. \
' - 9Э ?**rJ)IOr
б) Благодаря высокой начальной симметрии разряда и (возможно) стабилизирующему влиянию стенок, развитие неустоичивостеи в капиллярном разряде существенно замедлено. Результатом является высокая стабильность и однородность плазменного столба при длинах в несколько сантиметров. [2]
Плотность плазмы капиллярных разрядов обычно находится в пределах 10^1020 см'3, температура может превышать 200 электронвольт.
Поэтому плазма капиллярного разряда в настоящее время считается наиболее интересным и перспективным объектом для получения инверсии населенностей при помощи электрического разряда, и ее исследованием занимается значительное количество научных коллективов (см. Главу 1).
Цель работы состоит в получении усиленного спонтанного излучения в капиллярном разряде на длине волны 46.9 нм в результате инверсии населенностей по столкновительной схеме в неоноподобном аргоне. При этом особенностью подхода является использование индуктивного накопителя с размыкателем в качестве драйвера разрядного тока. Данный драйвер позволял создать разрядную цепь без использования мегавольтных напряжений в основном разрядном контуре, что может привести к созданию простого, компактного и безопасного лазерного источника в мягком рентгеновском диапазоне. Помимо этого целью работы было показать применимость созданной схемы для получения инверсии по перезарядочному механизму, что позволило бы существенно расширить диапазон доступных длин волн.
Научная новизна
Впервые реализованы быстрые капиллярные разряды (максимальный ток до 50 кА, скорость нарастания тока до 1-2*1012 А/с) с помощью систем с индуктивным накопителем и размыкателем тока позволившие получить инверсию населенностей и усиленное спонтанное излучение на длине волны 46.9 нм в неоноподобном аргоне.
Сконструированы и оптимизированы разрядные системы с плазменно-эрозионным и полупроводниковым размыкателями.
Исследована начальная стадия пробоя в капиллярном разряде. Показано, что инициирование разряда происходит по одному или нескольким каналам вдоль внутренней стенки капилляра.
Выявлна возможность качественного определения наличия усиления в плазменном столбике путем анализа внеосевых обскурограмм. Показано, что подобный метод позволяет определять наличие даже достаточно малых (-0.05 см*1) коэффициентов усиления в плазме разряда.
Показана возможность создания аксиально-периодических плазменных структур путем коллапса ударной волны в аргоновой и углеродосодержащей плазме быстрого разряда в профилированном капилляре. Интенсивное вытекание плазмы из горячих областей вдоль оси капилляра и ее взаимодействие с областями холодной плазмы могут создать благоприятные условия для возникновения инверсии населенностей в плазме под действием механизма резонансной перезарядки.
Практическая ценность работы. Разработанный индуктивный драйвер тока позволяет получить источник усиленного спонтанного излучения на длине волны 468.8 ангстрем. Отличительной особенностью данного драйвера является возможность избежать использования сверхвысоких напряжений (свыше 40 кВ) в основном разрядном контуре, что позволяет существенно повысить доступность, компактность и безопасность лазерных источников в мягком рентгеновском диапазоне. Разработанная техника может быть применена также в других разрядных системах, где необходима высокая скорость нарастания тока.
Обнаруженный механизм создания аксиально-периодических плазменных структур путем коллапса ударной волны при разряде в профилированном капилляре
позволяет существенно расширить диапазон используемых схем инверсии и доступных длин волн.
Апробация работы. Ряд результатов, полученных в диссертации, докладывался и обсуждался на семинарах Института Спектроскопии РАН. Также результаты представлялись на следующих научных конференциях:
X-Ray Lasers 2000, 7th International Conference on X-Ray Lasers, Saint-Malo, Франция, 19-23 июня 2000 г.
Рентгеновская Оптика-2004, Н. Новгород, 2-6 мая 2004 г.
Публикации. По результатам исследований, изложенным в данной диссертации, были опубликованы четыре статьи.
Структура и объем работы.
Похожие диссертации на Источник инверсной населенности в диапазоне вакуумного ультрафиолета на основе капиллярного разряда с индуктивным накопителем энергии
