Формирование мощных импульсов CO2 лазера для исследования лазерной плазмы и эффективной генерации высокозарядных ионов Сатов Юрий Алексеевич

Введение к работе

Объект исследования и актуальность темы. В последние годы в лазерной физике определился значительный прогресс, выраженный в фундаментальных разработках различных лазерных устройств и систем, предназначенных для генерации мощных и сверхмощных импульсов. Интенсивное развитие получили и прикладные задачи лазерной физики такие как исследования взаимодействия излучения с плазмой. В настоящее время актуальной является реализация научных идей в области научно-технических применений. С этой точки зрения особенно перспективно, наряду с проведением научного исследования, завершение работы изготовлением опытных образцов оборудования и получение результатов внедрения в конкретную прикладную задачу. Ценность таких НИР состоит, с одной стороны, в объективном подтверждении надежности полученных физических результатов, которые положены в основу разработки, а с другой, в полезности и технического результата работы, выполняющего роль прототипа соответствующего устройства. В частности, представляется актуальным развитие лазерно-плазменных технологий для производства сильноточных пучков высокоионизованных ионов. Реальность таких приложений основана на базе накопленных в ГНЦ ТРИНИТИ, ИТЭФ, МИФИ, ИАЭ им. И.В. Курчатова (РНЦ Курчатовский институт) НИИЭФА, ФИАН, ИОФАН и др. научно-технических данных и разработок в области генерации импульсов СОг лазера и, в частности, схемам генерации импульсов с высоким качеством пространственно-временных характеристик импульсно-периодического действия и их применениям в исследованиях лазерной плазмы [1]. Объектами исследования в диссертации являлись как научные разработки самих СО2 лазерных систем для нагрева плазмы, так и исследование эффективности лазерно-плазменного генератора высокоионизованных частиц. Следует отметить, что задача по созданию схемы генерации мощного СОг излучения, способного работать в долговременном режиме с требуемой стабильностью воспроизведения параметров является актуальной, поскольку область применения таких генераторов не ограничивается вышеуказанной задачей и может иметь приложения в спектроскопии молекул, лазерохимии, зондировании атмосферы, нелинейных преобразователях света и т.п.

Использование лазерного излучения для концентрации энергии в малых

объемах, как было показано е рамках фундаментальных исследований лазерной плазмы в ФИАН, ВНИИЭФ, НИИФА, МИФИ, ИАЭ им. И.В.Курчатовэ (ТРИНИТИ) и других лабораториях мира ([2-5]), позволяет создать высокотемпературную плотную плазму (Т_е > 1 кэВ), которая в процессе расширения в вакуум представляет собой мощный поток заряженных частиц, занимающих малый объем в фазовом пространстве. Последующее разделение зарядов позволяет получать источник ионов рекордной яркости, превосходящий все имеющиеся к настоящему времени. Анализ такого способа создания лззерно-плэзменного генератора ионов с точки зрения выбора длины волны излучения показывает, что для получения заданного числа частиц и их кратности ионизации принципиальной разницы между излучением с длиной волны 10.б мкм и, например, 1.06 мкм нет. Выбор СОг -лазера здесь в качестве драйвера для лазерно-плазменного генератора (ЛПГ) продиктован, главным образом, его техническими преимуществами на данный момент при создании мощных, частотных лазерных систем. Важно отметить, что такой генератор одновременно являлся бы и источником коротковолнового излучения, использование которого также находит широкое применение. Например, в настоящее время считается актуально его использование для развития технологий производства микроэлектроники [б] (фотолитография с помощью УФ излучения жесткой части спектра).

Исследования лазерного источника ионов велись в 60-70-е годы прошлого столетия в основном с целью диагностики лазерной плазмы. Эти работы явились, по-существу, базовыми для практического использования пучков заряженных частиц из лазерной плазмы. Одними из области практических применений были работы Ю.А.Быковского и сотрудников по лазерной масс-спектрометрии и напылении пленок металлов, полупроводников и окислов с помощью лазера. Первые опыты по применению ионного излучения иэ лазерной плазмы легких элементов при плотности мощности на мишени q « 10⁹ -г 10¹² Вт/см² осуществились в ОИЯИ (Дубна) совместно с МИФИ, где СОг лазер был впервые применен в лазерном источнике ионов на форин-жекторе синхрофазотрона [7]. В дальнейшем СОг лазер небольшой мощности был внедрен в ускоритель ГНЦ РФ ИТЭФ [8,9]. Целенаправленное создание источника ионов для инжектора в ускорители проводились также в Институ-

те физики и лазерного микросинтеза (Варшава, Польша), Институте физики (Прага, Чехия), ЦЕРН (Женева Швейцария). Не смотря на достаточную широту исследований в этой области, имеющиеся к началу работы данные носили, в основном, общий характер и были недостаточны для инженерно-физической разработки конкретного устройства с высокой эффективностью генерации частиц заданного свойства. В частности, необходимы были данные о влиянии параметров лазерного импульса и условий облучения мишени (длительности излучения, диаметра пятна фокусировки, плотности мощности ) на эффективность лазерно-плазменного генератора высокоионизованных частиц (количество частиц заданной кратности ионизации, стабильность характеристик). Задача усложнялась тем, что одновременно требовалась разработка самой лазерной системы с необходимыми характеристиками. Аналоги такой лазерной системы также отсутствовали. В данной работе эта задача решалась в процессе создания высокоэффективного источника частиц для тяжелоионного инжектора в ускорители ЦЕРН [10] и ИТЭФ [11]. В первом случае необходимо производить пучки инов РЬ²⁵⁺ током в 10 мА и длительностью около 5 мкс с частотой повторения 1 Гц, совпадающей с тактовой частотой ускорителя. Требуемые параметры лазера для тяжелоионного инжектора ИТЭФ еще более высоки, поскольку генерируемые ионы должны обладать ионизационным состоянием близким к He-подобному иону и более высоким средним током.

Область применения описанного лазерно-плазменного генератора, не ограничивается сильноточными источниками в инжекторах ускорителей. Можно предложить и другие эффективные применения /1ПГ:

источник кластерных ионов и молекул, свойства которых активно исследуются в последнее время;

источник пучков высокоионизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, экспериментальные данные необходимы в таких областях науки и техники как термоядерный синтез, физика ионосферы, астрофизика и собственно исследование самой лазерной плазмы;

создание тонких, однородных пленок, например, для формирования тон-

кой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок;

ионная имплантация с целью легирования полупроводников или изменения свойств поверхности материалов;

формирование пучков ионов с определенным зарядовым состоянием с целью создания активной среды для рентгеновских лазеров.

Как отмечалось, одним из важных разделов в поставленной программе исследований являлась разработка лазерной системы импульсно-периодического действия, способной генерировать импульсы необходимой мощности с требуемой стабильностью воспроизведения. По условиям исследования она, очевидно, должна была обладать известной гибкостью с точки зрения изменения её выходных характеристик для согласованной настройки параметров ионной компоненты плазмы. Оказалось, что использование в ЛПГ лазерного излучателя в режиме свободной генерации не позволяет решить проблему по ряду причин физического и технического свойства, описанных в диссертации: низкое качество пространственно-временных параметров излучения, недостаточная эффективность экстракции излучения из среды СОг лазера, неуправляемая и большая длительность импульса излучения и, соответственно, низкая удельная мощность излучения, хаотическое изменение интенсивности импульса вследствие самосинхронизации мод, недостаточно высокая воспроизводимость параметров в долговременном режиме и т.п. Все эти недостатки не позволяют успешно применить лазер такого типа в тяжелоионном инжекторе, где требования к лазерному драйверу достаточно жестки. Высокое качество пространственно-временных характеристик лазерного излучения и, одновременно, высокая эффективность устройства достигаются, как известно, в генератор-усилительной схеме формирования короткого импульса. Однако существующие на этот момент лазерные схемы, подобные используемой и в нашей лаборатории [12], сложны для работы в импульсно-периодическом режиме и не достаточно надежны при высоких ресурсах наработки. Вместе с тем, теоретическое обоснование физических способов формирования мощных импульсов в усилительной и поглощающей среде, которые более просты технически, было дано в 60-х и 70-х годах прошлого столетия [13]. Одним из результатов этих идей явилось развитие лазерной техники уко-

рочения импульсов для твердотельных лазеров. Экспериментальные и теоретические работы по систематическому исследованию распространения света в цепочке нелинейных резонансных сред поглотителя и усилителя отсутствовали для СО2 лазеров на момент начала данной работы. Однако именно такой способ генерации мощного импульса СОг лазера для ЛПГ представляется наиболее привлекательным из-за технической простоты и актуален в данной разработке.

Целью диссертационной работы явилось исследование плазмы, создаваемой СОг лазерными импульсами высокой мощности, для эффективной генерации высокозарядных ионов, разработка сильноточного источника тяжелых ионов. Для её достижения требовалось решить следующие конкретные задачи:

исследование характеристик лазеров, работающими на базе самостоятельного разряда, и разработка импульсных СОг лазерных модулей с высокими удельными характеристиками;

исследование различных физических способов и лазеро-оптических схем для генерации мощного импульса ССЬ лазера с высоким качеством пространственно-временных характеристик;

исследование физических процессов, сопровождающих распространение импульсов излучения высокой мощности в резонансных поглощающих и усиливающих средах;

измерение параметров плазмы различных элементов, нагреваемой импульсами СОг лазера при различных плотностях мощности излучения на мишени;

определение зависимости характеристик ионной компоненты плазмы от параметров импульса излучения СОг лазера и определение оптимальных условий облучения для получения ионов заданной кратности ионизации и потоком частиц;

разработка и испытание лазерно-плазменный генератор ионов РЬ²⁵⁺ импульсно-периодического действия;

Научная новизна,

1. Впервые получены зависимости характеристик самостоятельного разряда атмосферного давления в смеси СОг/^/Не от содержания СОг при высоких (>1 ГВт/л) уровнях электрической мощности, вложенной в разряд;

2. Замечено, что при удельной мощности вклада электрической энергии >1 МВт/см³ в однородный самостоятельный разряд атмосферного давления смесей с высоким содержанием СОг происходит нарушение оптической однородности активной среды, которое может эффективно использоваться для подавления "хвоста"излучения СОг лазера в режиме свободной генерации.

3. Получен рекордный удельный лазерный выход 145 МВт/л для импульсного СОг генератора, основанного на самостоятельном разряде атмосферного давления;

4. Найдены условия надежно воспроизводимой одночастотной генерации в лазерном генераторе, построенном по гибридной схеме;

5. Экспериментально исследованы характеристики насыщения нелинейных поглощающих ячеек с гексафторидом серы в широком интервале параметров СОг лазерного импульса и определены условия их применимости для целей формирования короткого импульса;

6. Впервые получено сокращение длительности импульса СОг лазера до ~10 не при его распространении в резонансных средах нелинейного поглотителя и усилителя, экспериментально получены оптимальные условия для эффективной компрессии импульса;

7. Исследованы искажения пространственной формы пучка СОг лазера вследствие самофокусировки в SF₆, ограничивающие предельные характеристики нелинейной схемы формирования импульсов;

8. Обнаружено влияние когерентного эффекта переходной оптической нутации на форму импульса излучения СОг лазера и определены условия, при которых может наступать искажение его формы в усилителе;

9. Получены экспериментальные данные о характеристиках ионной компоненты плазмы тяжелых элементов (на примере свинца): потоках частиц в заданный телесный угол, их зарядовом составе, энергетических спектрах разлета. Такие данные обобщены для плотностей мощности СОг лазера на мишени в интервале q = 1 10¹² -і- б 10^й Вт/см² для импульсов излучения различной формы и длительности, а также разных размерах пятна фокусировки.

Научная и практическая ценность.

9. Разработан совместно с ОКРФ ФИАН и РНЦ Курчатовский институт СОг лазерный задающий генератор "Катран", позволяющий излучать импульсы длительностью 30 не на полувысоте и обладающий удельной выходной пиковой мощностью 145 МВт с литра активного объема в режиме свободной генерации;

10. Создан одномодоеый одночзстотный СОг генератор имлульсно-периодического действия с высоким качеством пространственно-временных характеристик, позволяющим эффективно использовать его в лазерно-оптических схемах формирования мощных импульсов;

11. Создан широкоапертуриый СОг усилитель импульсно-периодического действия с активным объемом ~ 40 литров и полным усилением flo L ~4;

12. Создана лазерная установка, состоящая из задающего генератора, поглощающих ячеек с SFe и усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы СОг лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в импульсно-периодическом режиме с частотой 1 Гц;

13. Получено эффективное преобразование импульса СОг лазера длительностью 2 не при плотности мощности ~1 ГВт/см² во вторую гармонику с коэффициентом конверсии по энергии ~80% в нелинейном кристалле ZnGeP₂;

14. Получены данные о кратности ионизации, плотности тока ионов и их энергетических распределениях для различных элементов мишени и

различных импульсов излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой СОг лазером.

7. Показано, что для плазмы, создаваемой СОг лазером с длительностью
импульса > 10 не:

1. - увеличение кратности ионизации плазмы свинцовой мишени достигается увеличением плотности мощности излучения лазера и размера пятна фокусировки, при этом, зависимость от длительности импульса- слабая;

2. - увеличение плотности тока ионов в нормальном к поверхности мишени направлении при постоянной энергии излучения достигается путем сокращения длительности импульса с сохранением плотности мощности на мишени за счет увеличения размера фокального пятна; средняя кратность ионизации ионов при этом меняется слабо.

8. Создан и испытан лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозаряд-
ных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за вы
стрел:

а 7.5-10¹³ частиц/стерад для РЬ²⁵⁺ б 2.6-Ю¹⁵ частиц/стерад для А1¹¹⁺

9. Создана установка, позволяющая исследовать лазерную плазму, созда
ваемую импульсами СОг лазера при плотности мощности излучения до
2 10^1S Вт/см².

На защиту выносятся следующие положения.

1. В самостоятельном разряде в смеси C02/N₂/He атмосферного давления напряженность электрического поля Е* в квазистационарной фазе зависит от содержания СОг рсої как: *[кВ/см]~ 14 + 7рсо₂-

2. Показано, что при распространении импульса СОг лазера в цепочке нелинейных сред SFe и усилителя достигается шестикратное увеличение мощности лазера в сравнении с аналогичными условиями в режиме

свободной генерации за счет компресии импульса, достижение эффекта возможно только при условии определенного согласования параметров импульса задающего генератора, поглощающей ячейки и эффективной длины усиления.

3. Показано, что при распространении излучения СОг лазера в среде SF6 из-за эффекта самофокусировки происходит пространственное искажение пучка, возрастающее с ростом давления SF₆ и интенсивности лазера, приводящее к расслоению пучка на концентрические кольцевые области, что является ограничительным фактором при компрессии импульса в формирующей цепочке поглощающих ячеек и усилителя.

4. Усиление импульса СОг лазера, удовлетворяющего условиям fi/h > 1/т > 1/Т*2. приводит к появлению затухающих осцилляции интенсивности с частотой Раби, что ограничивает возможность сокращения импульса излучения в процессе усиления (г-длительность фронта импульса, 7г-время релаксации поляризации, ^-дипольный момент, — напряженность поля световой волны).

5. При воздействии на нелинейный кристалл ZnGeP2 импульсами СОг лазера длительностью 2 не при плотности мощности ~1 ГВт/см² эффективность преобразования излучения во вторую гармонику достигает ~80% по энергии.

6. При облучении мишеней импульсами СОг лазера при плотности мощности в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов: низкозарядная и высокозарядная, отличающиеся средними кратностями ионизации, распределением скоростей и угловых характеристик разлета.

7. При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами СОг лазера длительностью 15 не и плотностью мощности q ~ 1-Ю¹⁴ Вт/см² получена избирательность по кратности ионизации 50% для легких (А1^П+) и 15% для тяжелых элементов (РЬ²⁵⁺), обусловленная тем, что ионизационное состояние плазмы не устанавливается для высокозарядных ионов с потенциалом ионизации >0.5 кэВ.

8. При облучении свинцовой мишени импульсами С0₂ лазера длительностью 15 не при диаметре пятна фокусировки 2± 150 мкм зарядность иона максимально представленного в спектре разлета по нормали к мишени зависит от плотности мощности как: Zpi, = 2.7 In q [Вт/см²] - 55.5.

9. При облучении свинцовой мишени импульсами СОг лазера длительностью 15 не при диаметре пятна фокусировки ~ 150 мкм плотность полного ионного тока пропорциональна энергии импульса и слабо зависит от его длительности: j [мА/см²] =1.5 Е [Дж] для дрейфового расстояния 1 м.

10. В результате проведенных исследований получена мощность импульса излучения СОг лазера 5 ГВТ в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц;

11. При облучении мишеней импульсами СОг лазера получен ионный выход за выстрел 2.3-10¹⁴ частиц/стерзд для РЬ^2сН" и 7.8-Ю¹⁵ частиц/стерад для А1¹¹⁺ при долговременной работе лазерно-плазменного генератора.

Апробация работы.

XII Европейская конференция по взаимодействую лазерного излучения с веществом, Москва 1978;

Конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звенигород-ХХ, 1983;

Молодежная конференция по преобразованию энергии, Протвино, 1983;

3-е Всесоюзное совещание по высокотемпературной плазме, Дубна. 1983;

Конференция по проблемам преобразования энергии", Москва, 1983; г., М., 1983, 12-13

XXII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993;

б-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт- Петербург, 1993;

XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996;

б-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995;

7-я Международная конференция по ионным источникам, Термина, Италия, 1997;

9-я Международная конференция по ионным источникам, Оуклэнд, Калифорния, США, 2001;

18-я Международная конференция по линейным ускорителям, LINAC-96, Женева, Швейцария, 1996;

Международная конференция по физике плазмы, Нью-Орлеан, США, 2000;

30-я Ежегодная конференция по аномальному поглощению, Оушен-Сити, Мэриленд, США, 2000, ;

XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000;

Международная конференция: IV Харитоновские тематические научные чтения, Capos, 2002;

XXVII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 2002;

ЕРАС-2002 Европейская конференция по ускорению частиц, Париж, 2002;

XXX Звенигородская Конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2003;

JINR Dubna-2003 Международная конференция объединенного института ядерных исследований, Дубна, 2003;

ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорению частиц, Люцерна, Швейцария, 2004.

Личное участие автора в научных исследованиях, приведенных в работе, состоит в постановке задачи, выработке программы исследования, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов. В части расчетно-теоретических исследований участие автора осуществлялось при постановке задачи и сравнении результатов расчета с экспериментом и проведении отдельных расчетов.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы, включающей 415 наименований. Литературный обзор по обсуждаемым проблемам изложен в начале каждой главы. Диссертация изложена на 247 страницах, содержит 204 рисунка.

Похожие диссертации на Формирование мощных импульсов CO2 лазера для исследования лазерной плазмы и эффективной генерации высокозарядных ионов

Исследование параметров ионной компоненты CO2-лазерной плазмы и эффективная генерация многозарядных ионовМакаров Константин Николаевич

Расчетно-теоретическое исследование возникновения и горения разряда вблизи тугоплавкой металлической мишени в луче непрерывного CO2-лазераЯвохин, Александр Николаевич

Разработка методов и исследование генерации и нагрева плазмы на сферическом токамаке Глобус-МГусев Василий Константинович

Исследование влияния режимов генерации ВЧИ разряда на равновесную температуру плазмыДанилова, Ольга Тимофеевна

Исследование МГД неустойчивостей в плазме токамака с нагревом и генерацией тока СВЧ волнамиКислов Дмитрий Александрович

Генерация быстрых ионов и рентгеновского излучения при взаимодействии интенсивных ультракоротких лазерных импульсов с твердотельными мишенямиЧефонов, Олег Владимирович

Формирование интенсивного пучка многозарядных ионов из плотной плазмы, создаваемой мощным миллиметровым излучениемСидоров Александр Васильевич

Формирование интенсивных ионных потоков в генераторе нейтронов с лазерно-плазменным источником ионов Козловский Константин Иванович

Сравнительный анализ динамики зарядового состава плазмы, производимой излучением неодимового и CO2-лазеровРудской, Игорь Васильевич

Дисперсионный интерферометр на основе CO2 лазераСоломахин Александр Леонидович