Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Приборы и методики измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы 14
1.1 Коллектор заряда . 14
1.2 Перезарядка ионов лазерной плазмы в остаточном газе 18
1.3 Электростатический энергоанализатор типа цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД) 22
1.3.1 Используемые схемы ЭЭЦД 27
1.3 2 Компьютерное моделирование временной формы масс-спектрометрического пика 31
1 3 3 Влияние изотопной структуры пиков масс-спектра на результаты измере
ния энергетических спектров ионов лазерной плазмы 48
1 3 4 Временное разрешение пиков масс-спектра 57
1 3 5 Вычисление временной формы пиков масс-спектра ионов свинца 60
1 3 6 Об ошибках в идентификации зарядового состояния ионов лазерной плазмы по времяпролетным масс-спектрам 62
Глава 2 Экспериментальные лазерные установки 67
2 1 СОг-лазер в режиме свободной генерации 67
2 2 Лазерная система "ТИР-1" (генераторно-усилительная лазерная схема) 69
Глава 3 Исследования ионной компоненты плазмы, созданной излучением СОг лазера длительностью (13 -h- 80)нс при плотности мощности на мишени (3 1010 -г 9 1013) Вт/см2 77
3 1 Схема облучения мишени и времяпролетных измерений 79
3 2 Характеристики ионной компоненты плазмы различных элементов при острой фокусировке излучения плотностью мощности q = 6 1011 — 9 1013 Вт/см2 83
3 2 1 Генерация ионов с помощью лазера в режиме свободной генерации 83
3 2 2 Высоковольтная экстракция ионов лазерной плазмы при облучении мишени лазером в режиме свободной генерации 87
3 2 3 Параметры многозарядных ионов тяжелых и легких элементов, генерируемых СОг-лазерной плазмой при облучении мишени генераторно-усилительной лазерной системой ТИР-1 91
3 3 Характеристики ионной компоненты плазмы при плотности мощности q~3 1013 Вт/см2 94
3 4 Характеристики ионной компоненты плазмы свинцовой мишени при плотности мощности q = (3 - 9) 1010 Вт/см2 98
3 5 Зависимость характеристик ионов от параметров облучения мишени Эффективность лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов 101
3 6 Результаты численного моделирования нагрева и разлета плазмы, сравнение с экспериментальными данными 112
Глава 4 Лазерно-плазменныи генератор высокозарядных ионов на основе СО2 лазера 122
Основные результаты и выводы 131
Литература 136
- Электростатический энергоанализатор типа цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД)
- Об ошибках в идентификации зарядового состояния ионов лазерной плазмы по времяпролетным масс-спектрам
- Высоковольтная экстракция ионов лазерной плазмы при облучении мишени лазером в режиме свободной генерации
- Зависимость характеристик ионов от параметров облучения мишени Эффективность лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов
Введение к работе
Диссертация посвящена исследованию ионной компоненты лазерной плазмы, создаваемой мощными импульсами С02 лазера при взаимодействии с плоскими мишенями. Особое внимание уделено изучению параметров ионных потоков и их зависимости от условий облучения мишеней. В результате работы установлены условия эффективной генерации высокоионизованных атомов из лазерной плазмы и создан источник многозарядных ионов для современных ускорителей.
1. Актуальность темы.
В последние десятилетия происходит интенсивное развитие и разработка источников многозарядных ионов. Стимулом для их создания послужили потребности ускорителей тяжелых ионов. Источник ионов является первым элементом ускорительного комплекса, который определяет конструктивные особенности, параметры, эффективность и возможности ускорителя. Генерация сильноточных пучков высокозарядных ионов является одним из перспективных направлений исследований, находящих широкое применение в науке и технике. В качестве примера применения таких пучков можно привести источник высокозарядных ионов тяжелых элементов в форинжекторах ускорителей частиц, источник кластерных ионов и молекул, источник пучков высокоионизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, создание однородных пленок для формирования тонкой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок, радиационное материаловедение, 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.
Основными параметрами источника ионов являются распределение по зарядовым состояниям производимых ионов и интенсивность извлекаемых пучков. Большинство из существующих в настоящее время типов источников многозарядных ионов основано на последовательной ионизации электронным ударом. До 70-х годов для ускорителей тяжелых ионов в основном использовался ионный источник на основе пеннинговского отражательного разряда с осциллирующими электронами (PIG). На этом типе источников был достигнут теоретический предел по зарядности и интенсивности извлекаемых пучков, который определяется ограниченной температурой, плотностью и временем жизни плазмы. Для источников PIG типичными являются следующие параметры плазмы: пе «1013 см-3, Те «20 эВ, время жизни электронов и ионов п = те «10 мск.
Первым из нового поколения источников многозарядных ионов был электронно-лучевой источник, предложенный Е.Д. Донцом в 1967г. [1]. Этот источник ионов, получивший впоследствии название EBIS (Electron Beam Ion Source), был задуман как импульсный источник высокозарядных ионов для ускорителей ионов высоких энергий. Для увеличения зарядности ионов, получаемых в EBIS-источниках, используются сильноточные пучки электронов с энергией 100-200 кэВ, а время удержания ионов достигает десятков секунд и даже минут. Главными недостатками EBIS в сравнении с другими типами источников являются потери
ионов и относительно низкая интенсивность (1010-И0и с-1) получаемых ионов .
Наиболее широко применяемым источником многозарядных ионов для ускорителей и атомной физики является источник на электронно-циклотронном резонансе (ECR- Electron-Cyclotron Resonance)[2]. К настоящему времени все крупные ускорительные центры мира оснащены такими источниками ионов. Однако, современные требования, предъявляемые со стороны ускорителей, существенно превышают возможности ECR источников. В первую очередь это относится к импульсным ускорителям заряженных частиц.
Напротив, лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов позволяет получать большое число тяжелых ионов в режиме периодических коротких импульсов, что как раз и представляет интерес для ускорителей ионов, работающих в импульсном режиме. Источник такого типа перспективен таже для исследований в области тяжелоионного термоядерного синтеза. Принципиальная идея ЛПГ высокозарядных ионов была предложена коллективом из МИФИ (Государственный университет) под руководством проф. Ю.А. Быковского тридцать лет назад [3]. ЛПГ основан на физическом явлении генерации высокоионизованных состояний атомов при воздействии мощного, сфокусированного лазерного импульса на поверхность твердотельной мишени [4]. При расширении в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы создается мощный поток заряженных частиц. К преимуществам ЛПГ по сравнению с другими типами генераторов ионных импульсов относятся:
способность генерировать ионы практически любых элементов периодической таблицы Менделеева;
способность генерировать интенсивный, короткий (1-И00 мкс) ионный импульс с рекордно высокой яркостью.
Главным отличием лазерной плазмы от других высокотемпературных плазменных объектов является высокая плотность энергии в веществе, обусловленная способностью лазеров за короткое время tl (tl <100 не) концентрировать энергию в малых объемах вещества (~10~6 см-3). Изменение мощности и длины волны нагревающего излучения позволяют регулировать температуру и плотность лазерной плазмы. При воздействии на поверхность мишени сфокусированного излучения лазера с плотностью мощности q >108 Вт/см2 образуется плазменный факел с большой температурой и плотностью. В зависимости от параметров излучения лазера электронная температура в факеле может составлять Те = Ю-2 - 1 кэВ и более, при высокой величине параметра пеп (до 1013 см~3-с), где пе - плотность электронов (1019-И021 см-3). Это позволяет получать в лазерной плазме ионы высокой зарядности.
Такие характеристики ионной компоненты лазерной плазмы как высокая зарядность и интенсивность, вид углового распределения являются исключительно благоприятными для её использования в качестве источника многозарядных ионов для ускорителей. Особенности развития лазерной техники в течение последних 20-30 лет сделали наиболее привлекательным использование в ЛПГ С02-лазеров с поперечным разрядом. Выходная энергия
лазеров данного типа может варьироваться от 1 до 100 Дж при длительностях импульса лазерного излучения 0.01-И мкс и частоте срабатывания до 10 Гц. Использование С02-лазеров для генерации многозарядных ионов вследствие их высокого технического уровня развития, относительной простоты и невысокой стоимости импульсно-периодической установки с высоким ресурсом наработки является в настоящее время наиболее перспективным. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы не вызывает сомнений. Так как объектом исследований является лазерная плазма, то представляется ясной и необходимость разработки эффективных и надежных С02 лазерных систем для генерации импульсов с широким спектром характеристик.
Цели и задачи исследования.
Объектом исследования в диссертации являлись ионная компонента С02 лазерной плазмы и решение проблемы высокоэффективной генерации пучков многозарядных ионов. К моменту начала работы имеющиеся в литературе сведения не давали ответа на целый ряд существенных вопросов , а именно:
каковы требуемые длительности импульса и условия облучения мишени, необходимые для эффективной генерации ионов заданного типа;
какие плотности мощности С02-лазера необходимы для генерации пучков ионов заданного элемента с определенной кратностью ионизации, длительностью, эмиттан-сом;
необходимая энергетика лазерного импульса для генерации заданного числа частиц;
принципы построения и структура лазерной системы.
В связи с этим, целью диссертационной работы являлось детальное исследование характеристик ионной компоненты плазмы, нагреваемой импульсами С02-лазера. Для реализации цели исследования было необходимо решить целый ряд задач:
создание лазерной системы для генерации мощного импульса С02 лазера с высоким пространственно-временным качеством излучения;
разработка и внедрение в диагностический комплекс существующей в ТРИНИТИ лазерной установки ТИР-1 времяпролетной корпускулярной диагностики для измерения параметров ионной компоненты лазерной плазмы с высоким масс-спектральным разрешением;
анализ и выяснение условий, при которых измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы с помощью времяпролетной корпускулярной диагностики являются корректными;
измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров ионной компоненты плазмы, создаваемой при воздействии импульсов С02 лазера на мишени из различных элементов;
определение зависимости характеристик ионной компоненты плазмы от параметров импульса С02 лазера и определение оптимальных условий облучения для генерации требуемого потока ионов заданной кратности ионизации;
разработка и испытание в условиях реального ускорителя заряженных частиц лазерно-плазменного генератора ионов импульсно-периодического действия.
Научная новизна представленных исследований.
Научные обобщения и выводы, сделанные автором, состоят в следующием:
Впервые получено сокращение длительности импульса С02 лазера до ~10 не при его распространении в резонансных средах нелинейного поглотителя и усилителя, экспериментально установлены условия, обеспечивающие эффективную компрессию импульса и увеличение его интенсивности на выходе трехпроходового телескопического усилителя.
Создана программа компьютерного моделирования временной формы пиков масс-спектра, позволяющая проводить численный анализ временной формы пиков время-пролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, экспериментально регистрируемых детектором энергоанализатора.
Впервые посредством масс-спектометрии для ионов алюминия A\z+ (z <8-И1) определены зависимости длительности генерации Атдеп от энергии ионов для лазерного импульса тр «15 не и плотности мощности на мишени q <(3-=-5)-1013 Вт/см2. Показано, что для энергий ионов 2< Еі/z <10 кэВ длительность генерации Атдеп сравнима с длительностью лазерного импульса. В случае 10< Ei/z <40 кэВ Атдеп не превышает 5 не.
Получены подробные экспериментальные данные о характеристиках ионной компоненты плазмы тяжелых элементов (на примере свинца): потоках частиц в заданный телесный угол, их зарядовом составе, энергетических спектрах разлета. Данные обобщены для плотностей мощности С02 лазера на мишени в интервале q=3-1010ч-9-1013 Вт/см2 для импульсов излучения различной формы и длительности, а также для разных диаметров пятна фокусировки.
Научная и практическая значимость работы.
Разработан новый поход к формированию лазерных импульсов в нелинейных средах усилителя и поглотителя (SF6), который позволяет стабильно генерировать импульсы С02 излучения высокой пиковой мощности в импульсно-периодическом режиме.
Результаты исследований по созданию С02 лазерных импульсов могут быть использованы для проектирования мощных лазерных систем, генерирующих импульсы переменной длительности с высоким качеством выходного излучения.
Предложен новый подход к оценке влияния перезарядки ионов лазерной плазмы в остаточном газе на спектр их зарядностей, позволяющий сформулировать требования для корректного проведения времяпролетных корпускулярных измерений.
Созданный электростический энергоанализатор может в дальнейшем быть использован в экспериментах по диагностике ионных потоков лазерной плазмы, формируемых импульсами излучения с интенсивностью 10l0
Получены данные о кратности ионизации, плотности тока ионов и их энергетических распределениях для мишеней из различных элементов и различных импульсов лазерного излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой С02 лазером.
Создан и испытан лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импу-льсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2.3-10м частиц/стерад для РЬ25+ и 7.8-Ю15 частиц/стерад для А111+.
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались на:
XXII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993;
6-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 1993;
XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996;
6-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995;
7-я Международная конференция по ионным источникам, Тормина, 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;
XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000;
Международная конференция: IV Харитоновские тематические научные чтения, Сэров, 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;
10-я Международная конференция по ионным источникам, Дубна, 2003;
ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорению частиц, Люцерна, Швейцария, 2004.
* Предполагается использование анализатора на экспериментальных установках в ФИАН и ИТЭФ.
Положения, выносимые на защиту.
Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до ~12 не при его энергии до 100 Дж. Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с SF6 и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы С02 лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц.
На основе компьютерного траєкторного анализа движения пучка частиц в поле прибора проведена оптимизация конструкции электростатического энергоанализатора типа цилиндрического дефлектора. Энергоанализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы. Анализатор обеспечил измерение зарядовых, энергетических и массовых спектров заряженных частиц в диапазоне энергий ионов 0.3< ^/ <100 кэВ. Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра. Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, регистрируемых детектором энергоанализатора.
Установлено, что при облучении мишеней импульсами С02 лазера длительностью 15 не при плотности мощности q=3-1013 Вт/см2 в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов, отличающиеся средними кратностями ионизации (низкозарядная и высокозарядная), распределением скоростей и угловыми характеристиками разлета. Наблюдается также отклонение максимума в угловом распределении ионов низкой зарядности от направления нормали к поверхности мишени.
Проведены эксперименты по генерации высокозарядных ионов для различных условий облучения плоских мишеней: разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и многомодовый импульс свободной генерации); диаметр пятен фокусировки 65 и 135 мкм; плотность мощности на мишени q=3-1010ч-9-1013 Вт/см2. Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (z < 33) легких и тяжелых элементов (Mg, F, Са, AI, Ті и РЬ), генерируемых С02 лазерной плазмой. Получены зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета при плотности мощности на мишени floq~9-1013 Вт/см2.
При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами С02 лазера длительностью 15 не и плотностью мощности q<1014 Вт/см2 получена избирательность по кратности ионизации 50% для легких (А111+) и 15% для тяжелых элементов (РЬ25+).
Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2.3-1014 частиц/стерад для
Pb25+ и 7.8-1015 частиц/стерад для А111+ при долговременной работе ЛПГ. ЛПГ ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы "ТВН ИТЭФ".
Публикации.
По результатам диссертации опубликовано более 30 научных работ, основные из которых приведены в конце реферата.
Электростатический энергоанализатор типа цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД)
Разработан новый поход к формированию лазерных импульсов в нелинейных средах усилителя и поглотителя (SF(j), который позволяет стабильно генерировать импульсы СОг излучения высокой пиковой мощности в импульсно-периодическом режиме
Результаты исследований по созданию С02 лазерных импульсов могут быть использованы для проектирования мощных лазерных систем, генерирующих импульсы переменной длительности с высоким качеством выходного излучения
Предложен новый подход к оценке влияния перезарядки ионов лазерной плазмы в остаточном газе на спектр их зарядностей, позволяющий сформулировать требования для корректного проведения времяпролетных корпускулярных измерений 4 Созданный электростическии энергоанализатор может в дальнейшем быть использован в экспериментах по диагностике ионных потоков лазерной плазмы, формируемых импульсами излучения с интенсивностью 1010 q 1017 Вт/см2 Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять идентификацию и обработку пиков масс-спектра, регистрируемых энергоанализатором, с высокой степенью автоматизации 5 Получены данные о кратности ионизации, плотности тока ионов и их энергетических распределениях для мишеней из различных элементов и различных импульсов излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой СОг лазером 6 Создан и испытан лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2 3 1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7 8 1015 частиц/стерад для А111+ Положения, выносимые на защиту 1 Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до 12 не при его энергии до 100 Дж Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с SFo и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы СОг лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц 2 На основе компьютерного траєкторного анализа движения пучка частиц в поле прибора проведена оптимизация конструкции электростатического энергоанализатора типа цилиндрического дефлектора Энергоанализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы Анализатор обеспечил измерение зарядовых, энергетических и массовых спектров заряженных частиц в диапазоне энергий ионов 0 3 /z 100 кэВ Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, регистрируемых детектором энергоанализатора 3 Установлено, что при облучении мишеней импульсами С02 лазера длительностью 15 не при плотности мощности q = 3 1013 Вт/см2 в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов, отличающиеся средними кратностями ионизации (низкозарядная и высокозарядная), распределением скоростей и угловыми характеристиками разлета Наблюдается также отклонение максимума в угловом распределении ионов низкой заряд-ности от направления нормали к поверхности мишени 4 Проведены эксперименты по генерации высокозарядных ионов для различных условий облучения плоских мишеней разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и многомодовый импульс свободной генерации), диаметр пятен фокусировки 65 и 135 мкм, плотность мощности на мишени q = 3 101П —9 1013 Вт/см2 Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (z 33) легких и тяжелых элементов (Mg, F, Са, А1, Ті и РЬ), генерируемых СОг лазерной плазмой Получены зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета при плотности мощности на мишени до q 9 1013 Вт/см2 5 При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами СОг лазера длительностью 15 не и плотностью мощности q 1014 Вт/см2 получена избирательность по кратности ионизации 50% для легких (А111+) и 15% для тяжелых элементов (РЬ25+) 6 Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2 3 1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7 8 1015 частиц/стерад для А111+ при долговременной работе ЛПГ ЛПГ ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы "ТВН ИТЭФ"
Основные результаты работы опубликованы в 20 статьях в журналах «ЖЭТФ», «Квантовая электроника», «Физика плазмы», «Письма ЖТФ», «Journal Russian Laser Research», «Laser and Particle Beams», «Plasma Physics and Controlled Fusion», «Proceedings of SPIE», «Review Scientific Instruments», 8 препринтах ИАЭ и ТРИНИТИ и докладывались на международных конференциях XXII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993, 6-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 1993, 6-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995, XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996, 18-я Международная конференция по линейным ускорителям, LINAC-96, Женева, Швейцария, 1996, 7-я Международная конференция по ионным источникам, Тормина, Италия, 1997, XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000, 9-я Международная конференция по ионным источникам, Оклэнд, Калифорния, США, 2001, Международная конференция IV Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 2002, XXVII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 2002, ЕРАС-2002 Европейская конференция по ускорителям частиц, Париж, 2002, XXX Звенигородская Конференция по физике плазмы и У ТС, Звенигород, 2003, X Международная конференция по ионным источникам, Дубна, 2003, ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорителям 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 вклад диссертанта состоял в постановке задачи и в сравнении результатов расчета с экспериментом, а также в проведении отдельных расчетов с использованием авторских программ
Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Объем работы составляет 146 страницу, включая 132 рисунка Список цитируемой литературы содержит 160 наименования, включая 28 авторских публикаций Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность и новизна, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации диссертационного материала и о степени личного участия автора в работе Описана структура диссертации и ее содержание
В первой главе описаны приборы и методики, используемые в диссертации, для экспериментальных исследований Подробно рассмотрены вопросы корректного применения данных приборов для измерения ионных потоков лазерной плазмы
Об ошибках в идентификации зарядового состояния ионов лазерной плазмы по времяпролетным масс-спектрам
При использовании ЭЭЦД регистрируемый масс-спектр представляет собой временной сигнал, состоящий из пиков, временное положение которых зависит от соотношения \/m/z, где т, z-масса и заряд иона То есть дисперсия анализатора по энергии обеспечивает идентификацию заряда ионов z и энергии Ег по времени их пролета, и это время является сканируемым параметром при регистрации масс-спектра анализатором Параметры пика (z, Ег) совместно с амплитудами импульсов масс-спектра используются для поточечной реконструкции энергетических спектров ионов различных типов и зарядностей, образующихся в лазерной плазме При измерении энергетических спектров ионов лазерной плазмы целью является идентификация параметров пиков времяпролетного масс-спектра и измерение их амплитуд
При изменении энергии настройки Е0 энергоанализатора не происходит дефокусировки моноэнергетического пучка частиц с энергией Ег {{Ег — Е0)/Е0 1) Изображение, созданное ионами с энергией Ег, сдвигается в пространстве (плоскость выходной щели) без изменения его ширины Для времяпролетного метода измерения масс-спектра при Е0 — const изображение входной щели, соответствующее ионам с энергией Ег, движется вдоль плоскости выходной щели и только поток ионов с энергией Ег б [Е0 - fa, Е0 + /2] пройдет через выходную щель полностью или частично Таким образом для данного экспериментального метода обеспечивается измерение потока заряженных частиц с постояным разрешением по энергии АЕ/Е 1 Действительно, из уравнения (1 3 9) следует, что условие АЕ/Е = ь/БЕ = шіьЬ требует, чтобы размер изображения s входной щели анализатора в плоскости выходной щели был одинаков для всех типов ионов Другими словами часть входящего в анализатор ионного потока, которая пройдет через выходную щель анализатора, одинакова для всех типов ионов
По каким причинам изложенный выше метод измерения перестает быть корректным Таковыми могут быть причины, связанные как с анализатором так и детектором прибора В случае анализатора это причины, приводящие к различному для разных типов ионов увеличению размера изображения входной щели в плоскости выходной щели из-за неполного разрыва лазерной плазмы на входной щели анализатора, а также эффекта пространственного заряда потока ионов внутри анализатора [30,31,33,34,60-67] Для детектора таковыми является нелинейность его отклика на входной токовый импульс ионов, связанная с насыщением усиления, которое и приводит к искажению формы регистрируемых пиков масс-спектра
Далее в этой главе помимо конструкций ЭЭЦД подробно рассмотрены вопросы формированию временной формы пиков масс-спектра и нелинейности отклика детектора анализатора Проведен анализ возможных ошибок в идентификации зарядового состава ионов лазерной плазмы и , следовательно, в измерении энергетических распределений ионов определенной зарядно-сти /г(Єг) Щ и использовании ЭЭЦД С целью более детального анализа временной формы пиков масс-спектра создана программа ее расчета, которая использует результаты траєкторного анализа движения ионов в реальном электростатическом поле анализатора Программа позволяет также рассчитывать ионно-оптические характеристики прибора без учета влияния пространственного заряда ионов 90 ЭЭЦД (модификация ионно-оптической схемы)
Во многих публикациях, посвященных исследованию ионной компоненты лазерной плазмы с использованием ЭЭЦД, основные элементы анализатора повторяют конструкцию предложенную в работе [51,52](смрис 1 11) r0 = 100 мм, tpa = 90 [23,29,42,43,53] В начальных экспериментах по исследованию зарядового состава и энергетических спектров ионов лазерной плазмы [29,44,48-50] на С02-лазерной установке ТИР-1 использовался 90 ЭЭЦД, параметры и конструкция которого представлены на рис 1 12а В дальнейшем конструкция 90 анализатора была модифицирована
Причиной тому явилось конструктивное решение для заземленных входной и выходной щелевых диафрагм (экранов) D\, D2 (см. рис 1 12а), ограничивающих краевые поля конденсатора При ортогональном входе и выходе пучка из анализатора из-за краевого поля возникают силы, под действием которых ионы начинают отклоняться до того, как они попадут в межэлектродный зазор прибора, что приводит к изменению угла входа ионных лучей в анализатор и увеличению эффективного угла отклонения ионов Краевые поля уменьшают фокусное расстояние анализато- Рисунок взят из статьи [51] , что приводит к необходимости увеличения эффективного угла сектора реального анализатора по сравнению с идеальным. Кроме того, краевые поля электростатических анализаторов вызывают абберации второго порядка [21]. Для коррекции отклонения пучка в краевом поле широко применяется метод Герцога [54], который заключается в использовании экранов, уменыпаюущих протяженность краевого поля, и уменьшении угла сектора электродов анализатора до величины где q- угол между краями электродов анализатора и входным и выходным заземленными экранами. Суть коррекции Герцога состоит в обеспечении условий фокусировки первого порядка для электростатического электроанализатора с учетом краевых полей прибора. В конструкции использованного 90 ЭЭЦД (см. рис. 1.12а) положение пластин Герцога не является оптимальным: окна, расположеные на расстоянии Ln 2d от электродов анализатора, не выполняют роль уменьшения протяженности краевого поля анализатора, а лишь вносят дополнительные аберрации в изображение входной щели прибора
Следующей причиной для изменения конструкции 90 ЭЭЦД были соображения о возможном неполном разрыве плазмы на входной щели прибора В работе [47] экспериментально показано, что разрыв лазерной плазмы осуществляется на заземленной щели шириной S при выполнении условия 5 2 где 2г ;-дебаевский радиус плазмы В экспериментах на установке ТИР-1 при / 1014 Вт/см2 средняя асимтотическая скорость высокозарядной группы ионов для различных типов мишени достигает величины vtas (3—5) 107 см/с Из расчетов по двумерному моделированию гидродинамики разлета СОг-лазерной плазмы, выполненных с использованием кода GIDRA 2D [55,56] для различных мишеней, до расстояния L =3 м от мишени, что соответствует положению входной щели анализатора, радиус Дебая и тепловая скорость электронов равны г І 50 мкм и vf (1 -г 3) Ю7 см/с (пе « 109 см"3, Те 0 1 -f- 0 5 эВ)
Для того, чтобы в элементарном объеме плазмы ДУ, движущимся со скоростью «га , в области щели произошел разрыв плазмы, необходимо выполнение условия v%as vf1 При Viab Veh на входной щели происходит лишь частичное разделения ионной и электронной компонент Полное разделение происходит в электрическое поле анализатора При неполном разрыве плазмы с точки зрения анализатора, как оптического прибора, источником ионов является не плоскость входной щели rtb а некоторый объем , который находится в области диафрагмы D\ и зазоре между диафрагмой и электродами анализатора (см рис 1 12а), где произоисходит окончательное разделение ионной и электронной компонент Это должно приводить к дополнительным аберрациям и потере разрешения масс-спектра
Высоковольтная экстракция ионов лазерной плазмы при облучении мишени лазером в режиме свободной генерации
При используемом поточечном методе измерения энергетических распределений ионов лазерной плазмы ширина входной и выходной щелей ( а значит и разрешение по энергии) постоянны. Длительность импульса тока, созданный ионом элемента с зарядом z на входе в детектор, зависит от зарядности иона и энергии настройки анализатора /S,tz = Aiz=1/x/z, где Atz=i 1/V-Bz=i - длительность импульса тока для z \, Ez=\ = E;Jz- энергия настройки. На рис. 1.49,Ь представлены два пика, относящиеся к одному масс-спектру, соответствующие разным зарядностям ионов свинца z = 1,2. Отсутствие насыщения сигнала для z = 2 по сравнению с пиком однозарядного иона свинца можно обяснить, в частности, и уменьшением длительности токового импульса на входе детектора (Atz=2 = А 2=і/\ 2)- На рис. 1.49,а приведены пики масс-спектра ионов свинца с z = 1, полученные при разных энергиях настройки. Насыщение сигнала при меньшей энергии настройки можно также объяснить большей длительностью токового импульса на входе детектора. Хотя в обоих случаях (рис. 1.48,1.49 ) дополнительным фактором может быть превышение тока ионов 2осРЬ1+ на входе детектора некоторой критической величины.
На рис. 1.50 не совсем обычным образом приведены масс-спектры ионов свинца, полученные при различных энергиях настройки анализатора. Пики масс-спектра представлены в шкале времени г,,/г, где tet, = 0 соответствует моменту максимума сигнала 20sPbz+ для каждой где tfy - время пролета ионами дистанции мишень-детектор, г у - момент, соответствующий максимуму сигнала изотопа с максимальным процентным содержанием Так, например, при энергии настройки Ejz = 2 2 кэв максимумы пиков масс-спектра Pb2+, z = 1 — 7 не совпадают с положением пика 208РЬг+( л — 0) Положение максимума как сигналов 2о«РЬг+ так и пиков других изотопов, указанные на рис 1.50, в подобном случае определялись расчетным путем по формулам (1 3 49)-(1 3 51) с использованием времен пролета для ионов свинца тех зарядно-стей масс-спектра, для которых соотношение амплитуд пиков изотопов сигнала РЬ2+ близко к табличным [77], а также времен пролета примесных ионов (Н, С, О), если это было нужно
Из приведенных на рис 1 50а,б,с масс-спектров, зарегистрированных в серии последовательных лазерных выстрелов с изменением энергии настройки анализатора, видно, что для более 50% пиков произошло насыщение сигнала детектора в основном пиком изотопа гобРЬг+ Основной информацией при применении времяпролетного анализатора являются амплитуды пиков масс-спектра В случае свинца логично полагать, что этим пиком должен быть пик изотопа 208РЬг+ В этом случае из данных, показанных на рис 1 50 следует, что по крайней мере при энергии настройки Ejz 3 кэВ амплитуды пиков масс-спектра не могут быть измерены корректно, использование амплитуды сигнала без учета насыщения детектора ВЭУ-26 приведет к значительной ошибке в измерении энергитических спектров ионов свинца для зарядностей z 5 — 6 в сторону занижения реальной величин амплитуды пика.
Использование времен пролета для идентификации зарядовых состояний ионов, соответствующих максимуму сигнала РЬ2+, без учета изотопной структуры пика масс-спектра и насыщения сигнала может привести к ошибке в определении величины заряда иона для соответствующего пика масс-спетра Например, как видно из рис 1 50, времена пролета, соответствующие максимуму сигнала ионов РЬ2+ с зарядом z = 1 — 3, меньше на 200 — 400 не чем времена пролета для изотопа 208?Ьг+ Если использовать времена, соответствующие максимуму сигнала ионов РЬг+, для расчета положения максимумов сигналов высокозарядных ионов ( скажем z 15), то возможен вариант завышения зарядности, соответствующей этим пикам масс-спектра, из-за "неправильного" положения используемых максимумов реперных пиков, связанного с насыщением сигнала детектора
Настраивая параметры анализатора (ширину щелей, усиление детектора) для регистрации ионов с максимальной зарядностью, нельзя избежать ситуации, когда поток частиц лазерной плазмы меньшей зарядности настолько велик, что вызывает насыщение детектора из-за конечности диапазона линейности усиления детектора (ВЭУ, КЭУ, МКП) Это обстоятельство приводит к существенным ошибкам в измерении энергетических спектров ионов лазерной плазмы из-за насыщения усиления детектора Отсюда следует вывод о небходимости использования детектора с максимально возможной величиной пиковой тока В нашем случае вместо ВЭУ-26 лучшим вариантом является применение ВЭУ типа 143ЕМ, у которого величина предельного пикового тока больше в 25 раз {ImaI 100 мА) [78] Даже в этом случае нельзя быть уверенным в отсутствии проблем с насыщением детектора, потому что энергетический спектр ионов лазерной плазмы достаточно широк, и при плотности мощности лазерного излучения Р (5 - 10) 1012 Вт/см2 плотность потока ионов низкой зарядности z 5 — 6, как правило, достаточна велика для насыщения детектора при выбранном разрешении анализатора и усилении детектора, которое обеспечивает регистрацию высокозарядных ионов с z 10
На первый взгляд некоторые пики РЬ2+ масс-спектра на рис 1 50 имеют изотопную структуру с процентным соотношением амплитуд сигналов изотопов близким к табличным [77] (см рис 1 41), например, пик РЬ8+ при Et/z = 22 кэВ На самом деле это не так Из рис 151, где показан фрагмент масс-спектра высокозарядных ионов свинца, видно, что хотя у всех пиков РЬг+ отсутствует насыщение, но "правильное" процентное соотношение амплитуд сигналов изотопа пика наблюдается только для z =12 и 13 у остальных пиков амплитуды таковы, что итлрЬ2+ Umapbz+ Такие "флуктуации" формы пика РЬг+ при их регистрации с постоянной энергией настройки являются обычной ситуацией Более подробный анализ амплитуд сигналов изотопов пика РЬг+ показывает, что соотношение амплитуд этих сигналов, как правило, значительно отклоняется от табличных [77] Для двух примеров, приведенных на рис 1 52, соотношения амплитуд сигналов изотопов пиков РЬг+ определены таким образом, что амплитуде сигналов 208РЬ2+ предписано, согласно табличным данным, процентное содержание 52 4%
Зависимость характеристик ионов от параметров облучения мишени Эффективность лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов
Для получения импульсов длительностью в диапазоне 15 4- 80 не применялись два последних метода [79-81] Основным физическим фактором, определяющим длительность и форму выходного импульса при формировании временных характеристик лазерного импульса в резонансно-усиливающих, поглощающих и комбинированных средах, является форма переднего фронта усиливаемого импульса [82,83] Задающий генератор в режиме свободной генерации излучает импульс с экспоненциальным законом нарастания интенсивности Нелинейный характер усиления в таких случаях приводит лишь к "перемещению" максимума импульса вперед по времени [83] без изменения закона нарастания и длительности импульса Для достижения компресии длительности импульса при усилении применялся режим насыщения нелинейного поглотителя (ячейки с SF6 +воздух) на фронте импульса ЗГ и сильно насыщенный режим усиления [79-81] Это позволило избежать значительных потерь в поглощающих фильтрах с одновременным укорочением импульса в усилителе при повышении энергосъема.
Лазерная система (см рис 2 6) состоит из одномодового одночастотного задающего генератора ЗГ (1), собранного по гибридной схеме [84], усилителя мощности УМ (14) в трехпро-ходовой конфигурации с использованием неосевого кассегреновского телескопа (12,13), ячеек с насыщающимся поглотителем ПЛ1 (2) и ПЯ2 (И) с SFg в смеси с воздухом, дифракционной решетки (3) и пространственного фильтра (4,5,6) Задающий генератор включает в себя два модуля с активными средами СОг N2 Не, возбуждаемыми самостоятельным разрядом при давлениях 1 атм и 2-4 мм ртст и длинами разряда 48 см и 45 см соответственно Неселективный резонатор генератора длиной 185 см образован сферическим медным зеркалом (R — -6 м) и выходным Ge или ZnSe зркалом Гибридная схема СОг генератора работала на основной поперечной и единственной продольной моде Вблизи плоского зеркала помещалась внутрирезонаторная диафрагма диаметром d=8 мм На рис 2 5 представлены осциллограммы импульсов ЗГ, полученные при различной добротности резонатора (смесь C02/N2/He=4/l/5) Кроме различных длительностей на полувысоте, обозначенных на рис 2 5, импульсы имели различные законы нарастания переднего фронта С увеличением добротности резонатора крутизна фронта нарастала, так что для более добротного резонатора (R = 36%, выходное Ge зеркало с одной просветленной гранью) фронт импульса имел экспоненциальное временя нарастания т/„ 7 — 9 не, а для низкодобротного (R = 17%, выходное ZnSe зеркало с одной просветленной гранью) туо 11 -f 13 не Это обстоятельство имеет важное значение для компрессии импульса в последующей формирующей схеме усиления минимальная длительность получена для при добротности резонатора R = 36% ( Ge выходное зеркало) Полные энергии импульсов составляли 150 и 250 мДж соответственно Оптическая развязка задающего генератора от линейки усилителей в виде насыщающегося фильтра ПЯ1 (2) необходима для обеспечения генерации импульса на одной продольной моде при отсутствии такого фильтра шумы усилителя, включающегося с опережением TEA ЗГ модуля, подавляют шумы, создаваемые трубкой низкого давления резонатора ЗГ, и, как правило, "сбивают"одночастотную генерацию (см рис 2 10)
Усилитель мощности собран на основе модуля с электрическим разрядом, контролируемым электронным пучком (см рис 2 1) Модуль обеспечивает коэффициент усиления слабого сигнала на уровне 4 2 % см 1 в объеме активной среды усилителя 15 х 15 х 100 см3 Оптическая схема трехпроходового усиления была образована с помощью плоских зеркал (7-10), обеспечивающих первый проход усилителя, и неосевого конфокального зеркального объектива с увеличением М\ = б 6 при диаметре большого зеркала 150мм Пространственный фильтр, состоящий из конфокальных фокусирующих зеркал (4,5) и диафрагмы (6) диаметром 1 2 мм, обеспечивает формирование лазерного пучка, близкого к гауссовскому, и согласование диаметра пучка после поглощающей ячейки с размером, оптимальным для первого прохода усилителя В данной схеме использовалась пара сферических зеркал с увеличением М2 = 2 Дифракционная решетка З (100 штр/мм) обеспечивает оптическую связь задающего генератора с усилительной линейкой на рабочей линии Р(20) 10 мкм полосы усиления Поглощающие ячейки со смесью SF6 и воздуха играют роль нелинейных насыщающихся фильтров на линии Р(20) и используются для формирования временного формы усиливаемого импульса Дополнительное назначение ячеек состоит в предотвращении паразитной генерации усилительной линейки на рабочей длине волны и поглощении повторного импульса [79,80] Настройка давления и состава смеси в ячейках позволяет генерировать импульсы варьируемой в интервале 12-40 не длительности (рис 2 7) Для измерения временной формы излучения использовались датчики на основе увлечения фотонов (photon-drag detector) с временным разрешением 0 7 не Сигналы детекторов регистрировались на цифровом двухканальном осциллографе Lecroy 9450 с полосой усиления 350 МГц и шагом оцифровки 2 5 не Энергия импульсов измерялась стандартными калориметрическими детекторами Коэффициент усиления слабого сигнала (да) в усилительном модуле поддерживался на уровне 0 04 см-1 во всех описанных экспериментах
Формирование временных и энергетических параметров лазерного импульса происходит согласованно в резонансных средах поглотителя и усилителя [79-81 ] І Іараметрьі результирующего импульса зависят от многих факторов, которыми помимо нелинейных свойств сред, являются геометрические размеры лазерного пучка (диаметр пучка на первом проходе усилителя, начальный и конечный диаметр второго прохода, увеличение телескопа и тп) при заданных энергии и форме задающего импульса и длине усиления Серия измерений с ячейками различной длины позволила эмпирически определить оптимальные значения параметров поглотителя, согласованные с длиной усилителя В частности, длины ячеек ПЯ1 и ПЯ2 определены как 68 и 45 см, соответственно
Настройка схемы в [79-81] проводились с использованием резонатора ЗГ с выходным Ge зеркалом (R = 36%), временная форма импульса генерации которого показана на рис 2 5а и 2 7, кривая 1 Длины ячеек (68 см для ПЯ1 и 45 см для ПЯ2) были фиксированы, как оптимальные по характеристикам пропускания импульса Условия в усилителе (до 4% см-1) и параметры оптической схемы также сохранялись неизменными Оптимизация параметров ячеек ПЯ1 и ПЯ2 (давления рабочего и буферного газов) проводилась последовательно
Регистрировались выходные временные характеристики усиленного импульса в зависимости от параметров ячейки ПЯ1 В результате измерений установено, что имеется оптимальная комбинация парциального давления SFg и буферного газа, при которой достигается максимальное укорочение выходного импульса по отношению к входному При этом снижение выходной энергии по сравнению с системой без поглощающих ячеек невелико - менее 10%, а мощность импульса максимальна
