Сравнительный анализ динамики зарядового состава плазмы, производимой излучением неодимового и CO2-лазеров тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

N б ОД

3 0 лег 1993

МОСКОВСКОЕ ФИЗИЧЕСКОЕ ОБЩЕСТВО

на правах рукописи

Рудской Игорь Васильевич

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ДИНАМИКИ ЗАРЯДОВОГО СОСТАВА ПЛАЗМЫ, ПРОИЗВОДИМОЙ ИЗЛУЧЕНИЕМ НЕОДИМОВОГО И СО -ЛАЗЕРОВ

01.04.08 - Физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-катемати-ческих наук

МОСКВА - 1993

УДК 533.9

Работа выполнена в Институте Теоретической и Экспериментальной Физики, г. Москва.

Научный руководитель - кандидат фнзико-катекатических наук

Латышев C.B.

Официальные оппоненты:

Быченксв В. Ю. - Доктор Физико-математических наук (ФИРАН) Сасоров П.В. - Кандидат физико-математических наук (ИТЭФ) Ведущая организация - ТРИНИТИ, г. Троицк

Защита диссертации состоится С^'^^^Л 1Эд 3 г в

час. мин. на заседании Специализированного Совета

д. 169.04.01 по адресу: {<7 324' Лоскёй., Лги.¿¿¿с с к им. ь(?-г 5"3, /Зг - 66-5/

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФИРАН Автореферат разослан

Просим принять участие в работе Совета или прислать отзыв в одной экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь Специализированного Совета

В. Т. Тихончук

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лазерная плазма, то есть плазма, образованная при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом, находит все более широкое применение в качестве интенсивного источника многозарядных тяжелых ионов в различных областях науки и техники: ядерной физике, спектроскопии многозарядных ионов, физике ион-ионных столкновений, радиационном металловедении и ряде других приложений. Объясняется это возможностью получения из лазерной плазмы ионов любых элементов более высоких зарядностей и с более высокой интенсивностью по сравнению с другими известными источниками ионов, что позволяет расширить как возможности существующих ускорительных комплексов, так и круг задач, решаемых с помощью многозарядных ионов.

Основная проблема, возникающая при разработке лазерного источника ионов, - это выбор параметров лазера и режима облучения мишени (то есть длины волны излучения, энергии и длительности лазерного импульса, диаметра пятна фокусировки излучения), необходимых для получения требуемой кратности ионизации и интенсивности пучка многозарядных ионов на выходе источника. Поскольку разрыв квазинейтрального сгустка плазмы и формирование ионного пучка с заданными параметрами возможны на сравнительно больших расстояниях от мишени ( в большинстве случаев превышающие 1м), а состав плазмы может сильно изменяться под действием рекомбинационных процессов в ходе ее свободного разлета в вакуум, то для решения поставленной задачи требуется исследовать и стадию нагрева плазмы лазерным излучением и стадию ее разлета до разрывающих электродов.

Цель работы:

- провести теоретический анализ формирования зарядово] состава плазмы, создаваемой лазерным излучением, в процессе ( нагрева и последующего разлета в вакуум при различных длине волн лазерного излучения и различных режимах нагрева мишени;

- создать численный код, позволяющий рассчитывать парамет лазерной плазмы на различных расстояниях от мишени;

- высказать практические рекомендации для повышения кратное! ионизации и увеличения интенсивности многозарядных ионо! получаемых из лазерной плазмы.

Научная новизна. В диссертации впервые проведб сравнительный анализ динамики зарядового состава плазмь образованной лазерным излучением с длиной волны 1,06 мкм 10, 6 мкм, на стадии ее нагрева и последующего разлета в ваку}

Показано, что подогрев электронной компоненты плазмы пр тройной рекомбинации через высоковозбужденные состояш оказывает сильное влияние на зарядовый состав разлетающейс лазерной плазмы на больших расстояниях от мишени. Предложен новое выражение для величины рекомбинационного подогрева проведен теоретический анализ пространственной зависимое! рекомбинационных потерь от начальной температуры, длины волнь длительности импульса и диаметра пятна фокусировки лазерног излучения.

Впервые проведено теоретическое исследование возможност подавления тройной рекомбинации через возбужденные состояни путем столкновения двух плазменных сгустков.

Проведен теоретический анализ воздействия диафрагм помещаемых на пути разлета плазменного сгустка, на динамик рекомбинационных процессов в плазме.

о

Практическая ценность работы. Результатом исследований стало создание физической модели формирования зарядового состава лазерной плазмы, производимой длинноимпульсным излучением как неодимового, так и СС>2 лазеров, в процессе ее нагрева и последующего разлета в вакуум, реализованное в численном коде "FLY". Это позволило изучить влияние параметров греющего излучения на зарядовый состав и температуру лазерной плазмы, высказать ряд рекомендаций для увеличения выхода высокозарядных ионов из лазерной плазмы, а также исследовать возможность подавления рекомбинации в ходе разлета плазмы при столкновении двух плазменных сгустков и выяснить влияние диафрагм, помещаемых на пути разлета плазмы, на ее зарядовый состав. Помимо количественного расчета параметров лазерных источников ионов при использовании той либо иной лазерной установки, разработанный код позволяет с большей достоверностью интерпретировать результаты времяпролетной масс-спектрометрической диагностики плазмы, и результаты коллекторных измерений.

Положения, выносимые на защиту.

1. На защиту выносятся новые скейлинги для температуры плазмы, производимой неодимовым и СС>2 лазерани в диапазоне плотностей потока излучения 109 - 1013 Вт/снг, свидетельствующие о том, что температура плазмы при одинаковой мощности и диаметре пятна фокусировки излучения в обоих случаях практически одинакова и определяется как плотностью потока, так и диаметром пятна фокусировки лазерного излучения.

2. Более высокая степень ионизации многозарядных тяжелых ионов в короне лазерной плазмы, производимой неодимовым

лазером, по сравнению со случаен использования СОг лазера, объясняется интенсивным протеканием диэлектронной рекомбинации в плазме, производимой С02 лазером, и сильным подавлением ее в неодимовой плазме.

3. Одним из основных факторов, определяющих величину рекомбинационных потерь и закон спадания температуры в дальней зоне разлета плазмы, является вид зависимости величины рекомбинационного подогрева при тройной рекомбинации от параметров плазмы. На защиту выносится новое выражение для величины рекомбинационного подогрева и законы спадания температуры и кратности ионизации в разлетающемся плазменном сгустке.

4. Длина волны, длительность импульса и размер пятна фокусировки лазерного излучения оказывают сильное воздействие на пространственную зависимость скорости тройной рекомбинации через высоковозбужденные состояния и величину рекомбинационных потерь при разлете плазмы в вакуум. Увеличение длительности импульса и длины волны излучения, а также уменьшение размера пятна фокусировки приводят к снижению скорости тройной рекомбинации и сдвигу положения максимума этой скорости на большие расстояния от мишени.

5. Подогрев плазмы в пересекающихся плазменных сгустках является эффективным способом подавления тройной рекомбинации и увеличения выхода высокозарядных ионов из лазерной плазмы.

6. Диафрагмы, помещаемые на пути разлета плазменного сгустка, способны привести, при определенных условиях, к снижению плотности потока низкозарядных ионов, что может быть использовано для устранения перегрузки лазерного источника ионов низкозарядными ионами.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на 4-ой Всесоюзной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой" ( Ташкент, 1985) и I . Всесоюзном сенинаре "Физика быстропротекающих плазменных процессов" ( Гродно, 1986).

Публикации. По результатам работы имеется 9 публикаций в открытой печати.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Материалы диссертации изложены на 161 странице, включая 33 рисунка, 6 таблиц и списка цитируемой литературы из 145 наименований.

Содержание работы.

В начале работы определена тема диссертации, ее актуальность, сформулированы цели работы, приводится краткое содержание диссертации по главам.

Первая глава посвящена изучению зависимости тенпературы лазерной плазмы от длины волны, плотности потока и диаметра пятна фокусировки лазерного излучения при квазистационарном режиме нагрева мишени.

В начале дается обзор существующих аналитических моделей нагрева плазмы длинноимпульсным лазерным излучением. Показывается, что скейлинги для температуры плазмы, полученные в приводимых работах, более или менее удовлетворительно описывают экспериментальные результаты для конкретной лазерной установки в небольшом диапазоне изменения параметров греющего излучения и оказываются не справедливыми в более широком диапазоне. Принимается решение о разработке собственной модели

нагрева плазмы лазерным излучением. Показывается, что доминирующим механизмом выноса энергии из области энерговыделения 1 рассматриваемом диапазоне параметров плазмы (Т Ы00 эВ ) является электронная теплопроводность. Для плазмы, производимо! коротковолновым излучением с длиной волны Л-1,06 мкм, пото! энергии, переносимый электронами за счет электронно] теплопроводности, описывается формулой Спитцера, а в случа< использования длинноволнового излучения с Л-10,бмкм реализуется кнудсеновский режим переноса энергии.

Из баланса поглощенного и выносимого потоков энерги] получаются скейпинги для температуры плазмы в облает! энерговыделения для обоих рассматриваемых случаев. Дл^ неодимового лазера температура определяется зависимостью:

( гр \гп

а для С02:

( 7р ч^э

V100 [-^гг ] [эВ].

где Р - мощность лазерного излучения в ГВт, <1 - диаметр пятн;

фокусировки в мм, Ъ - величина средней зарядности ионо]

образующейся плазмы.

При выводе предполагается, что в неодимовой плазм«

падающее излучение поглощается полностью, а в плазме,

производимой С02 лазером, коэффициент поглощения существенж

ниже единицы. Основным механизмом генерации тепловы:

электронов предполагается обратный тормозной механиз)

поглощения лазерного излучения.

Сравнение показывает хорошее согласие полученные

выражений с экспериментальными данными в широком диапазон)

2

значении параметра 2Р/с1 - от 0,2 ГВт/мм до 10 ГВт/мм и вьшн

и

для коротковолнового излучения и до 300 ГВт/мм - для длинноволнового излучения, что соответствует диапазону плотностей потока от 109 до 1013 Вт/см2.

Полученные скейлинги для температуры лазерной плазмы свидетельствуют о том, что несмотря на существенное различие в физике процессов, ответственных за формирование температуры лазерной плазмы при нагреве длинноволновым А=10,6 мкм и коротковолновым Л=1,Об мкм излучением, в обоих случаях в рассматриваемом диапазоне параметров греющего излучения температуры оказываются практически одинаковыми при равных нощностях, пятнах фокусировки греющего излучения и средней зарядности ионов плазмы.

Во второй главе дается обзор рекомбинационных и ионизационных процессов в лазерной плазме.

Показывается, что при плотностях потока лазерного излучения до 1013Вт/см2 функция распределения электронов по скоростям не должна существенно отличаться от наксвелловской и для рас^чета скоростей ионизации электронным ударом в лазерной плазме применимы широко распространенные формулы Лотца либо Ситона.

Показывается также, что основными рекомбинационными процессами в плазме на стадии ее нагрева лазерным излучением являются диэлектронная рекомбинация и фоторекомбинация. Поскольку при численном моделировании нагрева и разлета плазмы практически невозможно использовать существующие формулы для расчета скорости диэлектронной рекомбинации, предлагается следующее упрощенное выражение для суммарной по всем возможным переходам скорости диэлектронной рекомбинации, не содержащее конкретных параметров переходов рекомбинирующего

иона :

К^б 10"6т(2/Те)3/21'/гехр(-11/Т<;) [см3/с]

Здесь I - потенциал ионизации иора кратности г, Т^- электронная температура плазмы, ш - число эквивалентных электронов } внешней оболочке рекоь ,лпирующего иона. Показывается, что рас считанные с его помощью скорости рекомбинации удовлетворительь согласуются с имеющимися экспериментальными результатами.

Исследуется влияние электронной плотности на скорост диэлектронной рекомбинации в плотной плазме и выводите условие, согласно которому при плотности электронов

пе>6,5 Ю16(Еа ¿Ъу)7/2/т]'/г [см"3] о

диэлектронная рекомбинация через переход Е должна быт

о

сильно подавлена. Исходя из полученного критерия высказываете предположение, что в неодимовой плазме^при любых рассматривав мых в данной работе условияхдиэлектронная рекомбинация буде сильно подавлена, а в тяжелоионной плазме, создаваемой СО лазером, диэлектронная рекомбинация будет подавляться слабо.

Показывается, что в случае использования С0г лазер; причиной более низкого зарядового состава плазмы легких ] средних элементов, по сравнении с моделью корональноп равновесия, которое реализуется в неодиновой плазме, може: являться как диэлектронная рекомбинация, так и тот факт, чт( равновесное значение заряда ионов не успевает установиться зе время их пребывания в горячей области плазмы - результа1 воздействия обоих механизмов практически одинаков. Дл; выяснения причины снижения зарядового состава плазмы тяжельи элементов требуется достоверная интерпретация данных времяпролетной масс-спектрометрической диагностики, для чегс

необходимо более детальное исследование стадии разлета плазмы на больших расстояниях от мишени.

В третьей главе исследуется влияние тепловыделения при тройной рекомбинации на температуру и скорость рекомбинацион-ных процессов в дальней зоне разлета плазмы. Показывается, что предложенная ранее и используемая в ряде работ формула для величины энергии, возвращаемой электронной компоненте плазмы при тройной рекомбинации через высоковозбужденные состояния, дает сильно завышенные результаты из-за недостаточно корректной оценки скорости радиационного спуска рекомбинирующего электрона. Предлагается иное выражение для величины рекомбинационного подогрева, которое может быть записано следующим образом:

б при Е->Е' Е = [эрг]

7 ю"22(п /г) г/3/то , при е'<е

где е/ = (г2Яу),/3(Тв/2)2/3.

Находятся а-симптотические законы поведения температуры и средней зарядности ионов в разлетающемся плазненном сгустке при использовании предлагаемого выражения. Устанавливается, что при любых начальных условиях происходит "закалка" степени ионизации плазмы и электронная температура падает с расстоянием от нишени как г"1,/13.

Для проверки полученного выражения численно решается задача сферически симметричного разлета сгустка лазерной плазмы в вакуум прк известных начальных условиях, соответствующих концу стадии нагрева. Разлет плазмы рассматривется в многотемпературном гидродинамическом прибли-

жении с учетом электронной теплопроводности, теплообнена между электронной и ионными компонентами плазмы, потерь энергии при ионизации и подогрева при тройной рекомбинации. Процессы ионизации и рекомбинации рассматриваются в приближении среднего заряда.

Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными результатами, полученными на установке "Кальмар" при облучении полистирольных мишеней неодимовым лазером и данными, полученными при нагреве тонких газовых струй излучением СС>2 лазера. Подтверждается, что рекомбинационный подогрев оказывает сушественное влияние на формирование зарядового состава разлетающейся плазмы, и предложенное выражение для величины подогрева дает лучшее согласии с экспериментальными данными, чем используемое ранее. Сравнение полученной асимптотической зависимости спадания температуры в

разлетающемся плазменном сгустке с экспериментом также дает положительные результаты.

Проводится качественный анализ динамики среднего заряда ионов в плазме с использованием предлагаемой оценки. Показывается, что величина рекомбинационных потерь имеет хорошо выраженный максимум. Положение и величина максимума определяются начальной температурой, длительностью лазерного импульса, размером пятна фокусировки и длиной волны лазерного излучения. Увеличение температуры, длительности инпульса и длины волны лазерного излучения, а также уменьшение размера пятна фокусировки приводят к уменьшению рекомбинационных потерь и сдвигу максимума рекомбинационных потерь в дальнюю зону разлета плазмы. При характерных параметрах лазеров, используемых в лазерных источниках ионов, основные рекомби-

национные потери в плазме, создаваемой неодимовым лазером, происходят на расстоянии в несколько сантиметров от мишени, а в плазме. производимой С02 лазером. на расстоянии порядка метра от мишени.

В четвертой главе рассмотрена физико-математическая модель нагрева плазмы лазерным излучением и последующего ее разлета в вакуум. Принимаются во внимание следующие физические процессы: -поглощения лазерного излучения за счет обратного тормозного механизма,

-электронной теплопроводности с возможным ограничением теплового потока,

-теплообмена между электронной и ионными компонентами плазмы,

-ионизационных и рекомбинационных процессов в приближении среднего заряда,

-подогрева электронной компоненты плазмы при тройной рекомбинации через высоковозбужденные состояния.

Поскольку в большинстве случаев плазма лазерных источпд:с?п ионов создается при воздействии лазерного излучения на плоскую мишень, оора->сггние и разлет плазменного сгустка описываются системой одномерных гидродинамичзских уравнений с учетом бокового растекания.

Приводится описание численного кода "РЬ¥" и результаты тестирования. Показывается, что он обеспечивает хорошую точность в рассматриваемом диапазоне параметров лазерного излучения как в описании взаимодействия лазерного излучения с мишенью (путем сравнения расчетных и экспериментальных значений температуры лазерной плазмы на стадии нагрева), так и в описании механизма ускорения и рекомбинационно-ионизационных

процессов на стадии нагрева и последующего разлета плазны (путем сравнения расчетных и экспериментальных зависимостей среднего заряда ионов плазмы от их энергии на больших расстояниях от мишени).

Подтверждаются полученные в главе 1 скейлинги для температуры лазерной плазмы и высказанное в главе 2 утверждение о том, что диэлектронная рекомбинация в тяжелоионной плазме, производимой излучением СОг лазера, подавляется слабо.

В пятой главе приводятся результаты численных расчетов образования и разлета плазменного сгустка, создаваемого различными типами лазеров. Подтверждатся результаты качественного анализа рекомбинационных процессов в разлетающейся плазме, полученные в 3 главе. Показывается более интенсивное протекание рекомбинационных процессов в плазме, производимой излучением неодимового лазера, и сильное влияние длительности лазерного импульса и диаметра пятна фокусировки на динамику рекомбинационных процессов в дальней зоне разлета плазмы. В соответствии с этим предлагается ряд рекомендаций для увеличения выхода высокозарядных ионов из лазерной плазмы.

Исследуется также влияние на зарядовый состав и количество высокозарядных ионов в разлетающейся плазме ряда внешних воздействий. Показывается, что одним из возможных способов подавления тройной рекомбинации и повышения средней зарядности ионов в дальней зоне разлета может служить подогрев плазмы при столкновении с другим плазменным сгустком.

Показывается, что диафрагмирование разлетающейся плазмы приводит к ослаблению потока преимущественно низкоэнергетичных ионов. Кроме того, оно способно изменить динамику

рекомбинационных процессов и привести к снижению степени ионизации плазмы за диафрагмой. Однако при оптимальном подборе диаметра и расположения диафрагмы диафрагмирование можно использовать в лазерном источнике ионов для ослабления перегрузки низкозарядными ионами.

Основные результаты работы.

1. Получены скейлинги для электронной температуры в области с критической плотностью в плазме, создаваемой неодимовым и СС>2 лазерами при умеренных плотностях потока

9 13 2

излучения 10 - 10 Вт/см и квазистационарном режиме нагрева плоских мишеней.

2. Установлены типы ионизационного равновесия, реализующиеся в плазме при различных длинах волн лазерного излучения.

3. Показано определяющее влияние рекомбинационного подогрева на рекомбинационные процессы в разлетающемся плазменном сгустке. Получено новое выражение для величины энергии, возвращаемой электронной компоненте плазмы при тройной рекомбинации через высоковозбужденные состояния.

4. Получены ассимптотические законы снижения температуры и кратности ионизации при разлете сгустка плазмы в вакуум.

5. Обнаружено, что увеличение длины волны излучения и длительности лазерного импульса, а также уменьшение размера пятна фокусировки излучения приводят к снижению рекомбинационных потерь в процессе разлета плазменного сгустка и сдвигу максимума этих потерь на большие расстояния от мишени.

xb

6. Разработан численный код "FLY", позволяющий с хорошей точностью ра£Считывать различные параметры лазерной плазмы как на стадии ее грева, так и в процессе разлета на значительных расстояниях от мишени.

7. Обнаружено, что подогрев плазмы в пересекающихся плазменных сгустках является эффективным способом подавления тройной рекомбинации и увеличения выхода высокозарядных ионов из лазерной плазмы.

8. Установлено, что диафрагмирование потока плазмы, разлетающейся в вакуум, меняет динамику реконбинационных процессов. При определенных условиях это приводит к снижению плотности потока низкозарядных ионов, что может быть использовано для устранения перегрузки лазерного источника низкозарядными ионами.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Латышев C.B., Рудской И.В. О тенпературе плазмы при квазистационарном лазерном нагреве. - Препринт ИТЭФ-2, 1985, Н.

2. Латышев C.B., Рудской И.В. Влияние рекомбинационного подогрева на зарядовый состав разлетающейся лазерной плазмы. -Физика плазмы, 1985, т. 11, с. 1175-1180.

3. Латышев C.B., Рудской И.В. О некоторых вопросах интерпретации результатов времяпролетной масс-спетрометрии лазерной плазмы. - Препринт ИТЭФ-33, 1985, М.

4. Латышев C.B., Рудской И.В. Изменение зарядового состава лазерной плазмы при разлете в вакуум.- Тезисы 4-ой Всесоюзной конференции "Взаимодействие электромагнитных излучений с плазмой", Ташкент, 1985, с.130.

5. Голубев A.A., Латышев C.B., Рудской И.В., Шарков Б.Ю. Влияние тройной рекокбинации на зарядовый состав и температуру разлетающейся лазерной плазмы. - Письма в ЖТФ, 1986, т. 12, с. 513-516.

6. Латышев C.B., Рудской И.В. Стационарная модель нагрева плоских лазерных мишеней. - Тезисы I Всесоюзного семинара "Физика быстропротекающих плазменных процессов", Гродно, 1986, с. 19.

7. Латышев C.B., Рудской И.В. Сравнение потенциальных возможностей плазмы, создаваемой излучением лазеров с различными длинами волн.- Препринт ИТЭФ-120, 1987, М.: ЦНИИатоминформ.

8. Бобашев C.B., Латышев C.B., Рудской И.В. и др. Подавление трехчастичной рекомбинации в пересекающихся лазерно-плаз-менных сгустках. - Физика плазмы, 1987, т. 13, с. 1383 -1386.

9. Ерема Ю.Н., Латышев C.B., Петров В.В., Рудской И.В., Шумшу-ров A.B. Влияние диафрагм на разлетающуюся лазерную плазму. Препринт ИТЭФ-1Э9, 1987, М.: ЦНИИатоминформ.

Подписано к печати 13.07.93.Формат 60x90 I/I6. Офсетн.печ. Усл.-печ.л. 1.25 Тираж 100 экз. Заказ 413_

Отпечатано в ИТЭф, 117259, Москва, Б.Черемушкинская,25