Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Лачко Илья Михайлович

ДИАГНОСТИКА ИОННОГО ТОКА ГОРЯЧЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ, СФОРМИРОВАННОЙ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ: РОЛЬ ПРИМЕСНОГО СЛОЯ

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Международном Учебно-Научном Лазерном Центре и на физическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, доцент

Савельев-Трофимов Андрей Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Чевокин Виктор Константинович

доктор физико-математических наук Черныш Владимир Савельевич

Ведущая организация: Институт теплофизики экстремальных

состояний, Объединенный институт высоких температур Российской Академии Наук

Защита состоится 19 октября 2006 г. в 16— часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу:

119992, ГСП-2 Москва, Ленинские горы, МГУ, Физический факультет, Корпус Нелинейной Оптики, аудитория им. С.А.Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан: " 15 " сентября 2006 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 501.001.31 кандидат физ.-мат. наук, доцент

I. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Последние два десятилетия сопровождались бурным развитием техники построения мощных лазерных систем, способных генерировать сверхкороткие импульсы с длительностью 30-300 фс и энергией до единиц Дж. Жесткая фокусировка такого излучения позволяет достигать интенсивностей световых полей в перетяжке объектива на уровне ~1017 Вт/см2 и выше. Это обстоятельство вызвало существенный научно-исследовательский интерес к вопросу поведения вещества (и особенно вещества находящегося в конденсированном состоянии) в столь интенсивном электромагнитном поле, поскольку его напряженность становится сравнимой с внутриатомным кулоновским полем в атоме водорода 5-10® В/см).

Лазерная плазма, формируемая при взаимодействии столь интенсивного излучения с твердотельным веществом, принципиально отличается по своим характеристикам и возможным приложениям от плазмы, формируемой настолько же энергетичными (~1 Дж), однако менее интенсивными наносе-кундными импульсами, которая уже была широко исследована в 60-х-70-х годах прошлого столетия. В частности, такие уникальные характеристики фемтосекундной лазерной плазмы (ФЛП) как около-твердотельная ионная плотность, а также высокая кратность ионизации (соответствующая температуре порядка 1 кэВ), стимулировали проведение исследований в различных областях науки и техники, среди которых: физика лазерного термоядерного синтеза, инициирование реакций внутриядерных переходов, создание новых типов сверхинтенсивных импульсных источников (ионов, электронов, коротковолнового электромагнитного излучения) и т.п.

Появление уникальных энергетических характеристик ФЛП является, в свою очередь, результатом уникальных физических процессов, сопровождающих поглощение лазерной энергии веществом, которые не наблюдаются при меньших интенсивностях. Так, уже при интенсивностях на уровне 1016-1017 Вт/см2 классические (столкновительные) механизмы поглощения световой энергии, ответственные в первую очередь за формирование так называемой тепловой электронный компонент плазмы, "перестают работать". Дальнейшее поглощение лазерной энергии .осуществляется за счет дополнительных, бес-столкновительных механизмов, которые приводят к формированию так называемой горячей электронной компоненты. В целом, на их долю может приходиться до,-10% лазерной энергии уже при субрелятивистском уровне интенсивности!-При этом средняя энергия горячих электронов может на 1-2 порядка превосходить среднюю энергию тепловых.

Впоследствии на границе плазма-вакуум тепловые и горячие электроны образуют так называемое амбиполярное поле, которое приводит к ускорению тяжелой, ионной компоненты плазмы. При этом скорость, набираемая наиболее быстрыми из этих ионов, становится сравнимой с ионнозвуковой скоростью в плазме -у'зг-тум.

Несомненно, важным аспектом задачи изучения физики высокотемпературной лазерной плазмы является диагностика параметров испускаемых ею частиц. При этом все известные методы диагностики плазмы можно разделить на две группы: оптические и корпускулярные. Оптическая диагностика плазмы может включать в себя регистрацию квантов света весьма широкого спектрального диапазона, начиная от вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения и заканчивая излучением видимого спектра.

В задачи корпускулярной диагностики лазерной плазмы входят: регистрация тока ионов, электронов, нейтральных частиц плазмы, кластерных структур и пр. с возможностью определения их энергий, скоростей и масс, зарядовых состояний, абсолютных величин токов, телесных углов разлета и пр. Среди существующих и широко используемых корпускулярных методов диагностики можно выделить такие методики как: времяпролетная, масс-спектро-метрическая, масс-спектрометрический анализ предварительно перезаряженных ионов, времяпролетные измерения тока ионов, ускоренных во внешнем электростатическом поле и пр.

В связи с тем, что до последнего времени в лаборатории сверхсильных световых полей физического факультета МГУ корпускулярные методы диагностики лазерной плазмы не были развиты в должной мере (в отличие от оптических методов), одной из основных задач настоящей диссертационной работы стало создание экспериментального масс-спектрометрического комплекса на базе масс-энергоанализируюшего устройства.

Существенное влияние на процесс ускорения ионной компоненты плазмы оказывают искусственно созданные модификации структуры мишени и прежде всего, ее поверхностного слоя. К таким модификациям можно отнести: предварительное формирование рельефа поверхности мишени, использование многокомпонентных (двухслойных), а также тонкопленочных мишеней. В частности, использование двухслойных мишеней, в которых наружный тонкий слой представлен элементом с меньшим атомным номером, приводит к увеличению эффективности ускорения "легких" ионов. Напротив, "тяжелые" ионы, расположенные в нижнем слое мишени, ускоряются менее эффективно.

Весьма похожая картина наблюдается при использовании мишени, поверхность которой загрязнена углеводородными соединениями, покрыта окисным слоем либо содержит адсорбированные пары воды. В этом случае роль "легкого" внешнего слоя выполняют атомы Н, С и О. К сожалению, далеко не всегда желаемым оказывается эффективное ускорение примесных ионов с

одновременным уменьшением энерговклада в ионы основного материала мишени. Все это определило вторую из основных задач диссертационной работы: задачу изучения роли примесного слоя на параметры ионного тока формируемой лазерной плазмы. а также разработка методики очистки мишени от примесей.

Цели диссертационной работы

1. Создание экспериментальной установки для масс-спектрометрической диагностики заряженных частиц из лазерной плазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до 1017Вт/см2. Установка должна обеспечивать регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от сотен до десятков тысяч эВ при разрешающей способности по энергии не менее 10-20 и хорошей помехозащищенности от электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы;

2. Разработка и оптимизация методики импульсной лазерной очистки мишени от содержащихся на её поверхности примесного и окисного слоев. Исследование влияния параметров импульсной лазерной очистки (плотность энергии импульса, время опережения по отношению к фемтосекундному импульсу) на параметры формируемого тока из плазмы;

3. Измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров частиц из лазерной плазмы, формируемой фемтосекундным импульсом с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени, в зависимости от атомного состава поверхностного слоя мишени и параметров этого импульса (энергетический контраст).

Научная новизна работы

1. В струе ионов, вылетающих из горячей плотной плазмы, сформированной сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельной поверхности мишени, были зарегистрированы высокоэнергетические однократно заряженные отрицательные ионы с высоким выходом до 10"2 относительно общего числа положительных ионов;

2. Путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосе-кундной лазерной плазмы, формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью ~1016 Вт/см2, подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам;

3. Показана возможность управления параметрами ионных токов (таких как средняя и максимальная энергия основных ионов плазмы, кратности ионизации ионов) путем изменения условий предварительной импульсной лазерной очистки.

Практическая ценность

1. Созданная экспериментальная установка на основе времяпролетного масс-спектрометра в дальнейшем может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосе-кундной лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени импульсами с интенсивностью, не превышающей 1017Вт/см2. Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять обработку данных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации;

2. Разработанная методика очистки мишени в дальнейшем может быть использована для эффективного удаления с поверхности мишени как углеводородного, так и оксидного примесных слоев;

3. Результаты, полученные в рамках настоящей диссертационной работы, позволяют утверждать о возможности управления параметрами ионных пучков из фемтосекундной лазерной плазмы посредством применения предварительной импульсной лазерной очистки мишени, а также посредством варьирования параметров этой очистки. Кроме того, существует возможность управления параметрами ионных токов из расширяющегося плазменного облака путем изменения величины энергетического контраста фемтосекун-дного лазерного импульса;

4. Обнаруженные в горячей фемтосекундной лазерной плазме высокоэнергетические отрицательные ионы примесных элементов позволяют говорить о фемтосекундной лазерной плазме как о возможном интенсивном источнике отрицательных ионов с энергиями не менее 34 кэВ и величиной общего выхода на уровне 0.1-1.0% за один лазерный выстрел при интенсивности светового поля на уровне 1016 Вт/см2.

Защищаемые положения

Созданная на основе электростатического масс-спектрометра диагностическая установка обеспечивает измерение энергетических, зарядовых, а также массовых спектров заряженных частиц из плазмы в диапазоне энергий, отнесенных на единицу заряда, от 100 эВ до 47 кэВ при разрешающей способности Ге= 12;

Формирование тока быстрых ионов из плазмы, образуемой на поверхности твердотельной мишени в условиях вакуума на уровне 10"5 Topp при облучении фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 1016 В/смг, определяется наличием поверхностного примесного слоя. Наибольшую энергию на единицу заряда получают легкие примесные ионы,

1.

2.

в то время как ионы основного материала мишени набирают существенно меньшие скорости;

3. Предварительная импульсная лазерная очистка поверхности обеспечивает формирование ионного пучка, преимущественно состоящего из ионов основного материала мишени со средней энергией быстрых ионов, соответствующей энергии горячих электронов, и позволяет управлять параметрами сформированного ионного пучка: его энергетическим и зарядовым спектром;

4. Взаимодействие ионного пучка из плазмы, формируемой сверхинтенсивным лазерным импульсом, с молекулами остаточного газа при давлении в вакуумной камере на уровне 10"5 Topp, приводит к формированию высокоэнергетических отрицательных ионов на основе атомов, имеющих энергию сродства к электрону свыше 0.1 эВ. При этом энергетический спектр отрицательных ионов с высокой точностью совпадает с энергетическим спектром однократно заряженных положительных ионов. Существенное число отрицательных высокоэнергетических легких ионов, регистрируемых в эксперименте, обусловлено наличием примесного слоя на поверхности твердотельной мишени.

Апробация работы и публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей в отечественных и зарубежных научных журналах. Среди них: 2 статьи в журнале "Applied Physics В" [1, 2], также по 2 работы в журналах "Письма в ЖЭТФ" [3, 4] и "Квантовая Электроника" [5, 6]. По одной публикации вышло в журналах "Plasma Physics and Controlled Fusion" [7], "Laser Physics" [8], а также "ЖЭТФ" [9].

Общее число публикаций с учетом статей в сборниках и трудах конференций, а также тезисов докладов составляет 42 штуки. В их числе 6 статей в "SPIE Proceedings" опубликованных по результатам докладов на международных конференциях по лазерной и нелинейной оптике [10, 11, 12, 13, 14, 15].

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, также докладывались автором на ряде научных конференций: 2"°* межд. конф. молодых ученых и специалистов "0птика-2001" (Санкт-Петербург, Россия,

2001); Межд. конф. по квантовой электронике "IQEC-2002" (Москва, Россия,

2002); 2"м научная молодежная школа "0птика-2002" (Санкт-Петербург, Россия, 2002); 1 Гш конф. по лазерной огпике "LO-2003" (Санкт-Петербург, Россия,

2003). Два устных доклада было сделано в рамках межд. конф. по нелинейной оптике "ICONO-LAT-2005" (Санкт-Петербург, Россия, 2005). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конф.: 17 м конф. по когерентной и нелинейной оптике "ICONO-2001" (Минск, Беларусь, 2001); 3""* итало-российский симпозиум по проблемам физики мощных сверхкоротких лазерных импульсов (Палермо, Италия, 2004), 10"я, 1Гыв и 12"ый межд. Симпозиумы по лазерной физике "Laser Physics" (Москва, Россия, 2001; Братислава,

Словакия, 2002; Гамбург, Германия, 2003), 5"ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий (Москва, Россия, 2003); межд. конф. АЬТ-02 (Адельбаден, Швейцария, 2002); Гый и 2"°й межд. симпозиумы по актуальным проблемам нелинейной волновой физики "М\УР" (Нижний Новгород -Санкт-Петербург, Россия, 2003 и 2005); 2~ш межд. конф. по современным вопросам нелинейной физики "17№>-2004" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2004); 3""" межд. семинар по вопросам плазмы и её взаимодействия с электромагнитным излучением (Москва, Россия, 2005); 2"й симпозиум по лазерам и фотонике (Каяни, Финляндия, 2005); 4""с совещание АРОЗЯ по изомерным ядрам (Туссон, США, 2001); европейская конф. по лазерам и электрооптике "СЬЕО®/Е1ЖОРЕ" (Мюнхен, Германия, 2005).

Кроме этого, полученные диссертантом научные результаты легли в основу двух докладов на семинарах в институте Нелинейной Оптики и Спектроскопии им. Макса Борна (Берлин, Германия) в 2004 и 2005 годах, а также одного доклада на семинаре в МЛЦ МГУ в 2004 году. Список опубликованных работ приведен в заключительной части настоящего автореферата на стр. 19-21.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялась разработка и создание диагностической аппаратуры, проведение экспериментальных исследований, а также обработка данных и интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 135 страницах и включает 46 рисунков. Общее число ссылок составляет 151. Каждую главу предваряет вступительная часть, представляющая краткое содержание и основные задачи текущей главы. В заключение каждой из глав сформулированы основные результаты, достигнутые в ней.

II. Содержание диссертации

Во введении диссертационной работы происходит знакомство с тематикой исследований, обосновывается актуальность темы, формулируются цели, задачи, научная новизна, практическая ценность работы и защищаемые положения.

Первая глава диссертационной работы посвящена обзору методов массового и спектрального анализа, которые могли бы быть применены для

корпускулярной диагностики лазерной плазмы сверхкороткого импульса субрелятивистской интенсивности, формируемой при его жесткой фокусировке на поверхность твердотельной мишени. Существенная часть главы (первые два параграфа) отведена описанию собственно механизма формирования ФЛП. Соответствующий материал также носит обзорный характер. Основным, практически полезным результатом первой главы (с точки зрения итоговых задач настоящей диссертационной работы), является проектирование диагностического комплекса, позволяющего осуществлять масс-спектрометрический анализ корпускулярного тока лазерной плазмы в условиях интенсивности 1014 -1017 Вт/см2.

Представим содержание каждого параграфа более подробно:

В параграфе 1.1 рассматривается этап поглощения лазерной энергии веществом, сопровождающийся образованием свободных электронов, передачей им энергии световой волны. В этот временной отрезок ионная компонента вещества не принимается в рассмотрение, поскольку может считаться неподвижной. В параграфе обсуждаются процессы, определяющие формирование характерного двойного энергетического распределения электронов в плазме.

В параграфе 1.2 описывается поведение плазменной системы во временной период, последующий этапу воздействия излучения на вещество (начинающегося спустя примерно 1 пс после начала действия лазерного импульса). Здесь, традиционно, внимание привлечено процессу ускорения ионной компоненты за счет амбиполярного электростатического поля свободных электронов. Однако, обзор настоящей диссертационной работы отличает то, что особое место в нём занимает рассмотрение роли легкого примесного слоя (содержащегося на поверхности мишени) на эффективность ускорения основной и более тяжелой ионной компоненты. Присутствие такого слоя может быть обусловлено как естественными причинами - наличием различного рода загрязнений, так и являться интерпретацией экспериментальной схемы, в которой бы использовались двухслойные мишени.

Среди основных целей первых двух параграфов ставится: приведение характерных значений параметров электронных (§1.1), а также ионных (§1.2) токов из лазерной плазмы свойственных импульсу фемтосекундной длительности и субрелятивистской интенсивности. Перечисленные данные с одной стороны послужили ориентиром в выборе параметров экспериментальной диагностической установки по спектрометрическому анализу частиц из ФЛП (§ 1.4 и §2.2), с другой стороны позволили сопоставить впоследствии измеренные с её помощью данные с прогнозируемыми величинами, а также с величинами, известными в литературе из публикаций других авторов. Так, среди прочего, в §1.1-1.2 было получено, что в условиях интенсивности ~10!б Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени будет формироваться лазерная плазма, компоненты которой будут иметь следующие энергетические и зарядовые

характеристики: 1) Ожидается, что спектр электронов будет содержать две энергетические компоненты с температурами не выше 500эВ (для тепловой компоненты) и порядка ~5кэВ (для горячей электронной компоненты); 2) Ожидается, что средняя энергия ионов будет составлять величину порядка 10-100 кэВ. При этом в случае использования кремниевой мишени, максимальная кратность ионизации составит 12+, а при использовании мишени из железа 16+.

В параграфе 1.3 сделан обзор экспериментальных схем и методов спектрального и массового анализов частиц лазерной плазмы.

В §1.4, основываясь на заключениях, сделанных в §1.1-1.3, была спроектирована оригинальная схема электростатического масс-анализатора, который обеспечивает регистрацию ионного и электронного токов в диапазоне энергий до нескольких десятков кэВ/г, с разрешающей способностью не ниже гЕ~10-20, и обладает чувствительностью, достаточной для регистрации одиночных частиц. В частности, спроектированный анализатор позволяет раздельно идеен-тифицировать: 1) токи таких схожих по параметру М/<3 ионов как Ре15+ и Ре16+, 2) сущеественную часть спектра как тепловой, так и горячей электронной компоненты. Кроме того, 3) масс-спектрометр обладает возможностью одновременного проведения времяпролетаых ионных измерений.

Схема собранного диссертантом масс-спектрометрического комплекса изображена на рисунке 1.

трической диагностике лазерной плазмы

Задачами второй главы диссертационной работы ставится: 1) описание созданного масс-анализатора электростатического поля (а также экспериментального диагностического комплекса в целом); 2) приведение результатов его тестов и калибровочных измерений.

В параграфе 2.1 представлена схема экспериментальной установки целиком, тогда как сам масс-анализатор описан в §2.2. Спектрометр был собран в соответствии со сформулированными в заключение первой главы требованиями, определяющими возможность корпускулярной диагностики горячей

лазерной плазмы. Далее в §2.2 производится предварительный численный расчет ряда технических параметров анализатора (динамический диапазон, минимальный регистрируемый ток и пр.). Так, энергетический параметр спектрометра составил к=5±1. эВ/В; разрешающая способность Гв=10; рабочий диапазон - от 500 эВ до 47 кэВ. В заключение §2.2 приводится описание программного обеспечения, разработанного диссертантом в среде Ьв^е-уу 6.0 и предназначенного для анализа и статистической обработки данных, регистрируемых прибором и считываемых при помощи цифрового осциллографа.

В §2.3 описывается серия работ по калибровке спектрометра использующей различные методы и схемы. С этой целью применялся ряд электронных источников, как с предельно узким, так и с достаточно широким и при этом заранее известным энергетическим спектром. В первом случае использовалась электронная пушка, самостоятельно разработанная диссертантом, во втором -тритиевый источник. В результате калибровочных измерений было вычислено, что к=4.25±0.1 эВ/В, а гЕ=12.5±0.5. Измеренная функция чувствительности детектора ВЭУ-7 к электронному току была аппроксимирована как в(Е)= 1+(Е2+'/2)~', а зависимость коэффициента усиления от напряжения была найдена равной У(Ц)=500 и12±0'5, (где размерности Е и и - [кэВ] и [кВ] соответственно). Отметим, что в литературе встречается зависимость для У(Ц) в виде степенной функции с показателем, равным 16 (данные относятся к детектору, собранному из одной микроканальной пластины).

В §2.4, представлены первые данные по диагностике электронной компоненты плазмы. В условиях интенсивности ~1016 Вт/см2 демонстрируется ярко выраженное двухкомпонентное распределение по энергиям, соответствующее горячим и тепловым электронам плазмы (Рис 2). Настоящий результат был

получен впервые путем прямого измерения электронного спектра. Измеренный спектр с хорошей точностью соответствует сумме двух экспоненциальных распределений с температурами Т,-„= 240±60 эВ и Т,ю,= 14.4±4 кэВ. При этом было установлено отсутствие зависимости профиля энергетического спектра, а также рассчитанных температур от типа материала ми-0.2 1 ю 50 шени (по крайней мере, на при-

Рис.2. Энергетические спектры электронного мере мишеней из 81, Л и Ре), тока из ФЛП (1~1016 Вт/смг; мишени в!, "П, Ре).

Измерения были повторены для различных углов падения излучения на мишень (45 и 611радус), а также в условиях низкого энергетического контраста (СЕ=10; исходно СЕ=Ю00). В случае большего угла падения излучения на мишень, был отмечен рост общего количества горячих электронов по отношению к тепловым, что было объяснено увеличением амплитуды р-поляри-зовашюй компоненты излучения. Показано, что изменение контраста лазерного излучения не влияет существенным образом ни на энергетический спектр электронов, ни на параметры некогерентного рентгеновского излучения из плазмы (таких как: общий выход, средняя энергия).

В параграфе также указывается на наличие в ФЛП двух четко разграниченных в пространстве электронных компонент: "убегающие" электроны (с направленным характером движения) и электроны собственно плазмы (с беспорядочным характером движением). Такое деление электронов является независимым по отношению к известному делению электронов на тепловую и горячую компоненты. Конструктивным недостатком созданного масс-спектрометра является возможность регистрации исключительно "убегающей" компоненты. Количественное соотношение горячих электронов к тепловым среди "убегающих" электронов плазмы составило А = 0.7±0.3. Это отношение является, по-видимому, единственным параметром, характеризующим электронный ток из ФЛП, который бы зависел от атомного номера мишени. Так, в случае мишени из железа, это отношение оказывается примерно в два раза выше (0.90±0.2) аналогичного значения полученного для мишени из кремния (0.45±0.1).

В третьей главе диссертационной работы описано измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров ионов из ФЛП (1-2-1016 Вт/см2). В качестве мишеней использовались: Si, Fe, Ti, DKDP. В условиях вакуума с давлением остаточного газа на уровне 10'5 Topp в струе разлетающейся ФЛП масс-спектрометрическими методами было обнаружена значительная доля (до 2/3) примесных ионов Н, С, и О. Такой результат был объяснен неотъемлемым присутствием на поверхностях мишеней окисных пленок, адсорбированных паров воды, а также углеводородных примесей.

Измерения средней энергии показали, что в ряде случаев (в частности для Н1+ и С64), имеет место хорошее согласование с результатами численных расчетов. Так, энергия оцененная по формуле для ионнозвуковой скорости V3Z-T./M), в условиях интенсивности ~1016 Вт/см2, составила ~ 10-100 кэВ. С другой стороны, в ходе эксперимента эти значения составили 9 кэВ и 40 кэВ соответственно для Н1+ и С6+. Зарядовые спектры ионов плазмы также неплохо согласуются с расчетными значениями, полученными, например, на основании известного приближенного соотношения между потенциалом ионизации и температурой Uz/T~2-3 (верного в случае около-твердотельной ионной плотностью, а также в приближении ионизационного равновесия). Так,

предсказанная в 1-й главе диссертации полная ионизация ионов С, на самом деле успешно наблюдалась в эксперименте.

Тем не менее, определенные расхождения экспериментальных результатов с упомянутыми численными расчетами все же имели место. В первую очередь несоответствия проявлялись в отношении "тяжелых" ионов основного материала мишени. В частности, величина средней энергии для ионов 811+, имела порядок всего 3-3.5 кэВ/2, а максимальный заряд (для 81) достигал не 12+ (как предсказывалось в главе 1), а только лишь 6+.

Впоследствии это позволило сделать заключение о том, что на процесс формирования лазерной плазмы в результате воздействия фемтосекундных импульсов с поверхностью твердотельных мишеней существенное влияние оказывает присутствие примесного слоя, содержащегося на поверхности. Было указано на два основных нежелательных следствия, к которым приводит наличие примесей на поверхностях мишеней: 1) Основной материал мишени представлен лишь незначительной частью ионов в общей плазменной струе (во всяком случае среди ионов с энергией 100 эВ и более); 2) Среди быстрых ионов плазмы, набирающих максимальную энергию в процессе ускорения, лишь малая часть являются ионами основного материала мишени.

Пример зарядового и энергетического распределений ионов плазмы в случае интенсивности лазерного излучения ~2Т016 Вт/см2 представлены на рисунках 3 и 4. Данные получены при использовании мишеней из Т1 и соответственно.

25

Рис.3. Зарядовый спектр ионов (Т1).

• »

- в) р (-Е/9[ке\/]) \

Рис.4. Энергетический спектр протонов ФЛП

100т

Ют

1т 0

Кроме этого, одним из наиболее оригинальных результатов главы является обнаружение отрицательных высокоэнергетических ионов в струе разлетающейся плазмы. Подобное наблюдение было сделано впервые для столь горячей плазмы, в которой кратность ионизации ионов углерода па этапе ее

формирования достигает 6+. Для большинства элементов отрицательные ионы являются энергетически стабильными образованиями, поэтому важность полученных нами результатов состоит не столько в факте их регистрации, сколько в количестве зарегистрированных ионов' с отрицательным зарядом, которое составило от 10'г до 10"3 относительно количества положительных ионов. Отметим, что уравнение Саха (которое мы вправе применять как оценку сверху) предсказывает количественное отношение отрицательных ионов на 4-9 порядков ниже значений, полученных в эксперименте. Другим важным результатом спектрометрических измерений явилось то, что средние и максимальные энергии отрицательных ионов оказались сопоставимы со значениями измеренными для соответствующих положительных ионов.

Впоследствии численное моделирование показало, что формирование отрицательных ионов в расширяющейся лазерной плазме происходит в результате перезарядки положительных ионов на молекулах остаточного газа в камере. При этом фактором, определяющим величину общего потока отрицательных ионов, является давление остаточного газа.

В диссертации показано, что спектр высокоэнергетических отрицательных ионов коррелирует со спектром соответствующих положительных ионов. Было указано на возможность использования ФЛП как источника пучков отрицательно заряженных ионов с энергиями в десятки кэВ (не менее 35 кэВ).

В первой части четвертой главы диссертационной работы показано, что использование дополнительного лазерного импульса наносекундной длительности с плотностью энергии до 10 Дж/см2, опережающего фемтосекундный лазерный импульс на 0.01 - 100 мс, позволило эффективно очищать поверхность мишени за счет удаления с нее молекул, содержащих водород, углерод и кислород. Поскольку углеводородные соединения (в частности) отличаются низкой термической устойчивостью, то нагрев поверхностного' слоя мишени приводит к активации процессов десорбции примесного слоя, чему способствует помещение мишени в вакуум. В отличие от непрерывного теплового нагрева поверхности лазерная импульсная очистка обеспечивает ббльшие температуры нагрева и может эффективно применяться для любых твердотельных мишеней как в режиме тепловой, так и плазменной очистки (необходимой для удаления более термостойких соединений — например оксидов). Сравнение экспериментально измеренных массовых спектров ионов плазмы для загрязненной и очищенной мишени кремния приведены на рис 5.

Так, за счет импульсной лазерной очистки, нам удавалось снизить долю примесей на поверхности кремниевой мишени до величины не более 0.5%. Аналогичная величина для титановой мишени оказалась несколько выше и составила -2%. Измерение энергетических спектров в первой части четвертой . главы не проводилось.

Рис.5. Массовые спектры ионов до (а) и после (б) лазерной очистки.

Результаты спектрометрических исследований, описанные во второй части четвертой главы, показали, что применение импульсной лазерной очистки приводит к появлению дополнительной высокоэнергетической компоненты в спектре ионов основного материала мишени в формируемой лазерной плазме. Действительно, в условиях присутствия "легкого" поверхностного слоя "тяжелые" ионы основного материала мишени в значительной степени экранируются от действия амбиполярного электрического поля горячей электронной компоненты протонами плазмы (в частности). В результате именно протоны набирают скорости, сравнимые с ионнозвуковой скоростью соответствующей горячей электронной компоненте. Этому способствует два обстоятельства: 1) примесный слой естественным образом располагается в поверхностном слое мишени, 2) ионизовать за счет какого-либо механизма "легкие" атомы (Н, С) до того же отношения М/<3 оказывается проще, нежели "тяжелые" атомы основного материала мишени.

В ходе экспериментов по импульсной лазерной очистке производилось варьирование её параметров (времени задержки между импульсами и величины плотности потока энергии греющего излучения). В результате было выяснено, что для качественной очистки мишени титана (доля примесей не более 2%), необходима плотность потока энергии 5-10 Дж/см2; для кремния - 1-3 Дж/см2. Роль параметра задержки между импульсами оказалась ещё более существенной, чем роль плотности потока энергии. Так, при задержке в ЮОмкс наблюдаются ионы кремния с зарядом до 12+. Уменьшение этого параметра до 400нс привело к падению максимального регистрируемого заряда до 2+. Уточним, что в случае неочищенной мишени возможна регистрация ионов с зарядом до 5+. Существенное падение среднего, а также максимального заряда ионов в случае уменьшения времени задержки по всей видимости связано с образованием плазмы под действием предымпульса (преплазмы). При этом разлет плазмы основного импульса осуществляется в преплазму, что ведет к подавлению известного эффекта замораживания ионизационного состояния.

Наконец третьим параметром, определяющим характеристики ионного тока из плазмы, является контраст фемтосекундного импульса. Уменьшение

энергетического контраста также приводит к падению среднего и максимального заряда в плазме. Это позволило утверждать, что предымпульс может выполнять функции импульсной лазерной очистки с предельно малым временем задержки между чистящим и основным импульсами.

Таким образом, в заключительной главе диссертации было показано, что управление параметрами лазерной очистки, а также управление параметрами самого фемтосекундного импульса, формирующего плазму является эффективным инструментом для формирования плазмы с заданными параметрами ионных токов, такими как средний и максимальный заряд ионов, максимальная энергия ионов основного материала мишени и пр.

Основные результаты и выводы

1. В рамках диссертационной работы на основе времяпролетного масс-спектрометра электростатического поля был создан экспериментальный комплекс, позволяющий осуществлять корпускулярную диагностику заряженных частиц из лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом субрелятивисткой интенсивности (до ~1017 В/см2) в условиях окружающего мишень вакуума не хуже КГ4 Topp. Диагностическая установка обеспечивает регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от ЮОэВ до 47кэВ (в расчете на единицу заряда). Чувствительность анализатора обеспечивает регистрацию частиц, в том числе и в одиночном режиме (что достигается благодаря усилению сигнала в пористой структуре детектора на основе МКП с коэффициентом усиления вплоть до 107108)

Определенная в ходе калибровочных измерений величина разрешающей способности масс-анализатора по энергиям составила ге=12±0.5, а разрешающая способность по массам rm=10±0.5. Это в частности позволяет раздельно детектировать такие ионы, как Fe4+ и Fe3+. Калибровочные измерения позволили также определить величину так называемого "энергетического параметра масс-спектрометра" (k=4.25±0.1 эВ/В), (необходимого для измерения энергетических спектров частиц из лазерной плазмы); а также измерить спектральную чувствительность анализатора к электронному току в диапазоне до 15 кэВ. Полученная зависимость с высокой точностью может быть аппроксимирована функцией s(E)=l+(E2+'/4)"1, в которой энергия электронов имеет размерность [кэВ]. Зависимость коэффициента усиления детектора ВЭУ-7 от напряжения питания, приложенного к нему, была найдена равной Y(U)=500UI2±°'5, где размерность U - [кВ].

В дальнейшем созданная экспериментальная установка может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы. Написанный пакет

программного обеспечения позволяет осуществлять обработку данных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации.

2. В работе были измерены энергетические массовые, а также зарядовые спектры ионов из ФЛП формируемой сверхинтенсивным лазерным импульсом. При этом в качестве мишеней использовался широкий круг материалов: 81, Бе, "П, йКОР. В процессе эксперимента производилось варьирование как условий формирования лазерной плазмы (интенсивность излучения, его контраст, использование дополнительного чистящего предымпульса), так и условий диагностики (изменение знака заряда регистрируемых частиц).

В ряде случаев (в частности для Н|+, С5*, С6+) полученные данные хорошо согласуются с результатами различных теоретических моделей, предсказывающих как зарядовые распределения ионов плазмы на длине разлета порядка 60 см, так и значения их характерных энергий, в условиях интенсивности лазерного импульса на уровне 1016 Вт/см2. Так, энергия, оцененная по формуле для ионнозвуковой скорости (~л/ Зг-Те/М), составила ~10-100 кэВ, а значения в эксперименте, оказались равными 9 кэВ и 40 кэВ соответственно для Н1+ и С6+. С другой стороны, предсказанная в 1-й главе диссертации полная ионизация ионов углерода, на самом деле успешно наблюдалась в эксперименте. Для ионов углерода, кислорода, кремния, железа, титана, фосфора и калия, значения среднего заряда регистрируемых ионов оказалось равным 3 ± 1, а максимального 5-6. Средняя энергия наиболее быстрых ионов плазмы равнялась ~ 9 кэВ в расчете на единицу заряда.

Также в работе было отмечено непротиворечивость энергетических спектров ионов с электронными энергетическими спектрами плазмы.

3. Впервые путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2 подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам. Полученный в эксперименте энергетический спектр был успешно аппроксимирован двойным экспоненциальным распределением с температурами соответственно равными То,=240±60 эВ и Тьм=14.4±4 кэВ. При этом было установлено отсутствие зависимости профиля энергетического спектра, а также рассчитанных температур от типа материала мишени ф, Т1 и Ре). Приведенные значения не плохо согласуются с известными из литературы величинами рассчитанными численно. Так, в условиях интенсивности лазерного излучения ~1016 Вт/см2, оценка сверху для температуры тепловых электронов составила 500 эВ, а среднее значение температуры для горячих электронов оценивалось равным ~5 кэВ.

Измеренное количественное соотношение между горячей и тепловой электронными компонентами среди "убегающих" электронов составило А = 0.7 ±0.3.

4. Впервые в струе горячей фемтосекундной лазерной плазмы сформированной сверхинтенсивным лазерным импульсом на твердотельной поверхности мишени были зарегистрированы высокоэнергетичные однократно заряженные отрицательные ионы с максимальной энергией не менее 34 кэВ. Относительный выход отрицательных ионов при давлении в вакуумной камере на уровне 10"5 Topp составил значение 10"3<п<10"2, что существенно превышает величину, соответствующую полному ионизационному равновесию (например: ti<10"17 для Т~10эВ и 1014см"3). При этом наличие углеводородных и оксидных примесей способствовало росту выхода отрицательных ионов. Формирование отрицательных ионов в расширяющейся лазерной плазме происходит в процессе перезарядки положительных ионов на молекулах остаточного газа в камере. Фактором, определяющим величину общего потока отрицательных ионов, является давление остаточного газа в камере. Было указано на возможность использования фемтосекундной лазерной плазмы как источника пучков отрицательно заряженных ионов с энергиями в несколько десятков кэВ (~ 30 кэВ и более).

5. Было показано, что присутствующий на поверхности мишени примесный слой, состоящий из углеводородов, окислов и паров воды, существенным образом модифицирует параметры ионного тока лазерной плазмы. Основные модификации заключаются в: изменении массового состава ионов плазмы, а также в том, что наибольшую энергию на единицу заряда иона приобретают легкие примесные элементы. Тем самым существенная доля лазерной энергии перераспределяется в кинетическую энергию примесных ионов.

Так, при формировании лазерной плазмы импульсами с интенсивностью в 10!6 Вт/см2 на поверхности неочищенной мишени в условиях окружающего мишень вакуума на уровне 10"3 Тор, доля примесных ионов составляет порядка 2/3 среди всех ионов с энергией 100 эВ и выше. При этом максимальная энергия ионов основного материала не превышает 100 кэВ. Напротив, при использовании очищенной мишени максимальная энергия достигает 400 кэВ и более. Действительно, в условиях присутствия "легкого" поверхностного слоя "тяжелые" ионы основного материала мишени в значительной степени экранируются от действия амбиполярного электрического поля горячей электронной компоненты протонами плазмы. В результате именно протоны набирают скорости сравнимые с ионнозвуковой скоростью соответствующей горячей электронной компоненте. Этому способствует два обстоятельства: 1) примесный слой естественным образом располагается в поверхностном слое ми-

шени, 2) ионизовать легкие атомы (Н, С) до тех же значений M/Q оказывается проще, нежели тяжелые атомы основного материала мишени.

6. Было показано, что импульсная лазерная очистка является эффективным инструментом удаления примесного и оксидного слоев с поверхности твердотельной мишени при давлении остаточного газа в вакуумной камере на уровне 105 Topp. Так, доля примесных ионов в плазме формируемой на неочищенной поверхности мишени кремния составляет порядка 2/3 (для ионов с энергией не менее 100 эВ), а на очищенной с использованием греющего излучения Хе-С1 лазера — не более 0.5%. При этом оптимальными условиями лазерной очистки являются: плотность энергии очищающего импульса ~3 Дж/см2 (для Si), и 5-7 Дж/смг (для Ti), задержка между импульсом очистки и фемтосекун-дным импульсом ~100 мкс. Показано, что условие использования импульсной лазерной очистки является необходимым для формирования высокоэнергетических моноатомных ионных пучков. В целом, управление параметрами лазерной очистки, а также управление параметрами самого фемтосекундного импульса формирующего плазму (его энергетическим контрастом) является эффективным инструментом для формирования плазмы с заданными параметрами ионных токов, такими как средний и максимальный заряд ионов, максимальная энергия ионов основного материала мишени и пр. Так, в частности, при задержке в ЮОмкс нам удалось наблюдать ионы кремния с зарядом до 12+. Уменьшение этого параметра до 400нс привело к уменьшению максимального регистрируемого заряда до 2+.

Список основных работ, опубликованных по теме диссертации

1 ChutkoO.K, Gordienko V.M., Lachko I.M., Mar'in В. V., Savel'ev A.B., Volkov It V., "High-energy negative ions from expansion of high-temperature femtosecond laser plasma", Appl.Phvs.B. 77, 831-837 (2003).

2 Gordienko V.M., Lachko I.M., RusanovA.A., Savel'evA.B., UryupinaD.S., Volkov R. V., "Enhanced production of fast multi-charged ions from plasmas formed at cleaned surface by femtosecond laser pulse", Appl. Phys. B. 80, 733-739 (2005).

3 Волков P.B., Гордиенко B.M., Лачко И.М., Михеев П.М., Марьин Б.В., Савельев А.Б., Чутко О.В., "Генерация высокоэнергетичных отрицательных ионов водорода при взаимодействии сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного излучения с твердыми мишенями", Письма в ЖЭТФ. 76, 171-175 (2002).

4 Волков Р.В., Гордиенко В.М., Лачко И.М., Савельев А.Б., УрюпинаД. С., "Ускорение тяжелых многозарядных ионов до энергии в 1 Мэв при облучении

очищенной твердотельной мишени фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1016 Вт/см2", Письма в ЖЭТФ. 81,708-711 (2005).

5 Волков Р.В., Голишников Д.М., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Лачко И.М., Марьин Б.В., Михеев П.М., Савельев А.Б., Урюпина Д.С., Шашков А.А., "Формирование ионного тока высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы на поверхности мишени, содержащей примесный слой", Квантовая электроника. 33,981-986 (2003).

6 Волков Р.В., Воробьев А.А., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Лачко И.М., Марьин Б.В., Савельев А.Б., УрюпинаД.С., "Влияние импульсной лазерной очистки мишени на ионизацию и ускорение ионов в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом", Квантовая Электроника. 35, 953-958 (2005).

7 Gordienko V.M., Lachko I.M., Mikheev P.M., Savel'ev A.B., Uryupina D.S., Volkov ft V., "Experimental characterization of hot electrons production under femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities", Plasma Phvs. Controlled Fusion. 44,2555-2568 (2002).

8 Chutko О, V., Gordienko V.M., Lachko I.M., Savel'ev A.B., Volkov R.V., "High-energy negative ion formation in the femtosecond laser plasma plume owing to charge exchange with residual gas molecules", Laser Physics. 14,455-461 (2004).

9 Волков P.В., Гордиенко B.M., Лачко И.М., Русанов А.А., Савельев А.Б.,

Урюпина Д.С., "Формирование быстрых многозарядных тяжелых ионов при воздействии сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса на очищенную поверхность мишени", ЖЭТФ. 103, 347-362 (2006).

10 Chutko О. V., Gordienko V.M., Lachko I.M., Savel'ev A.B., Tkalya E.V., Volkov ft V., "Internal electronic conversion decay of low-energy nuclear levels excited in hot dense femtosecond laser plasma", Proc. SPIE. 4752, 205-216 (2002), ICONO 2001: Ultrafast Phenomena and Strong Laser Fields; Vyacheslav M. Gordienko, Anatoly A. Afanas'ev, Vladimir V. Shuvalov, Eds.

11 Chutko E.A., Gordienko V.M., Kirillov B.A., Lachko I.M., Magnitskii S.A., Savel'evA.B., Shashkov A.A., VolkovR.V., "Self-channeling of femtosecond visible laser pulse with microjoule energy and micromodification in transparent target", Proc. SPIE. 5121, 126-133 (2003), laser processing of advanced materials and laser microtechnologies; Friedrich H. Dausinger, Vitali I. Konov, Vladimir Y. Baranov, Vladislav Y. Panchenko; Eds.

12 Lachko I.M., Volkov R.V., Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Dzhidzhoev M.S., Mar'in B.V., Mikheev P.M., Savel'ev A.B., Uryupina D.S., Shashkov A. A., "Control of femtosecond laser plasma parameters by surface contaminants cleaning with preceding pulse laser", Proc. SPIE. 5482, 102-111 (2004), Laser 0ptics-2003: Superintense Light Fields and Ultrafast Processes; Vladimir E.Yashin, Alexandr A.Andreev; Eds.

13 Savel'ev A.B., Gordienko V.M., Lachko I.M., Rusanov A.A., Uryupina D.S., Volkov R. V., "Enhanced ionization of W ions at a plasma-vacuum boundary in femtosecond laser plasma at moderate intensities", Proc. SPIE. 597S, 597506-597517 (2006), Topical problems of nonlinear wave physics; Alexander M.Sergeev; Eds.

14LachkoI.M., Vorob'evA.A., Gordienko V.M., DzhidzhoevM.S., Mar'inB.V, Savel'ev A.B., Uryupina D.S., Volkov R.V., "Production of high-energy multi-charged mono-atomic ion bunches from FLP: The role of pulsed laser pre-cleaning", Proc. SPIE. 6053, 605310-605317 (ICONO/LAT-2005: High-Power Lasers and Applications, May 11-17 (2006), St. Petersburg, Russia); Willy L. Bohn, Vladimir S. Golubev, Andrey A. Ionin, Vladislav Y. Panchenko, Eds.

15 Uryupina D.S., Gordienko V.M., Lachko I.M., Rusanov A.A., Savel'ev A.B., Volkov R. V., "On the origin of fast multi-charged ions from femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities", Proc. SPIE. 6256, 62560G (ICONO 2005: Ultrafast Phenomena and Physics of Superintense Laser Fields; Quantum and Atom Optics; Engineering of Quantum Information, May 11-17 (2006) St. Petersburg, Russia) Hans A. Bachor, Andre D. Bandrauk, Paul B. Corkum, Markus Drescher, Mikhail Fedorov, Serge Haroche, Sergei Kilin, Alexander Sergienko, Eds.

к исполнению 13/09/2006 Исполнено 14/09/2006

Заказ № 640 Тираж: 100 экз.

ООО «11-й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 Москва, Варшавское ш., 36 (495) 975-78-56

www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ПЛАЗМА ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА. ОБЗОР МЕТОДОВ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ФЛП.

1.1 Формирование лазерной плазмы при воздействии импульса субрелятивистской интенсивности на поверхность твердотельных мишеней.

1.2 Ионизация и ускорение ионов в лазерной плазме формируемой сверхинтенсивным фемтосекундным импульсом. Параметры ионных токов из ФЛП

1.3 Методы корпускулярной диагностики ионного тока из ФЛП.

1.3.1 Ионная времяпрол етная диагностика.

1.3.2 Ионная масс-спектрометрическая диагностика.

1.3.3 Детектор частиц на основе микроканальных пластин.

1.4 Требования, предъявляемые к анализатору ориентированного на диагностику частиц плазмы фемтосекундного импульса субрелятивистской интенсивности.

Основные результаты Главы 1:.

Глава 2. ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МАСС-СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ.

2.1 Схема экспериментальной установки.

2.2 Времяпролетный масс-спектрометр электростатического поля.

2.2.1 Численный расчет масс-спектрометра электростатического поля.

2.2.2 Пакет программного обеспечения для анализа времяпролетных спектров регистрируемых масс-спектрометром.

2.3 Калибровка масс-спектрометра электростатического поля.

2.3.1 Градуирование энергетической шкалы спектрометра с использованием квазимонохроматического источника.

2.3.2 Определение чувствительности детектора ВЭУ-7 к частицам различных энергий (Градуирование шкалы чувствительности).

2.3.3 Взаимная градуировка коэффициента усиления сигнала детектора ВЭУ-7 и напряжения его питания.

2.4 Масс-спектроскопическая диагностика электронного тока из ФЛП.

2.4.1 Диагностика электронного тока из плазмы.

2.4.2 Обсуждение результатов: Сравнение данных прямой диагностики электронного тока из плазмы с результатами её рентгеновской диагностики.

2.4.3 Диагностика электронного тока плазмы, формируемой в модифицированных условиях эксперимента (случаи: {1} низкого энергетического контраста и {2} большого угла падения излучения на мишень).

Основные результаты Главы 2:.

Глава 3. ДИАГНОСТИКА ИОНОВ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ НА ПОВЕРХНОСТИ СОДЕРЖАЩЕЙ ПРИМЕСНЫЙ СЛОЙ.

3.1 Диагностика ионного тока ФЛП. Плазма, формируемая импульсом с I ~ 1016 Вт/см2 на поверхности твердотельных мишеней Si, Fe, Ti, DKDP.

3.1.1 Регистрация массового и зарядового спектров ионов плазмы: Обнаружение примесных ионов в фемтосекундной лазерной плазме.

3.1.2 Регистрация энергетических спектров ионов плазмы.

3.2 Обнаружение отрицательных ионов в высокотемпературной ФЛП.

Основные Результаты Главы 3:.

Глава 4. ИМПУЛЬСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ОЧИСТКА МИШЕНИ: ДИАГНОСТИКА ИОНОВ ИЗ ФЕМТОСЕКУНДНОЙ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, ФОРМИРУЕМОЙ НА ОЧИЩЕННОЙ ПОВЕРХНОСТИ.

4.1 Влияние поверхностного примесного слоя на процесс формирования ФЛП. Методика отчистки поверхности мишени.

4.1.1 Схема эксперимента по импульсной лазерной очистке мишени.

4.1.2 Результаты экспериментов по импульсной лазерной очистке мишени.

4.2 Управление параметрами ионных токов из ФЛП посредством выбора параметров импульсной лазерной очистки.

4.2.1 Схема эксперимента.

4.2.2 Результаты эксперимента по исследованию возможности управления параметрами ионного тока ФЛП.

Основные результаты Главы 4:.

Актуальность темы:

Последние два десятилетия ознаменовались бурным развитием техники построения мощных лазерных систем, способных генерировать сверхкороткие импульсы с длительностью 30-300 фс1 и энергией до единиц Джоулей [1, 2, 3, 4, 5]. Во многом, толчком к такому развитию послужило проектирование принципиально новой архитектуры лазерных систем, в основе которых лежало усиление чирпированных импульсов, предложенное в 1985 году Стриклендом и Мороу [6]. Жесткая фокусировка излучения подобных систем с тераватным уровнем мощности позволяет достигать интенсивностей световых полей в

17 7 перетяжке объектива на уровне 10 Вт/см и выше. Это обстоятельство вызвало существенный научно-исследовательский интерес к вопросу взаимодействия столь интенсивных световых полей с веществом (и особенно с веществом находящимся в конденсированном состоянии), поскольку такое излучение характеризуется сверхсильной напряженностью электромагнитного поля, сравнимой или превышающей внутриатомное кулоновское поле в атоме водорода2.

Лазерная плазма, формируемая при взаимодействии столь интенсивного излучения с твердотельным веществом [7,8,9,10,11,12], принципиально отличается по своим характеристикам и возможным приложениям от плазмы, формируемой настолько же энер-гетичными (~1Дж), однако менее интенсивными импульсами наносекундной длительности, которая уже была широко исследована в 60"*—70"* годах прошлого столетия [13, 14]. В частности, такие уникальные характеристики фемтосекундной лазерной плазмы как высокая ионная плотность (близкая к твердотельной), а также высокая кратность ионииза-ции (соответствующая температуре порядка 1 кэВ), стимулировали проведение исследований в различных областях науки и техники, таких как: физика лазерного термоядерного синтеза [15,16,17,18,19], инициирование реакций внутриядерных переходов [20,21], создание новых типов сверхинтенсивных импульсных источников (ионов, электронов, электромагнитного излучения в области спектра, соответствующего как вакуумному ультрафиолетовому3, так и рентгеновскому диапазонам) [22,23] и т.п. Весомое слово в исследовательском прогрессе физики высокотемпературной лазерной плазмы сказало сокращение размеров лазерных комплексов до масштабов, так называемых, настольных систем.

К появлению уникальных энергетических характеристик лазерной плазмы приводят, в свою очередь, уникальные физические процессы, сопровождающие поглощение лазерной энергии веществом, не наблюдаемые при меньших интенсивностях светового поля. Так, уже при интенсивностях на уровне 1016-1017 Вт/см2 классические (столкновительные) механизмы поглощения световой энергии, ответственные в первую очередь за форми

1 -1 фс = 10"13 с. Таким образом, длительность лазерного импульса может составлять всего лишь несколько единиц-десятков периодов световой волны.

2 - Напряженность внутриатомного поля в атоме водорода составляет ~5-109В/см и соответствует интенсивности I = сЕ2/8я ~ 3.4-1016 Вт/см2.

3 - Вакуумное ультрафиолетовое излучение ("Vacuum UV") или так называемый "далекий ультрафиолет" область длин волн в диапазоне 200 - 10 нм. рование так называемой тепловой электронный компонент плазмы, "перестают работать". Дальнейшее поглощение лазерной энергии осуществляется за счет дополнительных, бес-столкновительных механизмов, которые приводят к формированию так называемой, горячей электронной компоненты. К наиболее известным из этих механизмов относят: аномальный скин-эффект [24,25,26], резонансное поглощение [27,28,29,30,31,32], а также вакуумный нагрев [9,27,30,33]. В целом, на долю бесстолкновительных механизмов поглощения может приходиться до 10% лазерной энергии уже при субрелятивистском4 уровне интенсивности [20,34,35]. При этом средняя энергия горячих электронов может на один - два порядка превосходить среднюю энергию тепловых электронов [10].

Впоследствии на резкой границе плазма-вакуум тепловые и горячие электроны образуют так называемое амбиполярное поле, которое приводит к ускорению тяжелой, ионной компоненты плазмы. При этом скорость, набираемая наиболее быстрыми из этих ионов, становится сравнимой с ионнозвуковои скоростью в плазме ~ V3Z-Te/M [20].

Несомненно, важным аспектом задачи изучения физики высокотемпературной лазерной плазмы является диагностика параметров испускаемых ею частиц [36]. При этом все известные методы диагностики плазмы можно разделить на две группы: оптические [37,38,39] и корпускулярные [36]. Оптическая диагностика плазмы может включать в себя регистрацию квантов света чрезвычайно широкого диапазона длин волн: начиная от вакуумного ультрафиолетового и рентгеновского излучения (вызванного тормозным излучением электронов плазмы), и заканчивая сканированием спектра плазмы в видимом диапазоне с целью регистрации фотонов, обусловленных внутриатомными электронными переходами. Последнее может позволить получить информацию о зарядовом и элементном составе плазмы. Существенный интерес представляет регистрация характеристического излучения плазмы в области спектра рентгеновского диапазона (и в частности Ка-линий), а также узкополосного излучения обусловленного внутриядерными переходами в плазме [20]. Наконец также к оптическим методам диагностики плазмы можно отнести, так называемую, pump-probe методику, при которой осуществляется регистрация не собственного излучения плазмы, а излучения внешнего источника (также лазерного), отраженного от её границы [40,41,42].

Безусловно, рентгеновская диагностика с возможностью временного разрешения сигнала оказалась бы весьма востребованной в физике плазмы. Действительно, в 70"х годах прошлого столетия успешная разработка времяразрешающих оптических методов позволила получить ряд новых результатов и, в частности, обнаружить сильную нестабильность светимости наносекундной лазерной плазмы [43,44]. К сожалению, в случае фемтосекундной длительности лазерных импульсов, разработка аналогичных диагностических методик оказывается достаточно проблематичной.

4 - Релятивистский порог QR равен 1.38-1018 мкм2,Вт/см2 и соответствует параметрам лазерного излучения при которых осцилляторная энергия электрона достигает значения пус2 — 511 кэВ. Релятивистская интенсивность IR определяются из соотношения QR= X2-IR. В нашем случае (для X = 616 нм) релятивистская интенсивность составляет I ~ 1.4'Ю19 Вт/см2.

В задачи корпускулярной диагностики лазерной плазмы входят: регистрация тока ионов, электронов, нейтральных частиц плазмы, кластерных структур и пр. с возможностью определения их энергий, скоростей и масс частиц, их зарядовых состояний, абсолютных величин токов, телесных углов разлета и пр. Среди существующих и широко используемых корпускулярных методов диагностики можно выделить такие методики как: времяпролетная, масс-спектрометрическая, масс-спектрометрический анализ предварительно перезаряженных ионов, времяпролетные измерения тока ионов, ускоренных в постоянном внешнем электростатическом поле и пр.

В связи с тем, что до последнего времени в Лаборатории Сверхсильных Световых Полей корпускулярные методы диагностики лазерной плазмы не были развиты в должной мере (в отличие от оптических методов), одной из основных задач настоящей диссертационной работы стало создание экспериментального масс-спектрометрического комплекса на базе масс-энергоанализирующего устройства.

Существенное влияние на процесс ускорения ионной компоненты плазмы оказывают искусственно созданные модификации структуры мишени и прежде всего, ее поверхностного слоя. К таким модификациям можно отнести: предварительное формирование рельефа поверхности мишени [45,46], использование многокомпонентных (двухслойных) [47], а также тонкоплёночных [48] мишеней. В частности, использование двухслойных мишеней, в которых наружный тонкий слой представлен элементом с меньшим атомным номером, приводит к увеличению эффективности ускорения "легких" ионов [47]. Напротив, "тяжелые" ионы, расположенные в нижнем слое мишени ускоряются менее эффективно, нежели чем в случае отсутствия внешнего "легкого" слоя.

Весьма похожая картина наблюдается при использовании мишени, поверхность которой загрязнена углеводородными примесями, покрыта окисный слоем либо содержит адсорбированные пары воды. В этом случае роль "легкого" внешнего слоя выполняют атомы Н, С и О. К сожалению далеко не всегда желаемым оказывается эффективное ускорение примесных ионов с одновременным уменьшением энерговклада в ионы основного материала мишени. Все это определило вторую из основных задач диссертационной работы: задачу изучения роли примесного слоя на параметры ионного тока формируемой лазерной плазмы, а также разработка методики очистки мишени от примесей.

Цели диссертационной работы:

Основными целями настоящей диссертационной работы являются: - создание экспериментальной установки для масс-спектрометрической диагностики заряженных частиц из лазерной плазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью до 1017Вт/см2. Установка должна обеспечивать регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от сотен до десятков тысяч эВ при разрешающей способности по энергии не менее 10-20 и хорошей помехозащищенности от электромагнитного и корпускулярного излучения плазмы;

-разработка и оптимизация методики импульсной лазерной очистки мишени от содержащихся на её поверхности примесного и окисного слоев. Исследование влияния параметров импульсной лазерной очистки (плотность энергии импульса, время опережения по отношению к фемтосекундному импульсу) на параметры формируемого тока из плазмы;

- измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров частиц из лазерной плазмы, формируемой фемтосекундным импульсом с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени, в зависимости от атомного состава поверхностного слоя мишени и параметров этого импульса (энергетический контраст).

Научная новизна работы состоит в:

- в струе ионов, вылетающих из горячей плотной плазмы, сформированной сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельной поверхности мишени, были зарегистрированы высокоэнергетические однократно заряженные отрицательные ионы с высоким выходом до 10*2 относительно общего числа положительных ионов;

-путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекун-дной лазерной плазмы, формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2, подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам;

- показана возможность управления параметрами ионных токов (таких как средняя и максимальная энергия основных ионов плазмы, кратности ионизации ионов) путем изменения условий предварительной импульсной лазерной очистки

Практическая ценность:

-созданная экспериментальная установка на основе времяпролетного масс-спектрометра в дальнейшем может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени импульсами с интенсивностью, не превы

17 "У шающей 10 В/см . Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять обработку данных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации;

- разработанная методика очистки мишени в дальнейшем может быть использована для эффективного удаления с поверхности мишени как углеводородного, так и оксидного примесных слоев;

- результаты, полученные в рамках настоящей диссертационной работы, позволяют утверждать о возможности управления параметрами ионных пучков из фемтосекундной лазерной плазмы посредством применения предварительной импульсной лазерной очистки мишени, а также посредством варьирования параметров этой очистки. Кроме того, существует возможность управления параметрами ионных токов из расширяющегося плазменного облака путем изменения величины энергетического контраста фемтосекун-дного лазерного импульса;

- обнаруженные в горячей фемтосекундной лазерной плазме высокоэнергетические отрицательные ионы примесных элементов позволяют говорить о фемтосекундной лазерной плазме как о возможном интенсивном источнике отрицательных ионов с энергиями не менее 34кэВ и величиной общего выхода на уровне 0.1-1.0% за один лазерный выстрел при интенсивности светового поля на уровне 1016 Вт/см2

Защищаемые положения:

-созданная на основе электростатического масс-спектрометра диагностическая установка обеспечивает измерение энергетических, зарядовых, а также массовых спектров заряженных частиц из плазмы в диапазоне энергий, отнесенных на единицу заряда, от 100 эВ до 47 кэВ при разрешающей способности равной ге = 12;

- формирование тока быстрых ионов из плазмы, образуемой на поверхности твердотельной мишени в условиях вакуума на уровне 10'5Торр при облучении фемтосекун-дным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 1016 В/см2, определяется наличием поверхностного примесного слоя. Наибольшую энергию на единицу заряда получают легкие примесные ионы, в то время как ионы основного материала мишени набирают существенно меньшие скорости;

- предварительная импульсная лазерная очистка поверхности обеспечивает формирование ионного пучка, преимущественно состоящего из ионов основного материала мишени со средней энергией быстрых ионов, соответствующей энергии горячих электронов, и позволяет управлять параметрами сформированного ионного пучка: его энергетическим и зарядовым спектром;

-взаимодействие ионного пучка из плазмы, формируемой сверхинтенсивным лазерным импульсом, с молекулами остаточного газа при давлении в вакуумной камере на уровне 10"5 Торр, приводит к формированию высокоэнергетических отрицательных ионов на основе атомов, имеющих энергию сродства к электрону свыше 0.1 эВ. При этом энергетический спектр отрицательных ионов с высокой точностью совпадает с энергетическим спектром однократно заряженных положительных ионов. Существенное число отрицательных высокоэнергетических легких ионов, регистрируемых в эксперименте, обусловлено наличием примесного слоя на поверхности твердотельной мишени

Апробация работы и публикации:

По теме диссертационной работы опубликовано 9 статей в отечественных и зарубежных научных журналах. Среди них: 2 статьи в журнале "Applied Physics В" [49, 50], также по 2 работы в журналах "Письма в ЖЭТФ" [51, 52] и "Квантовая Электроника" [53, 54]. По одной публикации вышло в журналах "Plasma Physics and Controlled Fusion" [39], "Laser Physics" [55], а также "ЖЭТФ" [56].

Общее число публикаций с учетом статей в сборниках и трудах конференций, а также тезисов докладов конференций составляет 42 штуки. В их числе 6 статей в "SPIE Proceedings" вышедших в свет [57,58,59,60] по результатам докладов на международных конференциях по лазерной и нелинейной оптике, или готовящихся к печати [61,62].

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, также докладывались автором на следующих научных конференциях: 2~ш международная конференция молодых ученых и специалистов "0птика-2001" (Санкт-Петербург, Россия, 2001); Международная конференция по квантовой электронике "IQEC-2002" (Москва, Россия, 2002); 2"м научная молодежная школа "0птика-2002" (Санкт-Петербург, Россия, 2002); 1Г конференция по лазерной оптике "L0-2003" (Санкт-Петербург, Россия, 2003). Два устных доклада было сделано в рамках международной конференции по нелинейной оптике "ICONO-LAT-2005" (Санкт-Петербург, Россия, 2005). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конференциях: 17"8" конференция по когерентной и нелинейной оптике "ICONO-2001" (Минск, Беларусь, 2001); 3"ий итало-российский симпозиум по проблемам физики мощных сверхкоротких лазерных импульсов (Палермо, Италия, 2004), 10"й, 1ГЫЙ и 12*ый международные симпозиумы по лазерной физике "Laser Physics" (Москва, Россия, 2001; Братислава, Словакия, 2002; Гамбург, Германия, 2003), 5'ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий (Москва, Россия, 2003); международная конференция ALT-02 (Адельбаден, Швейцария, 2002); Гый и 2"°й международные симпозиумы по актуальным проблемам нелинейной волновой физики "NWP" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2003 и 2005); 2*ая международная конференция по современным вопросам нелинейной физики "FNP-2004" (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2004); 3"ий международный семинар по вопросам плазмы и её взаимодействия с электромагнитным излучением (Москва, Россия, 2005); 2"°й симпозиум по лазерам и фотонике (Каяни, Финляндия, 2005); 4"ое совещание AFOSR по изомерным ядрам (Туссон, США, 2001); европейская конференция по лазерам и электрооптике "CLEO®/EUROPE-2005" (Мюнхен, Германия, 2005).

Кроме этого, достигнутые диссертантом научные результаты легли в основу двух докладов на семинарах в институте Нелинейной Оптики и Спектроскопии имени Макса Борна (Берлин, Германия) в 2004 и 2005 годах, а также одного доклада на семинаре в Международном Лазерном Центре МГУ в 2004 году.

Личный вклад автора:

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялась разработка и создание диагностической аппаратуры, проведение экспериментальных исследований, а также обработка данных и интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Работа изложена на 135 страницах и включает 46 рисунков. Общее число ссылок составляет 151.

Основные результаты Главы 4: <

В четвертой главе диссертационной работы была представлена разработанная методика очистки поверхности мишени от примесного углеводородного, а также оксидного слоев с применением дополнительного греющего лазерного импульса. Ранее (в 3-й главе) было показано, что наличие такого слоя приводит к двум нежелательным особенностям в формировании фемтосекундной лазерной плазмы. Во-первых, было отмечено, что доля ионов основного материала мишени в такой плазме обычно оказывается незначительной - порядка 1/3 (среди ионов с энергиями 1 кэВ и более). Во-вторых, среди наиболее быстрых ионов плазмы ионы основного материала мишени полностью отсутствуют. Разработанная методика позволяет уменьшить содержание примесного слоя до значения не более 0.5% от полного объема ионного тока в случае мишени Si и до значения не более 2.0% в случае мишени Ti.

Показана возможность управления эффективностью очистки мишени путем изменения таких условий предварительной импульсной лазерной очистки, как: время задержки между импульсом очистки и импульсом, формирующим плазму, а также плотностью потока энергии греющего излучения. Оптимальным оказалось использование задержки порядка 1 мкс и плотности потока порядка 2-3 Дж/см для мишени Si, и порядка 5-7 л

Дж/см для мишени Ti.

Показано, что изменением времени опережения чистящего лазерного излучения, а также варьированием уровня энергетического контраста фемтосекундного импульса можно управлять такими параметрами ионного тока лазерной плазмы, как: средний и максимальный заряд ионов, максимальная энергия ионов основного материала мишени. Так, в частности, при задержке в ЮОмкс нам удалось наблюдать ионы кремния с зарядом до 12+. Уменьшение этого параметра до 400нс привело к уменьшению максимального регистрируемого заряда до 2+. Отметим, что в случае неочищенной мишени оказалось возможна регистрация ионов с зарядом до 5+.

Результаты исследований, описанные во второй части четвертой главы, продемонстрировали, что применение импульсной лазерной очистки приводит к появлению дополнительной высокоэнергетической компоненты в спектре ионов основного материала мишени в формируемой лазерной плазме. Действительно, в условиях присутствия "легкого" поверхностного слоя "тяжелые" ионы основного материала мишени в значительной степени экранируются от действия амбиполярного электрического поля горячей электронной компоненты протонами плазмы (в частности). В результате именно протоны набирают скорости сравнимые с ионнозвуковой скоростью соответствующей горячей электронной компоненте. Этому способствует два обстоятельства: 1) примесный слой естественным образом располагается в поверхностном слое мишени, 2) ионизовать каким-либо механизмом легкие атомы (Н, С) до тех же значений M/Q оказывается проще, нежели тяжелые атомы основного материала мишени (Si, Fe, Ti).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В рамках диссертационной работы на основе времяпролетного масс-спектрометра электростатического поля был создан экспериментальный комплекс, позволяющий осуществлять корпускулярную диагностику заряженных частиц из лазерной плазмы формируемой на поверхности твердотельной мишени фемтосекундным лазерным импульсом

17 1 субрелятивисткой интенсивности (до ~10 В/см ) в условиях окружающего мишень вакуума не хуже 10"4 Торр. Диагностическая установка обеспечивает регистрацию заряженных частиц с энергиями в диапазоне от 100 эВ до 47 кэВ (в расчете на единицу заряда). Наилучшая чувствительность анализатора обеспечивает регистрацию частиц в одиночном режиме (благодаря усилению сигнала в пористой структуре детектора на основе МКП с

7 б коэффициентом вплоть до 10 -10 ).

Определенная в ходе калибровочных измерений величина разрешающей способности масс-анализатора по энергиям составила ге = 12 ± 0.5, а разрешающая способность по массам равнялась rm = 10 ± 0.5, что в частности позволяет раздельно детектировать такие ионы, как Fe4+ и Fe5+. Калибровочные измерения позволили также определить величину так называемого "энергетического параметра масс-спектрометра" (к = 4.25 ±0.1 эВ/В), (необходимого для измерения энергетических спектров частиц из лазерной плазмы впоследствии); а также измерить спектральную чувствительность анализатора к электронному току в диапазоне до 15 кэВ. Полученная зависимость с высокой точностью может 1 быть аппроксимирована функцией s'(E) = 1+(Е+Уг)', в которой энергия электронов имеет размерность [кэВ], а собственно величина чувствительности детектора s'(E) определена с точностью до константы. Наконец зависимость коэффициента усиления детектора ВЭУ-7

171П ^ от напряжения питания, приложенного к нему, была найдена равной Y(U)=500-U ', где размерность U - [кВ]. Отметим, что в литературе можно встретить упоминания о том, что зависимость для Y(U) от напряжения для однослойного МКП детектора может представлять собою степенную функцию с показателем равным 16.

В дальнейшем созданная диагностическая установка может быть успешно использована в экспериментах по диагностики как ионного, так и электронного токов из фемтосекундной лазерной плазмы. Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять обработку данных регистрируемых масс-спектрометром с высокой степенью автоматизации.

2. В работе были измерены энергетические массовые, а также зарядовые спектры ионов из ФЛП формируемой сверхинтенсивным лазерным импульсом. При этом в качестве мишеней использовался широкий круг материалов: Si, Fe, Ti, DKDP. В процессе эксперимента производилось варьирование как условий формирования лазерной плазмы (интенсивность излучения, его контраст, использование дополнительного чистящего пред-ымпульса), так и условий диагностики (изменение знака заряда регистрируемых частиц). В ряде случаев (в частности для Н1+, С5+, С6+) полученные результаты хорошо согласуются с результатами различных теоретических моделей, предсказывающих как зарядовые распределения ионов плазмы на длине разлета порядка 60 см, так и значения их харак

16 2 терных энергий, в условиях интенсивности лазерного импульса на уровне 10 Вт/см . Так, энергия, оцененная по формуле для ионнозвуковой скорости составила ~10

100 кэВ, а значения, полученные в ходе эксперимента, оказались равными 9 кэВ и 40 кэВ соответственно для Н1+ и С6+. С другой стороны, предсказанная в 1-й главе диссертации полная ионизация ионов углерода, на самом деле успешно наблюдалась в эксперименте, что говорит о хорошем соответствии результатов с оценками зарядовых спектров ионов плазмы. Для ионов углерода, кислорода, кремния, железа, титана, фосфора и калия, значения среднего заряда регистрируемых ионов оказалось равным 3 ± 1, а максимального 5-6. Средняя энергия наиболее быстрых ионов плазмы оказалась равной ~ 9 кэВ в расчете на единицу заряда. Также в работе было отмечено непротиворечивость энергетических спектров ионов с электронными энергетическими спектрами плазмы.

3. Впервые путем прямого измерения энергетического спектра электронов из фемтосекундной лазерной плазмы формируемой на твердотельной поверхности мишени импульсами с интенсивностью порядка 10 Вт/см подтверждено присутствие двух энергетических компонент, соответствующих тепловым и горячим электронам. Полученные в эксперименте энергетические спектры были успешно аппроксимированы двойным экспоненциальным распределением с температурами соответственно равными Тц, = 240 ± 60 эВ и Thot= 14.4 ± 4 кэВ. При этом было установлено отсутствие зависимости профиля энергетического спектра, а также рассчитанных температур от типа материала мишени (по крайней мере, в отношении мишеней из Si, Ti и Fe). Приведенные значения не плохо согласуются с известными из литературы величинами рассчитанными численно. Так, в условиях интенсивности лазерного излучения ~10 Вт/см оценка сверху для температуры тепловых электронов составила 500 эВ, а среднее значение температуры для горячих электронов оценивалось равным ~5 кэВ.

Измерения энергетического спектра электронов были повторены для различных углов падения излучения на мишень (45 и 61 градус), а также в условиях низкого энергетического контраста (Се=Ю; исходно Се=1000). В случае большего угла падения излучения на мишень, был отмечен рост общего количества горячих электронов по отноше нию к тепловым, что было объяснено увеличением амплитуды р-поляризованной компоненты излучения. Показано, что изменение контраста лазерного излучения не влияет существенным образом ни на энергетический спектр электронов, ни на параметры некогерентного рентгеновского излучения из плазмы (общий выход, средняя энергия).

В работе также указывается на наличие в ФЛП двух четко разграниченных в пространстве электронных компонент: "убегающие" электроны (с направленным характером движения) и электроны собственно плазмы (с беспорядочным характером движением). Такое деление электронов является полностью независимым по отношению к известному делению электронов на тепловую и горячую компоненты. Конструктивным недостатком созданного масс-спектрометра является возможность регистрации исключительно "убегающей" компоненты. Количественное соотношение горячих электронов к тепловым среди "убегающих" электронов плазмы составило А = 0.7±0.3. Это отношение является, по-видимому, единственным параметром, характеризующим электронный ток из ФЛП, который бы зависел от атомного номера мишени. Так, в случае мишени из железа, это отношение оказывается примерно в два раза выше (0.90 ±0.2) аналогичного значения полученного для мишени из кремния (0.45 ±0.1).

4. Впервые в струе горячей фемтосекундной лазерной плазмы сформированной сверхинтенсивным лазерным импульсом на твердотельной поверхности мишени были зарегистрированы высокоэнергетичные однократно заряженные отрицательные ионы с максимальной энергией не менее 35 кэВ. Относительный выход отрицательных ионов при с 1 ч давлении в вакуумной камере на уровне 10 Торр составил значение 10" <г| < 10", что существенно превышает величину, соответствующую полному ионизационному равновесию (например: r\ < 10'17 для Т~10эВ и пг1014см"3). При этом наличие углеводородных и оксидных примесей способствовало росту выхода отрицательных ионов. Формирование отрицательных ионов в расширяющейся лазерной плазме происходит в процессе перезарядки положительных ионов на молекулах остаточного газа в камере. При этом фактором, определяющим величину общего потока отрицательных ионов, является давление остаточного газа в камере. Управление величиной давления остаточного в диапазоне до 10"9 Торр является инструментом регулирования относительного выхода отрицательных ионов в пределах от 10' до 10". Было указано на возможность использования фемтосекундной лазерной плазмы как источника пучков отрицательно заряженных ионов с энергиями в несколько десятков кэВ (-30 кэВ и более).

Энергетический спектр отрицательных ионов хорошо коррелирует со спектром соответствующих однократно заряженных положительных ионов.

5. В работе было показано, что присутствующий на поверхности мишени примесный слой, состоящий из углеводородов, окислов и паров воды, существенным образом модифицирует параметры ионного тока лазерной плазмы. Основные модификации заключаются в: изменении массового состава ионов плазмы, а также в том, что наибольшую энергию на единицу заряда иона приобретают легкие примесные элементы. Тем самым существенная доля лазерной энергии перераспределяется в кинетическую энергию примесных ионов.

Так, при формировании лазерной плазмы импульсами с интенсивностью в 1016 Вт/см на поверхности неочищенной мишени в условиях окружающего мишень вакуума на уровне 10"5 Торр, доля примесных ионов составляет порядка 2/3 среди всех ионов с энергией 100 эВ и выше. При этом максимальная энергия ионов основного материала не превышает 100 кэВ. Напротив, при использовании очищенной мишени максимальная энергия достигает 400 кэВ и более.

В пункте 2 раздела заключения говорилось о хорошем согласовании экспериментальных данных с расчетными величинами известными из литературы в отношении ионов Н1+, С5+, С6+. Тем не менее, определенные расхождения "эксперимента" с "теорией" все же имели место. В первую очередь несоответствия проявлялись на примере "тяжелых" ионов

1 + основного материала мишени. В частности, величина средней энергии для ионов Si , Si имела порядок всего 3-3.5 кэВ/Z, а максимальный заряд (для Si) достигал не 12+ (как предсказывалось в главе 1), а только лишь 6+. В диссертационной работе было показано, что такое несоответствие объясняется присутствием примесного слоя на поверхности мишени. Действительно, в условиях присутствия "легкого" поверхностного слоя "тяжелые" ионы основного материала мишени в значительной степени экранируются от Действия амбиполярного электрического поля горячей электронной компоненты протонами плазмы (в частности). В результате именно протоны набирают скорости сравнимые с ионнозвуковой скоростью соответствующей горячей электронной компоненте. Этому способствует два обстоятельства: 1) примесный слой естественным образом располагается в поверхностном слое мишени, 2) ионизовать каким-либо механизмом легкие атомы (Н, С) до тех же значений M/Q оказывается проще, нежели тяжелые атомы основного материала мишени.

6. Было показано, что импульсная лазерная очистка является эффективным инструментом удаления примесного и оксидного слоев с поверхности твердотельной мишени при давлении остаточного газа в вакуумной камере на уровне 10'5 Торр. Так, доля примесных ионов в плазме формируемой на неочищенной поверхности мишени составляет порядка 2/3 (для ионов с энергией не менее 100 эВ), а на очищенной с использованием греющего излучения Хе-С1 лазера - не более 0.5%. При этом оптимальными условиями лазерной очистки являются: плотность энергии очищающего импульса ~3 Дж/см2 (для кремния), и 5-7 Дж/см2 (для титана), задержка между импульсом очистки и фемтосекундным импульсом ~100 мкс.

Результаты исследований показали, что применение импульсной лазерной очистки приводит к появлению дополнительной высокоэнергетической компоненты в спектре ионов основного материала мишени в формируемой лазерной плазме. В целом, управление параметрами лазерной очистки, а также управление параметрами самого фемтосекундного импульса формирующего плазму (его энергетическим контрастом) является эффективным инструментом для формирования плазмы с заданными параметрами ионных токов, такими как средний и максимальный заряд ионов, максимальная энергия ионов основного материала мишени и пр. Так, в частности, при задержке в ЮОмкс нам удалось наблюдать ионы кремния с зарядом до 12+. Уменьшение этого параметра до 400нс привело к уменьшению максимального регистрируемого заряда до 2+. В случае же неочищенной мишени возможна регистрация ионов с зарядом до 5+.

Показано, что в случае низкого энергетического контраста фемтосекундного лазерного импульса, предымпульс может выполнять функции импульсной лазерной очистки с предельно малым временем задержки между импульсами.

Показано, что условие использования импульсной лазерной очистки является необходимым для формирования высокоэнергетических моноатомных ионных пучков.

1., "The ultrahigh-peak-power laser: present and future", Appl. Phvs. B. 65,205 (1997).

2. Rundquist A., Durfee C., Chang Z., Taft G., Zeek E., Backus S., Murnane M.M., Kapteyn H.C., Christov I., Stoev

3. V., "Ultrafast laser and amplifier sources", Appl. Phvs. B. 65,161 (1997).

4. Backus S., Durfee C.G., Murnane M.M., Kapteyn H.C., "High power ultrafast lasers", Rev. Sci. Instrum. 69,12071998).

5. Репу M.D., Pennington D., Stuart B.C., TietbohlG., Britten J.A., Brown C., HermanS., GoIickB., KartzM.,

6. Miller J., Powell H.T., Vergino M., Yanovsky V., "Petawatt laser pulses", Optics Letters. 24,160 (1999).

7. Андреев A.A., Мак A.A., Яшин B.E., "Генерация и применение сверхсильных лазерных полей", Квантоваяэлектроника. 24,99 (1997).

8. Strickland D., Mourou G., "Compression of amplified chirped optical pulses", Opt. Commun. 56,219 (1985).

9. Гамалий Е.Г., Тихончук B.T., "О воздействии мощных ультракоротких импульсов на вещество", Письма в1. ЖЭ1Ф, 48,413 (1988).

10. Platonenko V.T., "High-temperature near-surface plasma produced by ultrashort laser pulses", Laser Physics. 2,852(1992).

11. Лютер-Девис В., Гамалий Е.Г., Ванг И. и др., "Вещество в сверхсильном лазерном поле", Квантовая электроника. 19 137 (1992).

12. Gibbon P., Forster R., "Short-pulse laser plasma interactions", Plasma Phvs. Controlled Fusion. 38,769 (1996).

13. Von der Linde D., Sokolowski-Tinten K., Bialkowski J., "Laser-solid interaction in the femtosecond time regime", Appl. Surf. Sci. 109/110,1 (1997).

14. Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Mikheev P.M., Savel'ev A.B., Volkov R.V., "Dense femtosecond plasma at moderate intensities: hot electrons, fast ions, and thermonuclear processes in modified targets", Laser Physics. 11,1205(2001).

15. Linlor W.I., "Some properties of plasma produced by laser giant pulse", Phvs. Rev. Lett. 12,383 (1964).

16. Dawson J.M., "On the production of plasma by giant pulse lasers", Physics of Fluids. 7,981 (1964).

17. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б., "Физика лазерного термоядерного синтеза", М.: Знание, (1988).

18. Ditmire Т., Zweiback J., Yanovsky V.P., Cowan Т. E., Hays G., Wharton К. В., "Nuclear fusion from explosions of femtosecond-laser heated deuterium cluster", Nature. 398,492 (1999).

19. Волков P.B., Голишников Д.М., Гордиенко B.M., Михеев П.М., Савельев А.Б., Севастьянов В.Д., Черныш B.C., Чутко О.В., "Генерация нейтронов в плотной фемтосекундной лазерной плазме структурированной твердотельной мишени", Письма ЖЭТФ. 72,577 (2000).

20. Chutko О.V., Golishnikov D.M., Gordienko V.M., Mikheev P.M., Savel'ev A.B., Volkov R.V., Sevast'ya-nov V.D., "Observation of thermonuclear neutrons emitted from dense femtosecond plasma at moderate intensities", Laser and Particle Beams. 19,209 (2001).

21. Ledingham K.W.D., McKenna P., Singhal R.P., "Applications for nuclear phenomena generated by ultra-intense lasers", Science. 300,1107 (2003).

22. Андреев A.B., Гордиенко B.M., Савельев А.Б., "Ядерные процессы в высокотемпературной плазме индуцируемой сверхкоротким лазерным импульсом", Квантовая Электроника. 31,941 (2001).

23. Андреев А.В., Волков Р.В., Гордиенко В.М., Дыхне A.M., Михеев П.М., Савельев А.Б., Ткаля Е.В., Чалых Р.А., Чутко О.В., "Возбуждение низколежащих ядерных уровней в нерелятивистской плотной лазерной плазме", Квантовая Электроника. 26,55 (1999).

24. Ахманов С.А., "Сверхсильные световые поля в нелинейной оптике, физике плазмы, техники рентгеновских источников", Итоги науки и техники. Серия "Современные проблемы лазерной физики", 4, 5, ВИН ИТИ, М. (1991).

25. Андреев А.А., ЯшинВ.Е., Чарухчев А.В., "Генерация жесткого рентгеновского излучения и быстрых частиц мультитераваттными лазерными импульсами", УФН. 169,72 (1999).

26. Гамалий Е.Г., Киселев А.Е., Тихончук В.Т., "Нагрев плазмы ультракоротким импульсом света", Препринт ФИАН, Москва (1990).

27. Андреев A.A., Гамалий Е.Г., Новиков B.H., и др., "Нагрев плотной плазмы сверхкоротким лазерным импульсом в режиме аномального скин-эффекта", ЖЭТФ. 101,1808 (1992).

28. Forslund D.W., Kindel J.M., Lee К., "Theory and simulation of resonant absorption in a hot plasma", Phvs. Rev. A, 11,679 (1975).

29. Forslund D.W., Kindel J.M., Lee K., "Theory of hot electron spectra at high laser intensity", Phvs. Rev. Lett. 39, 284(1977).

30. Brunei F., "Not-so-resonant, resonant absorption", Phvs. Rev. Lett. 59,52 (1987).

31. Gibbon P., Bell A.R. "Collisionless absorption in sharp-edged plasmas", Phvs. Rev. Lett. 68,1535 (1992).

32. Meyerhofer D.D., Chen H., Delettrez J.A., et al, "Resonate absorption in high-intensity contrast, picosecond laser plasma interaction", Phvs. Fluids B. 5,2584 (1993).

33. Андреев A.A., Запысов А.И., Чарухчев A.B., Яшин В.Е., "Генерация рентгеновского излучения и быстрых частиц высокоинтенсивными лазерными импульсами", Известия АН серия физическая, 63, 1237 (1999).

34. Chen L.M. Zhang J., Dong Q.L., Teng H., Liang T.J., Zhao L.Z., Wei Z.Y., "Hot electron generation via vacuum heating process in femtosecond laser-solid interaction", Phvs. Plasmas. 8,2925 (2001).

35. Soom В., Chen H., Fisher Y., Meyerhofer D.D. "Strong Ka emission in picosecond laser-plasma interactions", J. Appl. Phvs. 74, 5372 (1993).

36. Rousse A., Audebert P., Geindre J.P., Fallfes F., Gauthier J.C., "Efficient Ka X-ray source from femtosecond laser-produced plasmas", Phvs. Rev. E. 50,2200 (1994).

37. Басов Н.Г., Захаренков Ю.А., Рупасов A.A., Склизков Г.В., Шиканов А.С., "Диагностика плотной плазмы", под. ред. Н.Г.Басова, М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 368 с. (1989).

38. Михеев П.М., "Генерация жесткого некогерентного рентгеновского излучения и возбуждение ядер в высокотемпературной фемтбсекундной лазерной плазме", Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва (1999).

39. Reintjes J.F., Lee T.N., Eckardt R.C., "Interferometric study of laser-produced plasmas", J. Appl. Phvs. 47,4457 (1976).

40. Bakaev V.G., Batani D., Krasnyuk I.A., "Hydrodynamics of high-energy Garpun KrF laser interaction with solid and thin film targets in ambient air", J. Phvs. D: Appl. Phvs. 38,2031 (2005).

41. Агранат М.Б., Анисимов С.И., АшитковС.И., Овчинников A.B., Кондратенко П.С., Ситников Д.С., Фортов В.Е., "О механизме поглощения фемтосекундных лазерных импульсов при плавлении и абляции Si и GaAs ", Письма в ЖЭТФ. 83,592 (2006).

42. Касьянов Ю.С., Коробкин В.В., Пашинин П.П., Прохоров A.M., Чевокин В.К., Щелев М.Я., "Исследование излучения лазерной плазмы в рентгеновском диапазоне", Письма ЖЭТФ. 20,719 (1974).

43. Касьянов Ю.С., МазингМ.А., Чевокин В.К., Шевелько А.П., "Исследование временного хода рентгеновского спектра алюминиевой лазерной плазмы", Письма ЖЭТФ. 25,373 (1977).

44. Волков Р.В., Гордиенко В.М., Джиджоев М.С., Жуков М.А., Михеев П.М., Савельев А.Б., Шашков А.А., "Управление свойствами и диагностика фемтосекундной плотной плазмы с использованием модифицированных мишеней", Квантовая Электроника. 24,1114 (1997).

45. Badziak J., Woryna W., Parys P., Platonov K, Jablonski S., Rye L., Vankov A., Wolowski J., "Fast proton generation from ultrashort laser pulse interaction with double-layer foil targets", Phvs. Rev. Lett. 87,215001 (2001).

46. Li Y.T., Zhang J., Chen L.M., Mu Y.F., Liang T.J., Wei Z.Y., Dong Q.L., Chen Z.L., Teng H., et al, "Hot electron in the interaction of femtosecond laser pulses with foil targets at a moderate laser intensity", Phvs. Rev. E. 64,046407(2001).

47. Chutko O.V., Gordienko V.M., Lachko I.M., Mar'in B.V., Savel'ev A.B., Volkov R.V., "High-energy negative ions from expansion of high-temperature femtosecond laser plasma", Appl. Phvs. B. 77, 831 (2003).

48. Gordienko V.M., Lachko I.M., Rusanov A.A., Savel'ev A.B., Uryupina D.S., Volkov R.V., "Enhanced production of fast multi-charged ions from plasmas formed at cleaned surface by femtosecond laser pulse", Appl. Phvs. B. 80,733 (2005).

49. Chutko О.V., Gordienko V.M., Lachko I.M., Savel'ev A.B., Volkov R.V., "High-energy negative ion formation in the femtosecond laser plasma plume owing to charge exchange with residual gas molecules", Laser Physics. 14,455 (2004).

50. Uryupina D.S., Gordienko V.M., Lachko I.M., Rusanov A.A., Savel'ev A.B., Volkov R.V., "On the origin of fast multi-charged ions from femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities", Proc. SPIE. . (2006), ICONO/LAT-2005 // to be published.

51. Gamaly E.G., "Ultrashort powerful laser-matter interactions: physical problems, models and computations", Laser and Particle Beams. 12, 185 (1993).

52. Коротеев Н.И., Шумай И.Л., "Физика мощного лазерного излучения", М:. Наука (1991).

53. Rosen M.D., "Scaling laws for femtosecond laser plasma interactions", SPIE Proc. 1229, 160 (1990).

54. Andreev N.E., Fortov F.E., Kostin V.V., Veisman M.E., "Heating of the solid targets by ultrashort intense laser pulses", SPIE Proc. 2770, 115 (1990).

55. Kruel W.L., EstabrookK., "Laser light absorption due to self-generated magnetic field", Phvs. Fluids. 20, 1688 (1977).

56. Bastiani S., Audebert P., Geindre J.P., Schlegel Th., Gauthier J.C., "Hot-electron distribution functions in a sub-picosecond laser interaction with solid targets of varying initial gradient scale lengths", Phvs. Rev. E. 60, 3439 (1999). f.

57. Watanabe J.K., Gibson U.J., "Excimer laser cleaning and processing of Si(ioo) substrates in ultrahigh vacuum and reactive gases", J. Vac. Sci. Technol. A. 10,823 (1992).

58. Salzmann D., Krumbein A., "Calculation of X-ray production rate and ionization-state density in hot aluminum plasma", J. ApdI. Phvs. 49,3229 (1978).

59. Henkelmann Т., Sellmair J., Korschinek G., "The Munich laser-ion source: Recent results", Nucl. Instr. Meth. Phvs. B. 56/57.1152(1991).

60. Kuznetsonv N.M., Raizer Yu.P., Priklad. Mekhan. Tech. Fiz. 4,10 (1965).

61. Tallents G.J., "An experimental study of recombination in a laser-produced plasma", Plasma Phvs. 22, 709 (1980).

62. Зельдович Я.Б., Райзер Ю.П., "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений", М„ Наука, (1966).

63. Русанов А.А., "Ионизация и рекомбинация в расширяющейся плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом", Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва (2005).

64. Stoian R., Rosenfeld A., Ashkenasi D., Hertel I.V., Bulgakova N.M., Campbell E.E.B., "Surface charging and impulsive ion ejection during ultrashort pulsed laser ablation", Phvs. Rev. Lett. 88,097603 (2002).

65. Прохоров A.M., Алексеев Д.М., Балдин A.M., Бонч-Бруевич A.M., Боровик-Романов А.С., и др., "Физии-ческая энциклопедия", гл ред. Прохоров А.М., М.: Сов. Энциклопедия. (1988).

66. Сысоев А.А., Чупахин М.С., "Введение в масс-спектрометрию", М.: Атомиздат, с.304 (1977).

67. Slivinsky V.W., Ahlstrom H.G., Tirsell K.G., Larsen J., Glaros S., Zimmerman G., Shay H., "Measurement of the ion temperature in laser-driven fusion", Phvs. Rev. Lett. 35,001083 (1975).

68. Shiraga H., Moshizuki Т., "Annual progress report on laser fusion program", 1LE, 1981, p.67 (1979).

69. Slater D.C., Mayer F.J., "Laser interaction and related plasma phenomena", N.Y.: Plenum Press. 4B, 603 (1977).

70. Wabnitz H., Bittner L., de Castro A.R.B., DOhrmann R., GUrtler P., et al, "Multiple ionization of atom clusters by intense soft X-rays from a free-electron laser", Nature. 420,482 (2002).

71. Cano G.L., "Secondary electron emission from Au, Mo, and CuBe by high-charge-number laser-produced metal ions", J. Appl. Phvs. 44,5293 (1973).

72. Begay F., Forslund D.W., "Acceleration of multi-species ions in CO2 laser-produced plasmas: experiments and theory", Phvs. Fluids. 25,1675 (1982).

73. Ter-Avetisyan S., Nickles P.V., "Ion acceleration at the front and rear sides of thin foils with a high intensity 40fs laser pulses", Письма в ЖЭТФ. 83,246 (2006).

74. Ter-Avetisyan S., SchnuM., Nickles P.V., Kalashnikov M., RisseE., SokollikT., SandnerW., Andreev A., Tikhonchuk V., "Quasimonoenergetic deuteron bursts produced by ultraintense laser pulses", Phvs. Rev. Lett. 96,145006 (2006).

75. Kucerovsky D., Kucerovsky Z., "Analysis of the dynamic Faraday cup", J. Phvs. D: Appl. Phvs. 36, 2407 (2003).

76. Sosolik C.E., Lavery A.C., Dahl E.B., Cooper B.H., "A technique for accurate measurements of ion beam current density using a Faraday cup", Rev. Sci. Instrum. 71,3326 (2000).

77. Stockli M.P., FryD., "Analog gain of microchannel plates for 1.5-154 keV/q Ar q+(3<q<16)", Rev. Sci. Instrum., 68,3053 (1997).

78. Керков X., Марьин Б.В., Петухов В.П., Рубинштейн И.А., Штолле Р., "Импульсный метод определения эффективности каналовых электронных умножителей", Приборы и Техника Эксперимента. 1,89 (1996).

79. Кильпио А.В., Киселев Н.Г., Пашинин П.П. Рудской И.В., Шарков Б.Ю., Шашков Е.В., Шумшуров А.В., "Исследование энергетических спектров многозарядных ионов Ti из лазерной плазмы", Квантовая электроника. 35,638 (2005).

80. Thum-Jaeger A., SinhaB.K., RohrK.P., "Time of flight measurements on ion-velocity distribution and anisotropy of ion temperatures in laser plasmas", Phvs. Rev. E. 63,016405 (2000).

81. Wiza J.L., "MicroChannel plate detectors", Nucl. Instr. Meth. 162,587 (1979).

82. Wurz P., Gubler L., "Fast microchannel plate detectors for particles", Rev. Sci. Instrum. 67,1790 (1996).

83. Stier P.M., Barnett C.F., "Charge exchange cross-sections of H ions in gases", Phvs. Rev. 103,896 (1956).

84. Williams J. F., "Single and double electron loss cross section for 2-50-keV Hr ions incident upon hydrogen and the inert gases", Phvs. Rev. 154,9 (1967).

85. Фогель Я.М., Митин P.B., "Образование отрицательных ионов водорода при столкновениях протонов с молекулами газов", ЖЭТФ. 30,450 (1956).

86. Пилипенко Д.В., Фогель Я.М., "Захват и потеря электрона при прохождении быстрых атомов водорода в молекулярных газах", ЖЭТФ. 42,936 (1962).

87. Фогель Я.М., Анкудинов В.А., Пилипенко Д.В., "Захват и потеря электрона при столкновениях быстрых атомов углерода и кислорода с молекулами газов", ЖЭТФ. 35,868 (1958).

88. Andreev А.А., Limpounch J., Semakhin A.N., Bull. Russ. Acad. Sci. 58, 1056 (1994).

89. Волков P.B., Гордиенко B.M., Михеев П.М., Савельев А.Б., "Влияние атомного состава мишени на выход жесткого некогерентного рентгеновского излучения из фемтосекундной лазерной плазмы", Квантовая электроника. 30,896 (2000).

90. Murnane М.М., Falcone R.W., "High-power femtosecond DYE-laser system", JOSA B. 5, 1573 (1988).

91. Репу M.D., LandenO.L., "Design and performance of a high-power, synchronized Nd:YAG-DYE laser system", Optics Lett. 14,42 (1989).

92. Lachko I.M., Kalashnikov M.P., "Characterization of the temporal contrast of a front end of a multi-terawatt Ti:sapphire laser", Technical digest ICONO/LAT-2005, May 11-15, 2005, St. Petersburg, Russia, LThD4, Reg. N: LAT-922.

93. Siller L., Sieger M.T., Orlando T.M., "Electron-stimulated desorption of D20 coadsorbed with C02 ice at VUV and EUV energies". J. Chemical Phvs. 118. 8898 (2003).

94. Zhang P., He J.T., Chen D.B., Li Z.H., Zhang Y., Bian J.G., Wang L., Li Z.L., et al, "Effect of a prepulse on g-ray radiation produced by a femtosecond laser with only 5-mJ energy", Phvs. Rev. E. 57, R3746 (1998).

95. Kmetec J.D., "Ultrafast laser generation of hard X-rays", IEEE J. Quantum Electron. 28,2382 (1992).

96. Гинзбург B.J1., "Распространение электромагнитных волн в плазме", М.: Наука, (1967).

97. Агранат М.Б., Андреев Н.Е, Ашитков С.И, Овчинников А.В, Ситников Д.С, Фортов В.Е, Шевелько А.П, "Генерация рентгеновского характеристического излучения с помощью тераваттного фемтосекундного хром-форстеритового лазера", Письма в ЖЭТФ. 83, 80 (2006).

98. Izawa Y., YamanakaC., "Production of 235Ura by nuclear excitation by electron transition in a laser produced uranium plasma", Phvs. Lett. B. 88,59 (1979).

99. Андреев A.B., Гордиенко B.M., Дыхне A.M., Савельев А.Б., и др., "Возбуждение ядер в горячей плотной плазме: к возможности экспериментальных исследований с 201Hg", Письма в ЖЭТФ. 66,312 (1997).

100. Андреев А.В., Волков Р.В., Гордиенко В.М., Дыхне A.M., Михеев П.М., Савельев А.Б., ТкаляЕ.В., Чутко О.В., ШашковА.А., "Возбуждение ядер Тантапа-181 в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме", Письма ЖЭТФ. 69,343 (1999).

101. Rusanov А.А., Savel'ev А.В., "Numerical simulation of the evolution of high-temperature dense plasma generated by a femtosecond laser pulse", Laser Physics. 14, 1466 (2004).

102. Maksimchuk A., Gu S., Flippo K., Umstadter D., Bychenkov V.Yu., "Forward ion acceleration in thin films driven by a high-intensity laser", Phvs. Rev. Lett. 84,4108 (2000).

103. Korschinek G., Henkelmann Т., "Generation of extremely dense negative ion current by means of a laser", Nucl. Instr. Meth. Phvs. A. 302.376 (19911.

104. Korschinek G., Henkelmann Т., "Negative ions generated by laser-material interaction", Rev. Sci. Instrum. 63, 2672(1992).

105. Henkelmann Т., Korschinek G., PaulM., "Dense negative ion current from laser produced plasma", Rev. Sci. Instrum. 65.1182(1994).

106. Смирнов Б.М., "Отрицательные ионы", M.: Атомиздат, (1973).

107. Латышев С.В., "Потенциальные возможности лазерной плазмы как источника отрицательных ионов", ЖТФ. 67. 117(1997).

108. Быковский Ю.А., РоманюкВ.И., Сильное С.М., "Отрицательные ионы лазерной плазмы", Письма в ЖТФ. 14,927(1988).

109. Фогель Я.М., Анкудинов В. А., Слабоспицкий Р.Е., ЖЭТФ. 5,382 (1957).

110. Фогель Я.М., Анкудинов В.А., Пилипенко Д.В., "Захват и потеря электрона при столкновениях быстрых атомов Не, В и F с молекулами газа" ЖЭТФ. 11,18 (1960).

111. Фогель Я.М., Митин Р.В., Козлов В.Ф., Ромашко Н.Д., ЖЭТФ. 9,390 (1959).

112. Kusakabe Т., Asahina К., Gu J.-P., et al., Phvs. Rev. A. 62,062714 (2000).

113. Dimov G.I., "Use of hydrogen negative ions in particle accelerators", Rev. Sci. Instrum. 67,3393 (1996).

114. Wijesundera W.P., Litherland A.E., "A theoretical study of some negative ions of interest to accelerator mass spectrometry", Nuc. Inst. Meth. Phvs. B. 123,527 (1997).

115. Hegelich M., Karsch S., Pretzler G., Habs D., Witte K., et al, "MeV ion jets from short-pulse-laser interaction with thin foils", Phvs. Rev. Lett. 89,85002 (2002).

116. Gitomer S.J., Jones R.D., BegayF., EhlerA.W., KephartJ.F., KristalR., "Fast ions and hot electrons in the laser-plasma interaction", Phvs. Fluids. 29,2679 (1986).

117. Zheng Y.W., Luk'yanchuk B.S., Lu Y.F., Song W.D., Mai Z.H., "Dry laser cleaning of particles from solid substrates: experiments and theory", J. Appl. Phvs. 90,2135 (2001).

118. Lu Y.F., Zheng Y.W., Song W.D., "Laser induced removal of spherical particles from silicon wafers", J. Appl. Phvs. 87, 1534 (2000).

119. Агеев В.П., Горбунов A.A., Данилов В.П., и др., Квантовая электроника. 10,2451 (1983).

120. Физические величины, Справочник под ред. Григорьева И.С., Мейлихова Е.З., -М.; Энергоатомиздат, с.378—391 (1991).

121. Тубольцев B.C., Черныш B.C., Куликаускас B.C., "Эффект массы бомбардирующих ионов в распылении сплавов", Письма в ЖЭТФ. 63, 507 (1996).

122. Chernysh V.S., Eckstein W., Haidarov А.А., Kulikauskas V.S., Mashkova E.S., Molchanov V.A., "Sputtering mechanisms of polycrystalline platinum by low energy ions", Nucl. Instr. Meth. Phvs. B. 160,221 (2000).