Формирование быстрых ионов из твердотельной плазмы, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи

Урюпина Дарья Сергеевна

ФОРМИРОВАНИЕ БЫСТРЫХ ИОНОВ ИЗ ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПЛАЗМЫ, СОЗДАННОЙ ВЫСОКОКОНТРАСТНЫМ ФЕМТОСЕКУНДНЫМ ЛАЗЕРНЫМ ИМПУЛЬСОМ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 2006

Работа выполнена 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, профессор

Крайнов Владимир Павлович

Защита состоится 19 октября 2006 г. в 1600 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, КНО, аудитория им. С.А. Ахманова.

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

Автореферат разослан « ТО » сентября 2006

кандидат физико-математических наук Кильпио Александр Владимирович

Ведущая организация:

Институт прикладной физики РАН

диссертационного совета Д 501.ОС кандидат физ.-мат. наук, доцент

Ученый секретарь

Т.М. Ильинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Плазма, формируемая на поверхности твердотельной мишени мощным фемтосекундным лазерным импульсом (ФЛИ) с высоким контрастом, является уникальным источником быстрых иопов. Основной интерес в изучении ионных токов плазмы связан с возможностью создания пучков ионов, которые могли бы использоваться в задачах имплантации ионов, напыления тонких пленок, для быстрого инициирования ядерной реакции в плазме, в медицинских целях (например, для протонной терапии раковых опухолей) и т.д. Кроме того, исследуя ионные токи, можно получить информацию о параметрах сформированной плазмы (например, можно оценить среднюю энергию электронов в плазме, заряд ионов и пр.).

По мере развития лазерной техники длительность лазерного импульса уменьшалась, что приводило к повышению интенсивности. Изменение параметров лазерного импульса существенным образом влияет на свойства формируемой плазмы и, в конечном счете, на ионный ток плазмы. При воздействии наносекундных и пикосекундных импульсов с интенсивностью до 1014-1015 Вт/см2 за время действия лазерного импульса успевает сформироваться равновесная плазма, электроны которой обладают максвелловским распределением по скоростям. Ускорение ионов в такой плазме происходит благодаря амбиполярному полю, формирующемуся на границе плазма-вакуум между электронами и ионами. При этом, электроны набирают энергию в результате столкновительного механизма поглощения лазерного импульса и разлетаются из плазмы в широкий телесный угол. Пространственное распределение ионов тоже оказывается очень широким. С увеличением интенсивности лазерного импульса от 1015 Вт/см2 появляются дополнительные эффекты, приводящие к изменениям в энергетическом спектре ионов. В первую очередь, это связано с генерацией горячих электронов в плазме. Горячие электроны ускоряются непосредственно самим полем лазерного импульса и формируются в поверхностном слое плазмы. Основные механизмы генерации горячих электронов это: резонансное поглощение, вакуумный нагрев, пондеромоторное ускорение и т.д. Ускорение горячих электронов происходит преимущественно в направлении нормали к поверхности мишени, поэтому они вылетают из плазмы в одном направлении и телесный угол их разлета значительно уж£, чем при столкновительном нагреве. Ионы, ускоряясь такими электронами, также разлетаются в узкий телесный угол преимущественно по нормали к поверхности мишени.

В то же время, модификация физических свойств поверхности мишени позволяет управлять атомным и ионным составом разлетающейся плазмы. Известно, что даже на поверхности обычной твердотельной мишени находится слой окисла, воды и углеводородов. Толщина такого слоя сравнима с глубиной скин-слоя. В случае плазмы, образованной ФЛИ, это обстоятельство в значительной степени определяет энергию, заряд и атомный номер ионов. Поскольку горячие электроны формируются в скин-слое, то до значительных энергий ускоряются ионы поверхностных загрязнений, главным образом протоны. Ионы основного вещества мишени ускоряются преимущественно тепловыми электронами и приобретают меньшие энергии на единицу заряда. Ситуация изменяется, если поверхность мишени очищена от слоя загрязнений. Для очистки поверхности мишени обычно используют резистивный нагрев, ионное распыление или импульсную лазерную очистку. Недостатком резистивного метода очистки мишени является невозможность удаления окисного слоя, так как обычно температура плавления окислов превышает температуру плавления самого вещества. Кроме того, при таком методе необходимо использовать токопроводящую мишень или мишень с токопроводящей подложкой. Очистка поверхности мишени ионным пучком или лазерным импульсом позволяет использовать в экспериментах мишень любого типа (металлы, полупроводники и диэлектрики). Также, лазерная очистка позволяет локально

нагреть мишень до температур, обеспечивающих удаление не только углеводородов и воды, но и окисного слоя. Изменяя качество очистки поверхности мишени от слоя загрязнений, можно управлять максимальной энергией ионов основного вещества мишени. Помимо этого, в поверхностном слое мишени, благодаря более высокой температуре тепловых электронов и более низкой концентрации плазмы, ионизация происходит эффективнее. То есть изменение толщины примесного слоя дает возможность управления зарядом ионов. Большинство экспериментов до настоящего времени проводились с использованием мишеней с поверхностью, не подвергнутой предварительной очистке. Это в значительной степени затрудняет понимание физических процессов происходящих в плазме ФЛИ.

Обычно в экспериментах с плазмой ФЛИ используются различные твердотельные мишени, кластеры, микрокапли и струи. Однако, можно использовать и жидкость. Это может быть заманчиво, прежде всего, тем, что жидкую мишень не надо ни сдвигать, ни обновлять после каждого лазерного выстрела. Такая ситуация значительно облегчает конструирование возможных источников частиц и излучения из плазмы. Понятно, что если время восстановления поверхности жидкости после воздействия лазерного импульса достаточно мало, то это позволит использовать такую мишень в экспериментах с высокой частотой повторения лазерных импульсов.

К настоящему моменту существует ограниченное число работ, в которых проводились исследования плазмы, формируемой лазерным импульсом на поверхности жидкости. В частности, измерялся спектр тормозного рентгеновского излучения из плазмы, формируемой на поверхности воды единичным лазерным импульсом и «мульти-импульсом» (последовательность лазерных импульсов, отделенных друг от друга временным интервалом в 10 не). Частота повторения лазерных импульсов в данных экспериментах была 10 Гц. Было обнаружено, что при воздействии «мульти-импульсом» появляется более жесткое рентгеновское излучение по сравнению с режимом единичных лазерных импульсов. Такое увеличение энергии рентгеновских квантов было связано с появлением микрокапель в случае «мульти-импульса». Исследовалось также взаимодействие лазерных импульсов, следующих с частотой 2 кГц со свободной поверхностью ртути. Однако, в опубликованных работах нет данных касательно динамики рентгеновского излучения в зависимости от номера лазерного импульса и т.п. Необходимо отметить, что все перечисленные эксперименты проводились в атмосфере окружающего воздуха при атмосферном давлении, что, по-видимому, существенно снижало эффективность генерации рентгеновского излучения за счет неизбежных потерь в результате ионизации приповерхностного воздушного слоя. Существует также ряд работ по изучению плазмы, образующейся на поверхности жидкости при воздействии пикосекундными и фемтосекундными импульсами с интенсивностью до 10° Вт/см2, а также по наблюдению ударных волн, образующихся в области пробоя.

Для получения ионов с большой энергией значительный интерес представляет использование лазерных импульсов с высоким контрастом. В случае, когда лазерный импульс обладает пьедесталом или предымпульсом с интенсивностью выше 10!О-10" Вт/см2 на поверхности мишени формируется предплазма и поглощение основного импульса происходит уже не на резкой границе мишень-вакуум, а на границе со спадающим градиентом плотности плазмы. Наиболее частые причины плохого контраста лазерного импульса это усиленная спонтанная люминесценция, несогласованность решеток компрессора и т.п. Энергии ионов, ускоряющихся в плазме с низкой плотностью ниже, чем в твердотельной плазме. Это происходит от того, что из-за размытости границы плазма-вакуум не происходит четкого разделения электронов и ионов в пространстве и электростатическое поле между электронами и ионами не достигает значительных величин для эффективного ускорения ионов. Для лазерного импульса с интенсивностью ~1016 Вт/см2 (Те~200эВ,

Пе~5-1023 см"3) на резкой границе плазма-вакуум амбиполярное поле может достигать ~2-10шВ/м. Помимо более низкой энергии, ионы в плазме, сформированной лазерным импульсом с низким контрастом, обладают и более низким зарядом, так как ионизация происходит в плазме с более низкой плотностью и температурой электронов. Таким образом, необходимым условием для получения ионов с большой энергией и зарядом является наличие лазерного импульса с высоким контрастом, обеспечивающего формирование высокотемпературной твердотельной плазмы.

Одновременно с развитием лазерной техники происходило развитие аналитических и численных моделей, описывающих разлет ионов. Впервые задача разлета плазмы была рассмотрена около 40 лет назад. Было получено автомодельное решение для случая гидродинамического разлета изотермической плазмы с максвелловским распределением электронов и одним сортом ионов. В дальнейшем модель модифицировалась с учетом нескольких сортов ионов и для более сложных распределений электронов (би-максвелловское, супергауссовское и др.). Проводились также численные решения системы гидродинамических уравнений. Позже появились аналитические модели, в которых решаются кинетические уравнения для электронов и ионов. В последнее десятилетие появилось большое количество работ, исследующих ускорение ионов с помощью метода частиц в ячейке (PIC (particle-in-cell) кода). И хотя моделирование плазмы с помощью PIC кода в основном касается бесстолкновительной плазмы, формируемой лазерным импульсом с интенсивностью от 1018-1019 Вт/см2 и выше, существует небольшое количество работ, в которых с помощью PIC кода исследовался разлет ионов и при умеренных интенсивностях лазерного импульса (от 101бВт/см2). Расчёт разлёта плазмы позволяет установить соответствие между параметрами плазмы в момент начала её разлёта и параметрами электронов и ионов, регистрируемых на более поздних временах вдали от плазмы.

Цели диссертационной работы

1. Измерение и анализ особенностей зарядовых и энергетических спектров ионов из плазмы, созданной высококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см2 на поверхности твердотельной мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисных загрязнений.

2. Построение методики оценки средней энергии горячих электронов на основе аппроксимации сигнала от протонов во времяпролетном ионном токе аналитическими зависимостями.

3. Анализ особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 с поверхностью жидкости и исследование параметров формирующейся плазмы.

Научная новизна

1. Продемонстрировано, что в плазме кремния и вольфрама, формируемой на поверхности мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисных загрязнений дополнительным наносекундным лазерным импульсом, существенно увеличивается заряд и энергия ионов основного вещества мишени. В случае мишени из вольфрама были зарегистрированы ионы с зарядом от 1+ до 29+, при этом энергия ионов достигала 1 МэВ при интенсивности лазерного импульса около 2.5-10ls Вт/см2. В плазме, формируемой па неочищенной мишени при тех же параметрах лазерного импульса, заряд ионов вольфрама достигал лишь 5+, а их энергия не превышала 150 кэВ.

2. Предложена последовательная физическая картина появления в плазме, созданной высококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см3, быстрых ионов с большим зарядом. Быстрые ионы вылетают из поверхностного слоя мишени, ускоряясь горячими электронами. Благодаря тому, что в поверхностном слое плазмы температура тепловых электронов выше, чем в глубине мишени, а концентрация плазмы ниже, ионы ионизуются эффективнее, чем в более глубокой твердотельной области плазмы. Это приводит к тому, что средний заряд быстрых ионов значительно превышает средний заряд медленных ионов. Дополнительное влияние на заряд иолов может оказывать ударная ионизация в присутствии амбиполярного поля, а также надбарьерная ионизация амбиполярным полем. В результате формируется небольшое количество ионов с зарядом, превышающим равновесные значения. Разлетаясь с высокой скоростью и в облаке плазмы с низкой концентрацией, быстрые ионы практически не испытывают рекомбинации в плазме, но несильно рекомбшшруют в результате столкновений с молекулами остаточного газа в камере взаимодействия. На основе данной картины получили объяснение основные особенности зарядовых и энергетических спектров быстрых ионов вольфрама и кремния: существенное увеличение средней энергии и среднего заряда быстрых ионов, появление ионов с аномально высокой кратностью ионизации.

3. Предложена методика оценки средней энергии горячих электронов в плазме, основанная на аппроксимации экспериментально измеренного времяпролетного ионного тока плазмы аналитической зависимостью. Аналитическая зависимость строится на основе адиабатической модели разлета плазмы с учетом нелинейности отклика детектора ионов. Экспериментально продемонстрировано, что оценки для средней энергии горячих электронов, полученные с помощью используемой ранее рентгеновской методики, совпадают с оценками, полученными на основе ионной методики, развитой в рамках настоящей работы.

4. На примере мишеней из вакуумного масла ВМ-1 и галлия экспериментально продемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенных паров может быть использована в качестве мишени для формирования твердотельной плазмы ФЛИ. Экспериментально продемонстрировано, что плазма, формируемая на мишени из жидкого галлия, может быть использована для создания стабильного источника рентгеновского излучения с частотой повторения импульсов 10 Гц.

Практическая ценность

Полученные в работе результаты демонстрируют возможность использования плазмы ФЛИ, созданной на мишени, подвергнутой предварительной очистке, для формирования высокоэнергетичных тяжелых ионов с широким зарядовым спектром, а также для формирования пучков легких ионов с энергиями, лежащими в узком спектральном диапазоне.

Использование в качестве мишени для формирования плазмы ФЛИ свободной поверхности жидкости открывает возможность создания источников рентгеновского излучения, быстрых ионов, у-квантов, нейтронов и т.п. с высокой частотой повторения импульсов. Самообновление поверхности мишени позволяет значительно реже, по сравнению с твердотельными мишенями, сдвигать мишень. Кроме того, поверхность жидкости может быть использована многократно (так как на ней не образуется кратеров), что значительно увеличивает ресурс по количеству выстрелов.

В целом подходы и методики, развитые в диссертационной работе, могут использоваться в таких областях, как физика плазмы и физика УТС для решения следующих прикладных и фундаментальных задач:

■ диагностика плотной плазмы;

■ создание источников тяжелых ионов с большим зарядом и энергией;

■ создание различных источников плазменных излучений и частиц с высокой частотой повторения импульсов.

Защищаемые положения

1. Импульсная лазерная очистка поверхности мишени от слоя углеводородных соединений и окислов (плотность энергии очищающего излучения 3 Дж/см2, опережение относительно фемтосекундпого импульса 100 мкс) приводит к существенному увеличению числа быстрых ионов основного вещества мишени и значительному увеличению среднего и максимального заряда быстрых ионов из плазмы, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищенной поверхности.

2. Наблюдаемые в экспериментах по воздействию высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищенную поверхность твердотельной мишени вольфрама и кремния зарядовый и энергетический спектры быстрых ионов основного вещества мишени определяются эффективной ударной ионизацией ионов тепловыми электронами в поверхностном слое плазмы и ускорением ионов за счет горячей электронной компоненты.

3. Твердотельная плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью ~1016 Вт/см2 на свободной поверхности жидкости с низким давлением насыщенного пара, является эффективным и стабильным источником жесткого некогерентного рентгеновского излучения и быстрых ионов.

4. Оценка средней энергии горячих электронов плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности твердотельной мишени, может быть получена путем аппроксимации времяпролетного сигнала ионного тока плазмы в рамках одномерной адиабатической модели разлета плазмы, состоящей из протонов и горячих электронов.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались автором на следующих научных конференциях: 2-ая международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2001» (Санкт-Петербург, Россия, 2001), девятая международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002» (Москва, Россия, 2002), международная конференция по квантовой электронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция по лазерной оптике Laser 0ptics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 3-ий международный симпозиум по сверхбыстрой и интенсивной лазерной науке ISUILS-3 (Палермо, Италия, 2004), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2005 (Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия, 2005), 4-ый симпозиум «Сложные системы заряженных частиц и их взаимодействие с электромагнитным излучением. Физика сложных систем.» (Москва, Россия, 2006), XII конференция но лазерной оптике Laser Optics-2006 (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международная школа по квантовой электронике «Вещество в сверх-ицтенсивных лазерных полях» (Эриче, Италия, 2006). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конференциях: 4-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2001 (Санкт-Петербург, Россия, 2001), международная конференция по

квантовой электронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция по лазерной оптике Laser Optics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 12-ый международный симпозиум по лазерной физики Laser Physics-2003 (Гамбург, Германия, 2003), 5-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2003 (Москва, Россия, 2003), 2-ая международная конференция «Рубежи нелинейной физики» (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2004), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (Caaicr-Петербург, Россия, 2005), конференция по лазерам и электрооптике CLEO/EUROPB 2005 (Мюнхен, Германия, 2005), 3-ий симпозиум «Плазма и ее взаимодействие с электромагнитным излучением» (Москва, Россия, 2005), 2-ой симпозиум по фотонике и лазерным технологиям (Каяни, Финляндия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физика NWP-2005 (Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия, 2005), российско-немецкий симпозиум по лазерной физике (Нижний Новгород, Россия, 2005).

По теме диссертации опубликовано 17 работ в рецензируемых научных изданиях, в том числе 7 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и 9 статей в сборниках и трудах конференций, 1 препринт и 21 тезис докладов.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов эксперимента с помощью существующих численных моделей, анализ теоретических моделей разлета ионов, а также интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 127 страницах, включает 55 рисунков, 2 таблицы и список литературы (общее число ссылок 119).

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, формулируются цели, задачи, научная новизна, практическая ценность, защищаемые положения, даётся краткая аннотация содержания глав.

Глава 1 является обзорной и посвящена рассмотрению основных характеристик ионов, формирующихся в плазме ФЛИ. В параграфе 1,1 рассматриваются основные свойства электронов и ионов, формирующихся в плазме, созданной высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности твердотельной мишепи. В частности, внимание уделяется механизмам поглощения энергии лазерного импульса, механизмам нагрева электронов в плазме, рассматриваются основные механизмы ионизации, заряд ионов и наиболее распространенные механизмы ускорения ионов в плазме. Отмечается, что в плазме, формируемой лазерным импульсом с умеренной интенсивностью, ионы с передней поверхности мишени ускоряются амбиполярным полем, формирующимся между электронами и ионами на границе плазма-вакуум. Кроме того, существенное влияние на энергию и заряд ионов основного вещества мишени оказывает наличие на поверхности мишени загрязняющего слоя из углеводородов и окислов. Толщина слоя загрязнений порядка толщины скин-слоя в плазме (~10 им). Наиболее эффективно в этом случае горячими электронами будут ускоряться легкие ионы примесей, обладающие наибольшим отношением заряда к массе. В первую очередь это будут протоны. Ионы основного вещества заряда по сравнению с протонами. Это указывает на то, что для получения высокоэнергетич-

амп. отн.ед.

—V.-' 1, отн.ед.

—ТД.-4 0,0

" Т/Г.=13.Э -0.2

ть-3 геВ

"Л,"0-1 -0.4

-0,6

■0,8

-1.0

30 35 40 Е , «эВ

---ТД.-1, »^„-0.1

-ТД.-4. V"."01

..........Т/Г^-й?, гуп^-О 1

--Т/Г»-«-7. V"."001

(6)

0,8 I, мкс ] 0

Рис. 1 Энергетические спектры (а) и времяпролетные спектры (б) протонов, получаемые < автомодельном решении.

ных ионов основного вещества мишени, необходимо использовать мишень, мишени, ускоряясь тепловыми электронами, приобретают значительно меньшие энергии на единицу очищенную от поверхностных загрязнений.

В параграфе 1.2 представлен обзор наиболее распространенных методик экспериментального исследования ионов, вылетающих из плазмы. В частности представлены времяпролетная методика, методика измерения энергетических спектров ионов с помощью электростатического спектрометра и спектрометра Томпсона, методика регистрации ионов при слиянии их с нейтральными атомами, методика использования радиохромпых пленок.

Параграф 1.3 посвящен более подробному рассмотрению ускорения ионов амбиполярным полем и рассмотрению возможности построения аналитической зависимости, описывающей времяпролетный сигнал ионов. Исходя из аппроксимации экспериментально измеренного времяпролетного сигнала ионов аналитической зависимостью, существует возможность оценить параметры электронной составляющей плазмы. В параграфе анализируются автомодельное решение одномерных гидродинамических уравнений разлета плазмы и решение, получаемое в рамках адиабатической модели разлёта плазмы. Данная модель отличается от автомодельного решения тем, что в ней решаются кинетические уравнения для электронов и ионов в плазме. Это позволяет учесть охлаждение электронов, связанное с перекачкой тепловой энергии электронов в кинетическую энергию ионов. На рисунке 1а представлены энергетические спектры ионов, получаемые в автомодельном решении для однотемпературной и для двухтемпературной функций распределения электронов. В случае двухтемпературной функции распределения в спектре можно различить две группы ионов: быстрые и медленные ионы. При этом, чем сильнее различие между температурами горячих и тепловых электронов, тем сильнее выражены быстрая и медленная ионные компоненты. При Тк/Тл >9.9 спектре ионов появляется «провал», то есть ионы с определенными энергиями отсутствуют. Адиабатическая модель не предсказывает появления «провалов». В реальности электроны в процессе ускорения ионов охлаждаются, что приводит к замыванию «провала». На рисунке 16 приведены рассчитанные времяпролетные ионные сигналы. Зависимости соответствуют расчету ускорения протонов электронами с однотемпературным и с двухтемпературным распределениями по энергиям. Наиболее важное наблюдение, которое можно сделать, глядя на этот рисунок, это то, что независимо от наличия тепловых электронов и независимо от температуры тепловых электронов пик в ионном токе, определяемый горячими электронами не изменяет своего положения во времени. Это говорит о том, что для оценки средней энергии горячих электро-

9

Рис. 2 Схема эксперимента: 1 - фемтосекундный лазерный импульс, 2 - наносекундный чистящий лазерный импульс, 3 - мишень (кристаллический кремний или вольфрам), 4 — электростатический масс-спектрометр, 5 - микроканальная пластина ВЭУ-7, 6 -диафрагма, 7 - рентгеновские детекторы на базе сцинтиллятора Nal(Tl) и ФЭУ-119, 8 -полосовые рентгеновские фильтры (Al, Be).

нов достаточно использовать решение для ионов ускоренных только горячими электронами.

В главе 2 представлены результаты экспериментов по исследованию зарядовых и энергетических спектров ионов, формирующихся в плазме на очищенных мишенях из кристаллического кремния и вольфрама фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью около 1016 Вт/см1. В этих условиях удалось получить ионы кремния с зарядом от 1+ до 12+ и ионы вольфрама с зарядом от 1+ до 29+ и энергией до 1 МэВ. Кроме того, в ионном токе присутствовали полностью ионизованные ионы углерода и кислорода. Потенциалы ионизации таких ионов превышают 800 эВ. Помимо этого, на основе сравнения экспериментальных результатов с результатами численного моделирования проанализированы основные закономерности ускорения и ионизации ионов в плазме.

В параграфе 2.1 рассматриваются особенности эксперимента, проводимого с использованием мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисных загрязнений. В частности, приводятся оценки для температуры нагрева мишени лазерным импульсом, времени остывания мишени после воздействия лазерного импульса и времени восстановления поверхпостных загрязнений в результате адсорбции молекул из окружающего мишень газа. Из оценок следует, что фемтосекундный импульс, формирующий плазму, должен приходить на поверхность мишени не ранее чем через 110 мкс после очищающего импульса, но и не позже чем через 3 мс. Экспериментально определенное время составило 100 мкс. В эксперименте проводились измерения энергетических спектров ионов из плазмы (см. схему эксперимента на рис.2). Поверхность мишени предварительно была очищена от слоя окислов, углеводородных соединений и паров воды с помощью воздействия дополнительным наносекувдным лазерным импульсом. В качестве мишеней были взяты кристаллический кремний и вольфрам. Для формирования плазмы использовался лазерный импульс, генерируемый фемтосекундной лазерной системой на красителе (Х-616пм, т=200фс, Е~500мкДж, [-2.5-1016 Вт/см2). Для удаления поверхностного слоя загрязнений мишень перед каждым выстрелом подвергалась воздействию лазерного импульса XeCl-эксимерного лазера (т=30 не, Е=10мДж, /.=308 нм, W= 3 Дж/см2). Для измерения ионных токов плазмы использовался электростатический

О I 2

Рис. 3 Типичные ионные кремния, зарегистрированные

3 1, мкс 4

токи из плазмы

при энергии иона на единиц заряда Ею^=5 кэВ. (а) -очищенная мишень, (б) — неочищенная мишень.

спектрометр. Одновременно с измерениями ионных токов в каждом лазерном выстреле проводились измерения выхода жесткого рентгеновского излучения в два различных спектральных диапазона (>6 кэВ и >10 кэВ).

В параграфе 2.2 представлены основные результаты экспериментов. Использование рентгеновской диагностики формируемой плазмы позволило сказать, что очистка мишени не приводит к значительным изменениям в механизмах формирования горячих электронов плазмы. Для кремниевой мишени конверсия энергии лазерного импульса в рентгеновское излучение с энергией кванта больше б кэВ и средняя энергия горячих электронов, и для случая очищенной мишени, и для мишени, не подвергнутой предварительной очистке, составили соответственно -4.5-10"5 % и 6.5±2.2 кэВ. В случае использования очищенной мишени ионный ток практически не содержит ионов примесей. Кроме. того, зарядовый спектр ионов кремния становится значительно шире, и появляются быстрые ионы (ускоренные горячими электронами) основного вещества мишени (см. рис. 3). Измерения ионных токов при различных напряжениях на спектрометре позволяют построить энергетические спектры всех регистрируемых ионов. На рисунке 4а представлено сравнение спектров иона 813+, получаемых при использовании неочищенной и очищенной мишеней. Легко заметить, что: 1) спектр ионов с энергиями до ~30 кэВ в обоих случаях одинаков; 2) в случае очищенной мишени присутствуют ионы, с энергиями более 30 кэВ. Исходя из аппроксимации энергетических спектров ионов экспоненциальной зависимостью показано, что все быстрые ионы, вылетающие из плазмы, обладают одинаковой в пределах ошибки энергией на единицу заряда, для медленных ионов энергия на единицу заряда убывает с ростом заряда. Это говорит о том, что медленные ионы рекомбинируют значительно в процессе разлета плазмы, а быстрые ионы либо не подвержены рекомбинации, либо для них скорость рекомбинации не зависит от скорости и заряда иона. Помимо этого в параграфе приводятся

1х104|

вми., отн.ед. Е

1x10

51 неочищенная мишень чистая мишень

, 41 ГШ* н

У.-*-

. ... м . »«»-'■.».

75 Е , кэВ 100

Рис. 4 (а) - Энергетические спектры иона 57 , получаемые при использовании очищенной мишени и мишени, не подвергнутой предварительной очистке. (6) - Энергетический спектр протонов в плазме на очищенной мишени. Линия нанесена для наглядности.

11

зарядовые, массовые и энергетические спектры ионов. Значительное внимание в параграфе 2.2 уделено рассмотрению амплитудных модуляций в энергетических спектрах лёгких ионов. Форма энергетических спектров примесных ионов существенно отличается от формы энергетических спектров ионов основного вещества мишени (см. рис. 46). В качестве объяснения приводятся два возможных механизма появления амплитудных модуляций. Пер вый механизм связав с пространственным разделением ионов, ускоряющихся тепловыми и горячими электронами с существенно разной температурой. Как показано для автомодельного решения задачи изотермического разлета плазмы, при отношении температур электронов Ть /ТЛ > 9.9 в энергетическом спектре ионов формируется провал (см. рис. 1а). В наших экспериментах Ть~4 кэВ, Т^-ЗОО эВ и такое условие выполняется. Второй возможный механизм появления глубоких модуляций связан с влиянием электростатического поля, формирующегося на фронте тяжелых ионов, на разлёт лёгких ионов. В результате, легкие ионы будут приобретать дополнительное ускорение, и выталкиваться из области фронта тяжелых ионов. Число легких ионов, летящих со скоростями около скорости фронта тяжелых ионов, будет мало.

В параграфе 2.3 проводится сравнение данных эксперимента с результатами численного моделирования и па основе этого предлагается последовательная картина формирования быстрых высокозаряженных ионов в плазме. При численном моделировании использовались два кода, созданных ранее. Первый код позволяет рассчитать динамику взаимодействия мощного короткого лазерного импульса с твердотельной мишенью. Код учитывает поглощение лазерного импульса на движущейся границе плазма-вакуум, кинетику ионизации и рекомбинации, спитцеровскую и баллистическую теплопроводность, гидродинамическое расширение плазмы и позволяет проследить динамику плазмы вплоть до времен порядка пикосекунды. Входными параметрами кода являются: интенсивность, длительность импульса, поляризация, длина волны лазерного импульса, угол падения излучения па мишень и атомный номер вещества мишени. Все вычисления, представленные в работе, были сделаны для входных параметров кода, соответствующих экспериментальным условиям. Для моделирования рекомбинации ионов в процессе последующего разлета плазмы использовался второй код, модифицированный с учетом геометрии плазменного факела. Данный код позволяет рассчитать гидродинамическое расширение плазмы в вакуум или в нейтральный газ па масштабах времени от нескольких пикосекунд до нескольких микросекунд. При этом учитывается кинетика ионизации и рекомбинации, теплопроводность и электрон-ионный тепловой обмен. В качестве входных параметров этого кода использовались пространственно-временные профили концентрации ионов, заряда ионов и температур электронов п ионов, полученные с помощью первого кода. Оба численных кода не учитывают наличие горячих электронов в плазме, однако, такое приближение не искажает сильно результаты моделирования, поскольку вклад горячих электронов в энергетический баланс плазмы не превышает одного процента для наших экспериментальных условий. Численный счет проводился как для плазмы кремния, так и для плазмы вольфрама. На рисунке 5 (плазма V/) представлены пространственные профили плотности ионов, температуры электронов, среднего заряда ионов и амплитуды электромагнитного поля в момент начала лазерного импульса (/=-200 фс), в момент максимума лазерного импульса 0=0) и после прохождения лазерного импульса (/=200 фс). Расчет производился для интенсивности лазерного импульса 2.5-1014 Вт/см2. Видно, что максимальные значения заряда ионов достигаются в приповерхностной области мишени, вблизи нулевой координаты. В этой же области плазмы, над поверхностью мишени, эффективно генерируются горячие электроны. Поэтому ионы, находящиеся в приповерхностной области мишени, в первую очередь будут ускоряться горячими электронами Ионы же, находящиеся в более глубоких

2, п.

25 20

10 см 10 5 О 25 20 15 10 5 О 25 20 15 10 5 О'

- 200 фс

— - - концентрация ионов средний заряд ионов

........температура электронов

пектромагшутное поле

1-0

Р=200 фС

'■У ...........

600 Е, отн.ед.

400 200

Т, эВ

0 600

400 200

0 600

400 200

-100

50

100х,нмш

Рис. 5 Пространственные профили концентрации ионов, температуры электронов, заряда ионов и амплитуды электромагнитного поля в плазме вольфрама в различные моменты времени.

250 200 150100-

50-

^.-22*—

........температура электронов

---- средний заряд ионов

концентрация ионов

(а)

' л^ 10 ст

21 г 1! 15 12 9 б 3

250 ч Т. зЗ

—— средний заряд ионов - - - - концентрация монов ........температура электронов

/ /

(6)

0,2

-0,2 0,0 0,2 0,4 0.6

10осм''

г

Рис. 6 Временные профили концентрации ионов, температуры электронов и заряда ионов в поверхностном слое плазмы вольфрама (х=0) (а) и в глубине мишени (х--50нм) (б).

слоях мишени, будут слабее чувствовать поле горячих электронов, и в основном будут ускоряться тепловыми электронами. Чтобы понять, каким должно быть зарядовое распределение ионов, ускоренных тепловыми и горячими электронами, рассматривается временная динамика п1т, Та, и 2 (см. рис. 6) в глубине плазмы (х=-50 нм) и на се поверхности (х=0). Для оценки зарядового распределения ионов использовалось уравнение Саха. В поверхностном слое плазмы, использовалось значение концентрации ионов равное 1,

для вольфрама и для кремния, а температура электронов бралась равной

среднему значению от временного профиля температуры (для вольфрама 7^=140 эВ, для кремния Г„=200 эВ). Помимо этого, средний заряд быстрых ионов, оцененный по формулам Саха, сравнивался со средним зарядом ионов в поверхностном слое плазмы, полученным в результате численного моделирования. Отмечается, что для плазмы вольфрама наблюдаются ионы с зарядами превышающий заряд, предсказываемый уравнениями Саха. В процессе разлета плазмы заряд ионов может значительно уменьшиться в результате их столкновений с электронами, ионами и атомами остаточного газа. Ионы, ускоренные горячими электронами, разлетаясь с высокой скоростью в облаке плазмы с низкой плотностью практически не испытывают рекомбинации в плазме, несильно их заряд уменьшается в результате столкно-

13

вений с молекулами остаточного газа в камере взаимодействия.

Для получения более полной картины были дополнительно проведены измерения зарядовых спектров ионов при 3-х меньших значениях интенсивности лазерного импульса: 1-Ю16 Вт/см2, 7-1015 Вт/см2 и 4-1015 Вт/см2. Показано, что расхождение расчетных и

экспериментальных зарядовых спектров быстрых ионов вольфрама сохраняется и при меньших интенсивностях лазерного импульса. Для объяснения наблюдаемого в эксперименте зарядового состава быстрых ионов необходимо подробнее рассмотреть возможные дополнительные механизмы ионизации ионов,

находящихся на границе плазма-вакуум. Этому посвящен параграф 2.4. Обычно предполагается, что ионизация в горячей плотной плазме, формируемой фемтосекундным импульсом умеренной интенсивности, происходит за счет соударений электронов и ионов в плазме. Однако, помимо ударной ионизации в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом, значительную роль может . играть ионизация внешним электрическим полем. Наибольшее влияние на процессы ионизации могут оказывать электромагнитное поле лазерного импульса и амбиполярное поле, формирующееся на резкой границе плазма-вакуум. Электромагнитное поле лазерного импульса с интенсивностью порядка 1016 Вт/см2 не превышает 5'10п В/м и оказывает влияние только на начальной стадии ионизации в плазме. Амбиполярное поле начинает влиять на ионизацию на более поздних временах жизни плазмы, в момент ее гидродинамического разлета. В наших экспериментальных условиях ("л/";* ~ 0.01, Та/Тк ~ 0.04) основной вклад в величину амбиполярного поля будут вносить тепловые электроны. При Те=200 эВ, пе=5-1023 см'3 амбиполярное поле достигает значений Еа„ь ~ 2 ■К)'2 В/м ( ЕатЬ ~ + пкТк) ) и способно ионизовать ионы вольфрама

вплоть до заряда 30+. Основным механизмом ионизации таких ионов является, по-видимому, ударная ионизация в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля. Существенный вклад, однако, может внести и прямая надпороговая ионизация этим полем. На рисунке 7 приведены оценочные зависимости максимального заряда ионов вольфрама, полученные при учете дополнительных механизмов ионизации. Наблюдается хорошее совпадение экспериментально наблюдаемого максимального заряда ионов с расчетом, полученным при последовательном учете ударной ионизации в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля, трёхчастичной рекомбинации в плазме и рекомбинации на атомах остаточного газа в камере взаимодействия.

В главе 3 представлены результаты экспериментов по исследованию плазмы, формируемой ФЛИ на свободной поверхности жидкости. Параграф 3.1 посвящен рассмотре-

Рис. 7 Зависимости максимального заряда ионов от интенсивности лазерного импульса: (0) - экспериментальные данные, (Л) -расчет с учетом влияния надбарьерной ионизации амбигюлярным полем, (V) - расчет с учетом влияния ударной ионизации в присутствии амбиполярного поля. (ЕЗ) — зависимость среднего заряда ионов от интенсивности лазерного импульса, рассчитанная с учетом ударной ионизации в плазме. Расчетные зависимости предоставлены A.A. Русановым.

0.8 С мкс 1,0

10 15 I, 101!Вт/см' 20

Рис. 8 (а) - Зависимость средней энергии горячих электронов от интенсивности (П-ВМ-1, ♦ - кремний). (6) - Ионный времяпролетный сигнал из плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1 (пиния 2 (*)), и из плазмы кремния (линия 1 (О)); аналитическая зависимость, соответствующая расчету разлета плазмы, состоящей из протонов и горячих электронов (линия 3).

нию основных требований, предъявляемых к веществу мишени, находящемуся в жидкой фазе. Для создания на поверхности мишени высокотемпературной лазерной плазмы и последующей эффективной генерации жёсткого рентгеновского излучения в диапазоне свыше 2 кэВ и быстрых ионов необходимо обеспечить интенсивность лазерного излучения свыше 1016 Вт/см2, Как следствие, жидкость должна обладать малым давлением насыщенных паров во избежание самовоздействия лазерного излучения и пробоя приповерхностного газового слоя. Немаловажными характеристиками жидкости так же являются вязкость, поверхностное натяжение и теплопроводность. Вязкость и поверхностное натяжение определяют скорость выравнивания поверхности после взаимодействия с лазерным импульсом, а теплопроводность скорость остывания области воздействия. Оба этих момента становятся принципиально важными при использовании в экспериментах излучения лазерных систем, работающих в импульсно-периодических режимах с высокой частотой повторения импульсов. После анализа физических свойств значительного количества жидкостей органического и неорганического происхождения было заключено, что для экспериментов с лазерной плазмой наиболее подходят жидкие металлы, некоторые сплавы (например, свинец с висмутом), вакуумные масла, глицерин, этиленгликоль и валериановые кислоты. Окончательно, в качестве вещества мишени были выбраны вакуумное масло ВМ-1 и галлий. Целью экспериментов, проводимых с использованием мишени из ВМ-1, было показать, что параметры плазмы, формируемой на поверхности жидкости, не отличаются от плазмы, формируемой на поверхности твердотельной мишени. Целью экспериментов, проводимых с галлием, было показать, что возможно создать плазменный источник рентгеновского излучения и ионов с большой частотой повторения импульсов. В параграфе 3.2 отражены основные результаты, полученные в экспериментах с маслом ВМ-1. В эксперименте проводились одновременные измерения выхода тормозного жёсткого рентгеновского излучения в различные спектральные диапазоны и времяпролётпые измерения ионных токов плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1 лазерным импульсом генерируемым лазерной системой на красителе (>.=616 нм, т-200 фс, Е-300 мкДж, 1-2-1016 Вт/см2, контраст по интенсивности 105). Сравнение с твердотельной мишепью (кристаллический кремний) показало, что средняя энергия горячих электронов в плазме и скорости быстрых протонов в обоих случаях имеют одни и те же значения (см. рис. 8). На времяпролётных зависимостях видно (рис. 86), что минимум, соответствующий времени

прихода протонов, на обеих зависимостях совпадает и равен ~0.1 мке. Это указывает на то, что в обоих случаях протоны ускорялись электронами с одинаковой энергией. Большой разброс значений средней энергии горячих электронов (см. рис. 8а) может быть связан с изменением во время эксперимента физических свойств, как самой жидкости, так и с появлением над поверхностью жидкости пара, мешающего доставке излучения на мишень. Чтобы проверить такие предположения была проведена оптическая диагностика поверхности мишени после воздействия лазерным импульсом. Результаты этих экспериментов также представлены параграфе 3.2. Значительное внимание в параграфе 3.2 уделено рассмотрению методики оценки средней энергии горячих электронов плазмы на основе аппроксимации протонной части времяпролетного сигнала ионов аналитической зависимостью, получаемой в рамках адиабатической модели разлёта плазмы с учётом нелинейности отклика детектора ионов (см. рис. 86). Одновременные измерения выхода рентгеновского излучения и ионных токов позволили провести оценку для средней энергии горячих электронов двумя независимыми методиками, и тем самым проверить, насколько правильно работает разработанная ионная методика. Сравнительные данные приведены на рисунке 9. Хорошее совпадение величин для средней энергии горячих электронов, получаемых с помощью ионной методика, с величинами, получаемыми с помощью ранее развитой рентгеновской методики, позволяет утверждать, что развитая методика дает возможность получать правильную оценку для величины средней энергии горячих электронов в плазме. Таким образом, в параграфе 3.2 продемонстрировано, что жидкость может быть использована в качестве мишени для формирования твердотельной плазмы фемтосекундным лазерным импульсом. Параметры полученной плазмы соответствуют параметрам плазмы, формируемой на твердотельных мишенях. Однако, поскольку воздействие от выстрела к выстрелу происходит в одну и ту же точку на мишени, необходимо выбирать время между лазерными импульсами заведомо большим, чем время восстановления мишени. Мишень из вакуумного масла ВМ-1 не подходит для использования с лазерными системами с высокой частотой следования импульсов. В данном случае необходимо подбирать другую мишень, например, галлий. Результаты экспериментов по измерению выхода рентгеновского излучения из плазмы формируемой на поверхности жидкого галлия в режиме 10 Гц взаимодействия представлены в параграфе 3.3. Схема эксперимента представлена на рисунке 10. Для формирования плазмы в данных экспериментах использовался лазерный импульс, генерируемый лазерной системой на кристалле хром-форстерита (т=110 фс, Е—350 мкДж, >.=1.24 мкм, 1~1016 Вт/см2). Частота повторения лазерных импульсов составляла 10 Гц. Мишень из жидкого галлия находилась в подогреваемой кювете. Температура галлия могла изменяться в диапазоне от комнатной температуры (~20°С) до 270°С. Для регистрации интегрального выхода жесткого тормозного рентгеновского излучения использовались два рентгеновских детектора на осно-

Рис. 9 Зависимость средней энергии горячих электронов в плазме от интенсивности лазерного импульса. Я - Оценка, полученная с помощью рентгеновской методики, О -оценка, полученная с помощью ионной методики.

Рис. 10 Схема экспериментальной установки: 1 - фемтосекундпый лазерный импульс, 2 -вакуумная камера, 3 - жидкая галлиевая мишень, 4 - рентгеновские детекторы, 5 -рентгеновские фильтры (Ве илиА1), 6 — электронагреватель, 7 - термопара.

О 10000 20000 30000 «ООО 50000 о 10000 20000 30000 40000 50000

номер лазерного выстрела номер лазерного »ыстрела

Рис. 11 Выход рентгеновского излучения г) в спектральный диапазон более 2.5 кэВ (а) и средняя энергия горячих электронов <Еь> (б) как функции номера лазерного выстрела в режиме 10 Гц взаимодействия. Температура галлия Тоа~270"С. Белая линия соответствует бегущему среднему.

вс сцинтиллятора ЫаГ(ТГ) и ФЭУ-119. Выход рентгеновского излучения измерялся в спектральные диапазоны >2.5 кэВ и >7.5 кэВ. Это позволяло оценивать в каждом лазерном выстреле среднюю энергию горячих электронов в плазме. Вначале была проведена серия экспериментов по измерению выхода рентгеновского излучения из плазмы, как в режиме 10 Гц взаимодействия, так и в одиночном режиме. В обоих случаях конверсия энергии лазерного импульса в тормозное рентгеновское излучения с энергиями квантов более 2.5 кэВ составила (2.2±0.4)-10"4%, а с энергиями квантов более 7.5 кэВ - (4.2±0.5)-]0"5%, а средняя энергия горячих электронов равна 9.3+/-1.1 кэВ. Таким образом, экспериментально проверено, что за время 100 мс галлиевая мишень успевает восстановиться после лазерного воздействия и параметры плазмы, формируемой в режиме 10 Гц взаимодействия, не отличаются от параметров плазмы, формируемой в однократном режиме.

Чтобы проверить стабильность источника, был проведен эксперимент при длительном воздействии лазерных импульсов на мишень. В первую очередь, исследовалось, как

изменяется выход рентгеновского излучения от выстрела к выстрелу. Было проведено приблизительно 50000 лазерных выстрелов. Такое число лазерных выстрелов соответствует приблизительно полутора часам непрерывного воздействия в режиме 10 Гц. Во время эксперимента мишень не сдвигалась, и не проводилось дополнительной фокусировки излучения. На рисунке 11 представлен выход рентгеновского излучения в спектральный диапазон более 2.5 кэВ (рис. 11а) и средняя энергия горячих электронов (рис.116) как функция номера лазерного выстрела. Было получено, что для галлия, нагретого до 270°С, в течение 50000 лазерных выстрелов выход рентгеновского излучения упал примерно на 25%, а средняя энергия горячих электронов изменилась от 9.3+/-0.9 кэВ до 9.0+/-1.1 кэВ. Можно также оценить, что скорость падения среднего значения выхода рентгеновского излучения в спектральный диапазон >2.5 кэВ составляла 1.2-10"9% за один выстрел. Оценки, приведенные в параграфе, показывают, что снижение выхода рентгеновского излучения и средней энергии горячих электронов в данном случае связано с общим падением уровня жидкости в течение эксперимента в результате выноса вещества в каждом лазерном выстреле. Это падение может быть легко скомпенсировано либо дополнительной фокусировкой объектива, либо повышением уровня жидкости.

Основные результаты и выводы

1) Импульсная лазерная очистка твердотельной мишени позволила выявить ряд принципиальных особенностей ускорения и ионизации быстрых ионов в плазме, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом

• В условиях очистки поверхности твердотельной мишени от слоя углеводородов и окислов дополнительным наносекуидным импульсом (плотность мощности 3 Дж/см2, время задержки между импульсами 100 мкс), происходит ускорение тяжелых ионов основного вещества амбиполярным полем горячих электронов, которое на исходной поверхности экранируется более легкими ионами (в первую очередь протонами). В итоге максимальная энергия ионов вольфрама увеличилась от 150 кэВ до 1 МэВ.

• В плазме на чистой поверхности существенной модификации подвергается зарядовый состав ионов основного материала мишени. Средний заряд ионов кремния увеличился с 3+ до 4+, а максимальный с 5+ до 12+, для ионов вольфрама максимальный заряд увеличился с 5+ до 29+.

• Заряд медленных ионов существенно уменьшается из-за рекомбинации при разлете плазмы. Быстрые ионы либо не рекомбинируют в процессе разлета плазмы, либо скорость их рекомбинации не зависит от заряда и скорости ионов.

• В энергетических спектрах легких ионов (водород, углерод, кислород) наблюдаются глубокие амплитудные модуляции. Глубина модуляций достигает одного порядка по амплитуде. Возможные причины появления модуляций могут быть связаны, как с разделением ионов в пространстве из-за существенно разных температур тепловых и горячих электронов, так и с влиянием электростатического поля на фронте горячих электронов на легкие ионы.

• В плазме, формируемой на поверхности очищенной вольфрамовой мишени лазерным импульсом с интенсивностью от 4-Ю15 Вт/см2 до 2.5-Ю'6 Вт/см2 наблюдаются ионы с зарядом, превышающим заряд предсказываемый при учете только ударной ионизации. Основным механизмом ионизации таких ионов является, по-видимому, ударная ионизация в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля. Существенный вклад, однако, может внести и прямая надпороговая ионизация этим полем.

2) Проведенные исследования позволяют предложить следующую картину ионизации и ускорения быстрых ионов в высокотемпературной плазме, формируемой высококонтрастпым фемтосекундным лазерным импульсом. Нагрев мишени передним фронтом лазерного импульса приводит к формированию на её поверхности градиента плотности ионов и электронов в плазме. Это происходит даже в случае, если мишень изначально обладала резкой границей, то есть предымпульс отсутствовал. Для высококоптрастного лазерного импульса с длительность порядка 100 фс пространственный масштаб градиента плотности плазмы составляет порядка нескольких десятков нанометров в момент прихода максимума лазерного импульса. Следовательно, лазерное излучение поглощается преимущественно в плазме с плотностью ниже твердотельной, но значительно выше критической плотности. Во внешних слоях плазмы тепловые электроны оказываются нафеты в 2-3 раза сильнее, чем в глубине мишени. Например, в плазме кремния для условий, при которых проводился эксперимент, температура электронов в глубине мишени не превышает 150 эВ, а над поверхностью мишени достигает 300 эВ.

Ионизация в глубине мишени и на её поверхности также происходит по-разному. В поверхностной области благодаря более высокой температуре тепловых электронов и более низкой концентрации плазмы средний заряд ионов достигает ббльших значений, чем в глубине мишени. Однако, необходимо учитывать, что время требуемое для достижения равновесного состояния увеличивается в плазме с низкой плотностью. Это значит, что в области с низкой плотностью средний заряд ионов достигает равновесного значения позже, чем в более плотной области. При наших экспериментальных условиях средний заряд ионов на поверхности мишени в плазме кремния достигает 9+, а в плазме вольфрама 23+. Дополнительное влияние на заряд ионов может оказывать ударная ионизация в присутствии амбиполяркого поля и надбарьерная ионизация этим полем.

Горячие электроны ускоряются непосредственно электромагнитным полем лазерного импульса и появляются в области критической плотности плазмы, то есть над поверхностью мишени. Концентрация горячих электронов мала по сравнению с концентрацией тепловых электронов, и они практически не влияют на заряд ионов. Вылетая из плазмы, электроны формируют квазистатическое амбиполярное поле, которое ускоряет ионы. Подобно электронам, ионы в своем распределении по энергиям имеют быструю и медленную компоненты. Причем, ионы с более высоким зарядом, находящиеся в момент формирования плазмы в приповерхностной области, ускоряются преимущественно горячими электронами. Иопы из более глубоких слоев плазмы ускоряются тепловыми электронами. Малая плотность и высокая скорость быстрых ионов приводит к тому, что они не испытывают рекомбинации в плазме, и их ионизационное состояние «замораживается». Для быстрых ионов играет роль лишь рекомбинация в результате перезарядки на молекулах остаточного газа в камере взаимодействия. При давлении в камере взаимодействия около 10"5торр за время порядка 1 мке заряд ионов кремния уменьшится не более чем на 1, а ионов вольфрама на 4-5. Медленные ионы испытывают значительную рекомбинацию в плазме.

В случае использования мишени, не подвергнутой предварительной очистке, в поверхностной области плазмы, главным образом, находятся ионы водорода и углерода. Именно они ионизуются наиболее сильно и ускоряются горячими электронами. Ионы основного вещества мишени в этом случае ионизуются слабо, ускоряются тепловыми электронами и к тому же значительно рекомбинируют при разлете плазмы. 3) Предложенная методика оценки средней энергии горячих электронов плазме с помощью аппроксимации аналитической зависимостью протонпого сигнала в регистрируемом времяпролетном ионном токе плазмы позволяет оценивать среднюю энергию горячих электронов в плазме в каждом лазерном выстреле. Аналитическая зависимость строится

исходя из «адиабатической» модели одномерного разлета плазмы. При этом учитывается нелинейность отклика микроканальной пластины, регистрирующей ионы. В диапазоне интенсивностей лазерного импульса от 1016 Вт/см2 до 2-1016 Вт/см2 оценки, получаемые с помощью данной методики, совпадают с оценками, получаемыми по выходу рентгеновского излучения. Так средняя энергия горячих электронов, оцененная в одном и том же лазерном выстреле с помощью ранее разработанной рентгеновской методики, составила <Еь>=б,6±0.8 кэВ, а с помощью ионной методики - <ЕЬ>=6.3±0.3 кэВ (для 1=1.8-1016 Вт/см2 и плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1).

4) Экспериментально продемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенных паров можно использовать в качестве мишени для создания на её поверхности высокотемпературной твердотельной фемтосекундной лазерной плазмы.

• Проанализированы особенности взаимодействия фемтосекундпого лазерного импульса с поверхностью жидкости и разработаны основные критерии выбора мишени. Наиболее существенным является требование малости давления насыщенного пара жидкости. Из оценок следует, что для того, чтобы избежать эффектов самовоздействия и самофокусировки лазерного импульса необходимо, чтобы давление в камере взаимодействия было менее 1 торр. В случае использования лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов важно выбирать жидкость, обладающую высокой теплопроводностью и большой скоростью выравнивания поверхности.

• При интенсивности лазерного импульса ~1016 Вт/см2 средняя энергия горячих электронов <Ен> в плазме на поверхности вакуумного масла составляет от 3 до 18 кэВ. Оптическая диагностика поверхности мишени показала, что большой разброс <Еь> связан с медленным остыванием области воздействия после лазерного выстрела и парением масла.

• Скорость фронта быстрых протонов, вылетающих из плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1, лазерным импульсом с интенсивностью до 2-1016 Вт/см2 совпадает со скоростью протонов, вылетающих из плазмы, формируемой на твердотельных мишенях (например, кремнии). Оценка для средней энергии электронов, ускоряющих прогоны, говорит о том, что такие протоны ускорены горячими электронами, то есть плазма, формируемая на поверхности жидкой мишени, является эффективным источником быстрых протонов.

• Жидкий галлий, нагретый до 270°С, может быть использован в качестве мишени для создания стабильного источника жесткого тормозного некогерентного рентгеновского излучения с частой повторения импульсов 10 Гц. Такую мишень не требуется сдвигать или обновлять после каждого лазерного выстрела. Снижение выхода рентгеновского излучения в спектральный диапазон более 2.5 кэВ после 50000 лазерных выстрелов в одну точку мишени составило не более 25%. Такое снижение связано с падением уровня жидкости в результате выноса вещества в каждом лазерном выстреле и может быть легко скомпенсировано дополнительной фокусировкой объектива или повышением уровня жидкости.

• Температура мишени сильно влияет на скорость снижения уровня жидкости в результате выноса вещества лазерным импульсом. При температуре галлия Тса=50°С снижение выхода рентгеновского излучения на 25% наблюдалось уже через 4000 лазерных выстрела.

• Конверсия энергии лазерного импульса в тормозное рентгеновское излучение с энергией кванта более 2.5 кэВ составила (2.2±0.4)'10"4%, а в спектральный диапазон более 7.5 кэВ -(4.2±0.5)10"5%. Это позволяет оценить, что средняя мощность рентгеновского источника с энергиями квантов более 2.5 кэВ в телесный угол 4л в режиме 10 Гц составляет 5 нВт.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ

1. Р.В. Волков, В.М. Гордиенко, И.М. Лачко, А.А. Русанов, А.Б, Савельев, Д.С. Урюпина «Формирование быстрых многозарядных тяжелых ионов при воздействии сверхинтенсивного фемтосекундного лазерного импульса на очищенную поверхность мишени» // ЖЭТФ, 130, 347-362 (2006)

2. Р.В. Волков, А.А. Воробьев, В.М. Гордиенко, М.С. Джиджоев, И.М. Лачко, Б.В. Марьин, А.Б. Савельев, Д.С. Урюпина «Влияние импульсной лазерной очистки мишени на ионизацию и ускорение ионов в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом» // Квантовая Электроника, 35 (10), 953-958 (2005)

3. V.M.Gordienko, I.M.Lachko, A.A.Rusanov, A.B.Savel'ev, D.S.Uryupina, and R.V.Volkov " Enhanced production of fast multi-charged ions from plasmas formed at cleaned surface by femtosecond laser pulse"// Applied Physics B, 80, 733-739 (2005)

4. Р.В.Волков, В.М.Гордиенко, И.М.Лачко, А.Б.Савельев, Д.С.Урюпина «Ускорение тяжелых многозарядных ионов до энергии в 1 МэВ при облучении твердотельной мишени фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью 1016 Вт/см2»// Письма в ЖЭТФ, 81,708-711 (2005)

5. Р.В. Волков, В.М. Гордиенко, П.М. Михеев, А.Б. Савельев, Д.С. Урюпина, «Высокотемпературная плазма, сформированная на свободной поверхности жидкости фемтосекундным лазерным излучением»// Квантовая электроника, 34 (2), 135-138 (2004).

6. Р.В.Волков, Д.М.Голишников, В.М.Гордиенко, М.С.Джиджоев, И.М.Лачко, Б.В.Марьин, П.М.Михеев, А.Б.Савельев, Д.С.Урюпина, А.А.Шашков, «Формирование ионного тока высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы при адсорбции примесей на поверхности мишени»// Квантовая электроника, 33 (11), 981-986 (2003).

7. V.M. Gordienko, I.M. Lachko, P.M. Mikheev, A.B. Savel'ev, D.S. Uryupina and R.V. Volkov, «Experimental characterization of hot electron production under femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities»// Plasma Physics and Controlled Fusion, 44 (12), 2555-2568 (2002).

8. А.А. Русанов, А.Б. Савельев, Д.С. Урюпина, «Ионизация и рекомбинация в расширяющейся плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом» // Препринт физического фак-та МГУ им. М.В. Ломоносова № 25/2005, физ.фак. МГУ, 2005, 32 стр.

9. D.S.Uryupina, V.M.Gordienko, M.V.Kurilova, E.V.Rakov, and A.B.Savel'ev «Simple design of femtosecond laser plasma highly stable hard x-ray source using free surface of liquid gallium» // Proc. of SPIE, 5975, 76-85 (Topical Problems of Nonlinear Wave Physics, St. Petersburg -Nizhniy Novgorod, Russia, August 2-9,2005) edited by A.M. Sergeev

10. A.B.Savel'ev, V.M.Gordienko, I.M.Lachko, AA.Rusanov, D.S.Uryupina, R.V.Volkov «Enhanced ionization of W ions at a plasma-vacuum boundary in femtosecond laser plasma at moderate intensities» // Proc. of SPIE, 5975, 43-54 (Topical Problems of Nonlinear Wave Physics, St. Petersburg -Nizhniy Novgorod, Russia, August 2-9, 2005) edited by A.M. Sergeev

11. I.M.Lachko, A.A.Vorob'ev, V.M.Gordienko, M.S.Dzhidzhoev, B.V.Mar'in, A.B.Savel'ev, D.S.Uryupina, R.V.Volkov «Production of high-energy multi-charged mono-atomic ion bunches from FLP: the role of pulsed laser pre-cleaning» // Proc. of SPIE, 6053, 605310 (ICONO/LAT-2005: High-Power Lasers and Applications, St. Petersburg, Russia, May 11-17, 2005), edited by W.L.Bohn, V.S.Golubev, A.A.Ionin, V.Y.Panchenko.

12. V.M. Gordienko, M.V.Kurilova, A.B.Savel'ev, D.S.Uryupina, R.V.Volkov «Femtosecond laser plasma x-ray source at free surface of liquid gallium» // Proc. of SPIE, 6256, 62560F (ICONO 2005, St. Petersburg, Russia, May 11-17, 2005) edited by H.A.Bachor, A.D.Bandrauk, P.B.Corkum, M.Drescher, M.Fedorov, S.Haroche, S.Kilin, A.Sergienko.

13. V.M.Gordienko, I.M.Lachko, A.A.Rusanov, A.B.Savel'ev, D.S.Uryupina, R.V.Volkov «On the origin of fast multi-charged ions from femtosecond laser plasma at moderate intensities» // Proc. of SPIE, 6256, 62560G (ICONO 2005, St. Petersburg, Russia, May 11-17, 2005) edited by H.A.Bachor, A.D.Bandrauk, P.B.Corkum, M.Drescher, M.Fedorov, S.Haroche, S.Kilin, A.Sergienko.

14. A.B. Savel'ev, V.M.Gordienko, I.M.Lachko, A.A.Rusanov, D.S.Uryupina, and R.V.Volkov «Effect of surface cleaning on decay of low energy nuclear isomers excited during femtosecond laser-plasma interaction» // Proceedings of 7th AFOSR workshop on isomers and quantum nucleonics, 171-180, Dubna, Moscow region, Russia, June 26-June 30, 2005

15. A.B.Savel'ev, V.M.Gordienko, I.M.Lachko, B.V.Mar'in, D.S.Uryupina, and R.V.Volkov «Experimental investigation of ion acceleration from femtosecond laser plasma interaction: role of surface impurities», Proceedings of the 2nd Int. Conf. "Frontiers of Nonlinear Physics", 414418, Nizhniy Novgorod-St. Petersburg, Russia, July 5-12 (2004)

16. I.M.Lachko, R.V.Volkov, D.M. Golishnikov, V.M. Gordienko, M.C. Dzhidzhoev, B.V. Mar'in, P.M. Mikheev, A.B. Savel'ev, A.A. Shashkov, D.S. Uryupina «Control of femtosecond laser plasma parameters by surface contaminants cleaning with preceding laser pulse» // Proc. of SPIE, 5482, 102-111 (Laser Optics 2003, 30 June-4 July, St. Petersburg, Russia) edited by V.E.Yashin, A.A.Andreev

17. D.S. Uryupina, V.M. Gordienko, P.M. Mikheev, A.B. Savel'ev, R.V.VoJkov «Hard x-ray and high energy protons production under femtosecond laser interaction with free liquid surface» // Proc. of SPIE, 5482, 32-38 (Laser Optics 2003, 30 June-4 July, St. Petersburg, Russia) edited by V.E.Yashin, A.A.Andreev

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

Заказ № 623 Тираж; 100 экз.

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

www.autoreferat.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Приповерхностная плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом умеренной интенсивности как источник ионов. Оценка параметров электронной составляющей плазмы на основе времяпролетных измерений ионных токов.

§1.1 Основные свойства электронов и ионов в плазме, формируемой фемтосекундным лазерным импульсом.

1.1.1 Поглощение энергии лазерного импульса и нагрев электронов в плазме.

1.1.2 Ионизация и заряд ионов в плазме.

1.1.3 Ускорение ионов в лазерной плазме.

§1.2 Экспериментальные методики исследования ионных токов плазмы.

§1.3 Ускорение ионов амбиполярным полем на границе плазма-вакуум. Возможность построения аналитической зависимости для времяпролётного сигнала ионов.

1.3.1 «Изотермическая» модель разлета ионов.

1.3.2. Численное решение задачи гидродинамического разлета плазмы в вакуум: причины появления ионов с бесконечно большой энергией.

1.3.3 «Адиабатическая» модель разлета ионов.

§ 1.4 Выводы к главе 1.

ГЛАВА 2 Ускорение и ионизация ионов в плазме, формируемой на поверхности твердотельной очищенной мишени.

§2.1 Особенности эксперимента, проводимого с использованием очищенной мишени.

2.1.1 Краткое описание лазерной системы на красителе, проблема контраста в лазерной системе на красителе.

2.1.2 Оценки времени нагрева и остывания мишени, и времени восстановления загрязняющего слоя после воздействия очищающего лазерного импульса.

2.1.3 Описание экспериментальной установки.

§2.2 Увеличение энергии и заряда ионов основного вещества мишени в плазме, формируемой фемтосекундным лазерным импульсом на твердотельной мишени с очищенной поверхностью.

2.2.1 Сравнение параметров фемтосекундной лазерной плазмы, формируемой на грязной и на чистой мишенях.

2.2.2 Результаты эксперимента с кремниевой мишенью.

2.2.3 Результаты эксперимента с вольфрамовой мишенью.

2.2.4 Амплитудные модуляции в энергетических спектрах легких ионов.

§2.3 Формирование плазмы и рекомбинация в разлетающейся плазме. Сравнение с результатами численного моделирования.

§2.4 Влияние амбиполярного поля на ионизацию на резкой границе плазма-вакуум.

§2.5 Основные результаты главы 2.

ГЛАВА 3 Возможности мишеней в жидкой фазе для создания плазменного ионного и рентгеновского источника с высокой частотой повторения импульсов.

§3.1 Подбор жидкости, используемой в качестве мишени в экспериментах с плазмой

§3.2 Твердотельная лазерная плазма, формируемая на поверхности вакуумного масла ВМ-1, фемтосекундным лазерным импульсом: рентгеновское излучение и ионные токи.

3.2.1 Схема эксперимента.

3.2.2 Результаты рентгеновской диагностики плазмы. Сравнение с твердотельной мишенью.

3.2.3 Результаты времяпролетных измерений ионных токов плазмы. Сравнение с твердотельной мишенью.

3.2.4 Оптическая диагностика поверхности жидкости после воздействия фемтосекундного лазерного импульса.

§3.3 Источник рентгеновского излучения из плазмы, сформированной на поверхности галлия в жидком состоянии.

3.3.1 Схема эксперимента.

3.3.2. Результаты эксперимента. Возможность создания плазменного источника излучений и ионов с 10 Гц частотой повторения импульсов.

§3.4 Основные результаты главы 3.

Плазма, формируемая на поверхности твердотельной мишени мощным фемтосекундным лазерным импульсом (ФЛИ) с высоким контрастом, является уникальным источником быстрых ионов [1,2,3,4,5,6]. Основной интерес в изучении ионных токов плазмы связан с возможностью создания пучков ионов, которые могли бы использоваться в задачах имплантации ионов [7], напыления тонких пленок, для быстрого инициирования ядерной реакции в плазме [8,9,10], в медицинских целях (например, для протонной терапии раковых опухолей) [11] и т.д. Кроме того, исследуя ионные токи, можно получить информацию о параметрах сформированной плазмы (например, можно оценить среднюю энергию электронов в плазме, заряд ионов и пр.) [12,13,14,15].

По мере развития лазерной техники длительность лазерного импульса уменьшалась, что приводило к повышению интенсивности лазерного импульса. Изменение параметров лазерного импульса существенным образом влияет на свойства формируемой плазмы и, в конечном счете, на ионный ток плазмы. При воздействии наносекундных и пикосекундных импульсов с интенсивностью до 10|4-1015 Вт/см2 за время действия лазерного импульса успевает сформироваться равновесная плазма, электроны которой обладают максвелловским распределением по скоростям. Ускорение ионов в такой плазме происходит благодаря амбиполярному полю, формирующемуся на границе плазма-вакуум между электронами и ионами. При этом, электроны набирают энергию в результате столкновительного механизма поглощения лазерного импульса и разлетаются из плазмы в широкий телесный угол. Пространственное распределение ионов тоже оказывается очень широким. С увеличением интенсивности лазерного импульса от 1015 Вт/см2 появляются дополнительные эффекты, приводящие к изменениям в энергетическом спектре ионов. В первую очередь, это связано с генерацией горячих электронов в плазме. Горячие электроны ускоряются непосредственно самим полем лазерного импульса и формируются в поверхностном слое плазмы [16]. Основные механизмы генерации горячих электронов это: резонансное поглощение, вакуумный нагрев, пондеромоторное ускорение и т.д. Ускорение горячих электронов происходит в направлении нормали к поверхности мишени, поэтому они вылетают из плазмы в одном направлении и телесный угол их разлета значительно ужё, чем при столкновительном нагреве. Ионы, ускоряясь такими электронами, также разлетаются в узкий телесный угол преимущественно по нормали к поверхности мишени.

В то же время, модификация физических свойств поверхности мишени позволяет управлять атомным и ионным составом разлетающейся плазмы. Известно, что даже на 3 поверхности обычной твердотельной мишени находится слой окисла, воды и углеводородов [17,18,19,20]. Толщина такого слоя сравнима с глубиной скин-слоя. В случае плазмы ФЛИ это обстоятельство в значительной степени определяет энергию, заряд и атомный номер ионов в плазме. Поскольку горячие электроны формируются в скин-слое, то до значительных энергий ускоряются ионы поверхностных загрязнений, главным образом протоны. Ионы основного вещества мишени ускоряются преимущественно тепловыми электронами и приобретают меньшие энергии на единицу заряда [19,21 ]. Ситуация изменяется, если поверхность мишени очищена от слоя загрязнений. Для очистки мишени обычно используют резистивный нагрев [17,18,21,20], ионное распыление [22] или импульсную лазерную очистку [19,23]. Как показано в работе [21], в результате нагрева тонкой фольги значительно увеличилось число и энергия тяжелых ионов вещества мишени, вылетающих с обратной стороны мишени, облучаемой

10 "У фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью 10 Вт/см , в то же время сигнал от протонов практически исчез. Недостатком резистивного метода очистки мишени является невозможность удаления окисного слоя, так как обычно температура плавления окислов превышает температуру плавления самого вещества. Кроме того, при таком методе необходимо использовать токопроводящую мишень или мишень с токопроводящей подложкой. Очистка поверхности мишени ионным пучком или лазерным импульсом позволяет использовать в экспериментах мишень любого типа (металлы, полупроводники и диэлектрики). Также, лазерная очистка позволяет локально нагреть мишень до температур, обеспечивающих удаление не только углеводородов и воды, но и окисного слоя [19,24,25]. Как показано в работе [26], изменяя качество очистки поверхности мишени от слоя загрязнений, можно управлять максимальной энергией ионов основного вещества мишени. Помимо этого, в поверхностном слое мишени, благодаря более высокой температуре тепловых электронов и более низкой концентрации плазмы, ионизация происходит эффективнее. То есть изменение толщины примесного слоя также дает возможность управления зарядом ионов. Большинство экспериментов до настоящего времени проводились с использованием мишеней с поверхностью, не подвергнутой предварительной очистке. Это в значительной степени затрудняет понимание физических процессов происходящих в плазме ФЛИ.

Обычно в экспериментах с плазмой ФЛИ используются различные твердотельные мишени [2,3,18,27,28], кластеры [14,29], микрокапли [30,31] и струи [32]. Однако, можно использовать и жидкость. Это может быть заманчиво, прежде всего, тем, что жидкую мишень не надо ни сдвигать, ни обновлять после каждого лазерного выстрела. Такая ситуация значительно облегчает конструирование возможных источников частиц и излучения из плазмы. Понятно, что если время восстановления поверхности жидкости после воздействия лазерного импульса достаточно мало, то это позволит использовать такую мишень в экспериментах с высокой частотой повторения лазерных импульсов.

К настоящему моменту существует ограниченное число работ, в которых проводились исследования плазмы, формируемой лазерным импульсом на поверхности жидкости [33,34,35].В частности, измерялся спектр тормозного рентгеновского излучения из плазмы, формируемой на поверхности воды, как единичным лазерным импульсом, так и «мульти-импульсом» (последовательность лазерных импульсов, отделенных друг от друга временным интервалом в 10 не) [34]. Частота повторения лазерных импульсов в данных экспериментах была 10 Гц. Было обнаружено, что при воздействии «мульти-импульсом» появляется более жесткое рентгеновское излучение по сравнению с режимом единичных лазерных импульсов. Такое увеличение энергии рентгеновских квантов было связано с появлением микрокапель в случае «мульти-импульса». В работе [33] исследовалось взаимодействие лазерных импульсов, следующих с частотой 2 кГц со свободной поверхностью ртути. К сожалению, авторы ограничились лишь упоминанием о проведенных экспериментах и не приводят никаких данных касательно динамики рентгеновского излучения в зависимости от номера лазерного импульса и т.п. Необходимо отметить, что все перечисленные эксперименты проводились в атмосфере окружающего воздуха при атмосферном давлении, что, по-видимому, существенно снижало эффективность генерации рентгеновского излучения за счет неизбежных потерь в результате ионизации приповерхностного воздушного слоя. Существует также ряд работ по изучению плазмы, образующейся на поверхности жидкости при воздействии пикосекундными и фемтосекундными импульсами с интенсивностью до

10" Вт/см

36,37], а также по наблюдению ударных волн, образующихся в области пробоя [38].

Для получения ионов с большой энергией значительный интерес представляет использование лазерных импульсов с высоким контрастом. В случае, когда лазерный импульс обладает пьедесталом или предымпульсом с интенсивностью выше Ю10

11 1 10 Вт/см на поверхности мишени формируется предплазма и поглощение основного импульса происходит уже не резкой границе мишень-вакуум, а на границе со спадающим градиентом плотности плазмы. Наиболее частые причины плохого контраста лазерного импульса это усиленная спонтанная люминесценция, несогласованность решеток компрессора и т.п. Энергии ионов, ускоряющихся в плазме с низкой плотностью ниже твердотельной ниже, чем в твердотельной плазме. Это происходит от того, что из-за размытости границы плазма-вакуум не происходит четкого разделения электронов и ионов в пространстве и электростатическое поле между электронами и ионами не достигает значительных величин для эффективного ускорения ионов. На резкой границе плазма-вакуум амбиполярное поле может достигать ~ 2-Ю10В/м для лазерного импульса с интенсивностью ~1016 Вт/см2 (Те~200 эВ, п<;~5-1023 см"3). Помимо более низкой энергии ионы в плазме, сформированной лазерным импульсом с низким контрастом, обладают и более низким зарядом, так как ионизация происходит в плазме с более низкой плотностью и температурой электронов. Таким образом, необходимым условием для получения ионов с большой энергией и зарядом является наличие лазерного импульса с высоким контрастом, обеспечивающего формирование высокотемпературной твердотельной плазмы.

Одновременно с развитием лазерной техники происходило развитие аналитических и численных моделей, описывающих разлет ионов. Впервые задача разлета плазмы была рассмотрена около 40 лет назад [39]. Было получено автомодельное решение для случая гидродинамического разлета изотермической плазмы с максвелловским распределением электронов и одним сортом ионов. В дальнейшем модель модифицировалась с учетом нескольких сортов ионов и для более сложных распределений электронов (би-максвелловское, супергауссовское и др.) [40,41,42]. Проводились также численные решения системы гидродинамических уравнений [ 43 ,44,45,46 ]. Позже появились аналитические модели, в которых решаются кинетические уравнения для электронов и ионов [47,48,49,50]. В последнее десятилетие появилось большое количество работ, исследующих ускорение ионов с помощью метода частиц в ячейке (PIC (particle-in-cell) кода) [51,52,53,54,55]. И хотя моделирование плазмы с помощью PIC (particle-in-cell) кода в основном касается бесстолкновительной плазмы, формируемой лазерным импульсом с Q <4 интенсивностью от 10 -10 Вт/см и выше, существует небольшое количество работ, в которых с помощью PIC кода исследовался разлет ионов и при умеренных интенсивностях лазерного импульса (от 10 Вт/см ) [56]. Расчёт разлёта плазмы позволяет установить соответствие между параметрами плазмы в момент начала её разлёта и параметрами электронов и ионов, регистрируемых на более поздних временах вдали от плазмы.

Цели диссертационной работы

1. Измерение и анализ особенностей зарядовых и энергетических спектров ионов из плазмы, созданной высококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см2 на , поверхности твердотельной мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисных загрязнений.

2. Построение методики оценки средней энергии горячих электронов на основе аппроксимации сигнала от протонов во времяпролетном ионном токе аналитическими зависимостями.

3. Анализ особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного излучения с интенсивностью свыше 101бВт/см2 с поверхностью жидкости и исследование параметров формирующейся плазмы.

Научная новизна

1. Продемонстрировано, что в плазме кремния и вольфрама, формируемой на поверхности мишени, очищенной от поверхностного слоя углеводородных и окисных загрязнений дополнительным наносекундным лазерным импульсом, существенно увеличивается заряд и энергия ионов основного вещества мишени. В случае мишени из вольфрама были зарегистрированы ионы с зарядом от 1+ до 29+, при этом энергия ионов достигала 1 МэВ при интенсивности лазерного импульса 16 2 около 2.5-10 Вт/см . В плазме, формируемой на неочищенной мишени при тех же параметрах лазерного импульса, заряд ионов вольфрама достигал лишь 5+, а их энергия не превышала 150 кэВ.

2. Предложена последовательная физическая картина появления в плазме, созданной высококонтрастным ФЛИ с интенсивностью ~1016 Вт/см2, быстрых ионов с большим зарядом. Быстрые ионы вылетают из поверхностного слоя мишени, ускоряясь горячими электронами. Благодаря тому, что в поверхностном слое плазмы температура тепловых электронов выше, чем в глубине мишени, а концентрация плазмы ниже, ионы ионизуются эффективнее, чем в более глубокой твердотельной области плазмы. Это приводит к тому, что средний заряд быстрых ионов значительно превышает средний заряд медленных ионов. Дополнительное влияние на заряд ионов может оказывать ударная ионизация в присутствии амбиполярного поля, а также надбарьерная ионизация амбиполярным полем. В результате формируется небольшое количество ионов с зарядом, превышающим равновесные значения. Разлетаясь с высокой скоростью и в облаке плазмы с низкой концентрацией, быстрые ионы практически не испытывают рекомбинации в плазме, но несильно рекомбинируют в результате столкновений с молекулами остаточного газа в камере взаимодействия. На основе данной картины получили объяснение основные особенности зарядовых и энергетических спектров быстрых ионов вольфрама и кремния: существенное увеличение средней энергии и среднего заряда быстрых ионов, появление ионов с аномально высокой кратностью ионизации.

3. Предложена методика оценки средней энергии горячих электронов в плазме, основанная на аппроксимации экспериментально измеренного времяпролетного ионного тока плазмы аналитической зависимостью. Аналитическая зависимость строится на основе адиабатической модели разлета плазмы с учетом нелинейности отклика детектора ионов. Экспериментально продемонстрировано, что оценки для средней энергии горячих электронов, полученные с помощью используемой ранее рентгеновской методики, совпадают с оценками, полученными на основе ионной методики, развитой в рамках настоящей работы.

4. На примере мишеней из вакуумного масла ВМ-1 и галлия экспериментально продемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенных паров может быть использована в качестве мишени для формирования твердотельной плазмы ФЛИ. Экспериментально продемонстрировано, что плазма, формируемая на мишени из жидкого галлия, может быть использована для создания стабильного источника рентгеновского излучения с частотой повторения импульсов 10 Гц.

Практическая ценность

Полученные в работе результаты демонстрируют возможность использования плазмы ФЛИ, созданной на мишени, подвергнутой предварительной очистке, для формирования высокоэнергетичных тяжелых ионов с широким зарядовым спектром, а также для формирования пучков легких ионов с энергиями, лежащими в узком спектральном диапазоне.

Использование в качестве мишени для формирования плазмы ФЛИ свободной поверхности жидкости открывает возможность создания источников рентгеновского излучения, быстрых ионов, у-квантов, нейтронов и т.п. с высокой частотой повторения импульсов. Самообновление поверхности мишени позволяет значительно реже, по сравнению с твердотельными мишенями, сдвигать мишень. Кроме того, поверхность жидкости может быть использована многократно (так как на ней не образуется кратеров), что значительно увеличивает ресурс по количеству выстрелов.

В целом подходы и методики, развитые в диссертационной работе, могут использоваться в таких областях, как физика плазмы и физика УТС для решения следующих прикладных и фундаментальных задач:

1 диагностика плотной плазмы; создание источников тяжелых ионов с большим зарядом и энергией; создание различных источников плазменных излучений и частиц с высокой частотой повторения импульсов.

Защищаемые положения

1. Импульсная лазерная очистка поверхности мишени от слоя углеводородных соединений и окислов (плотность энергии очищающего излучения 3 Дж/см2, опережение относительно фемтосекундного импульса 100 мкс) приводит к существенному увеличению числа быстрых ионов основного вещества мишени и значительному увеличению среднего и максимального заряда быстрых ионов из плазмы, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным излучением с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищенной поверхности.

2. Наблюдаемые в экспериментах по воздействию высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью свыше 1016 Вт/см2 на очищенную поверхность твердотельной мишени вольфрама и кремния зарядовый и энергетический спектры быстрых ионов основного вещества мишени определяются эффективной ударной ионизацией ионов тепловыми электронами в поверхностном слое плазмы и ускорением ионов за счет горячей электронной компоненты.

3. Твердотельная плазма, формируемая фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью

-1010 Вт/см на свободной поверхности жидкости с низким давлением насыщенного пара, является эффективным и стабильным источником жесткого некогерентного рентгеновского излучения и быстрых ионов.

4. Оценка средней энергии горячих электронов плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом на поверхности твердотельной мишени, может быть получена путем аппроксимации времяпролетного сигнала ионного тока плазмы в рамках одномерной адиабатической модели разлета плазмы, состоящей из протонов и горячих электронов.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований, представленных в диссертации, докладывались автором на следующих научных конференциях: 2-ая международная конференция молодых ученых и специалистов «0птика-2001» (Санкт-Петербург, Россия, 2001), девятая международная конференция студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов 2002» (Москва, Россия, 2002), международная конференция по квантовой электронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция по лазерной оптике Laser 0ptics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 3-ий международный симпозиум по сверхбыстрой и интенсивной лазерной науке ISUILS-3 (Палермо, Италия,

2004), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2005 (Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия,

2005), 4-ый симпозиум «Сложные системы заряженных частиц и их взаимодействие с электромагнитным излучением. Физика сложных систем.» (Москва, Россия, 2006), XII конференция по лазерной оптике Laser Optics-2006 (Санкт-Петербург, Россия, 2006), международная школа по квантовой электронике «Вещество в сверх-интенсивных лазерных полях» (Эриче, Италия, 2006). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конференциях: 4-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2001 (Санкт-Петербург, Россия, 2001), международная конференция по квантовой электронике IQEC/LAT-YS 2002 (Москва, Россия, 2002), XI конференция по лазерной оптике Laser Optics-2003 (Санкт-Петербург, Россия, 2003), 12-ый международный симпозиум по лазерной физики Laser Physics-2003 (Гамбург, Германия, 2003), 5-ый итало-российский симпозиум по проблемам лазерной физики и технологий ITARUS 2003 (Москва, Россия, 2003), 2-ая международная конференция «Рубежи нелинейной физики» (Нижний Новгород - Санкт-Петербург, Россия, 2004), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO 2005 (Санкт-Петербург, Россия, 2005), конференция по лазерам и электрооптике CLEO/EUROPE 2005 (Мюнхен, Германия, 2005), 3-ий симпозиум «Плазма и ее взаимодействие с электромагнитным излучением» (Москва, Россия, 2005), 2-ой симпозиум по фотонике и лазерным технологиям (Каяни, Финляндия, 2005), международный симпозиум по актуальным проблемам нелинейной волновой физики NWP-2005 (Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия, 2005), российско-немецкий симпозиум по лазерной физике (Нижний Новгород, Россия, 2005).

По теме диссертации опубликовано 17 работ в рецензируемых научных изданиях, в том числе 7 статей в отечественных и зарубежных научных журналах и 9 статей в сборниках и трудах конференций, 1 препринт и 21 тезис докладов.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором лично, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялось проведение экспериментов, обработка экспериментальных данных, анализ результатов эксперимента с помощью существующих численных моделей, анализ теоретических моделей разлета ионов, а также интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 119 страницах, включает 55 рисунков, 2 таблицы и список литературы (общее число ссылок 119).

§3.4 Основные результаты главы 3

Таким образом, на примере мишеней и вакуумного масла и жидкого галлия экспериментально продемонстрировано, что:

• жидкость с малым давлением насыщенных паров можно использовать в качестве мишени для создания на её поверхности высокотемпературной твердотельной фемтосекундной лазерной плазмы. Такая плазма может служить эффективным источником быстрых ионов и рентгеновского излучения. При интенсивности лазерного импульса 2*1016 Вт/см2 средняя энергия горячих электронов плазмы на поверхности жидкого галлия составляет 9.3±1.1 кэВ. Эта величина хорошо согласуется с теоретическим значением (<Еь>~10.1 кэВ). Конверсия энергии лазерного импульса в тормозное рентгеновское излучение с энергией кванта более 2.5 кэВ составила (2.2±0.4)-10'4%, а в спектральный диапазон более 7.5 кэВ - (4.2±0.5)-10'5%. Это позволяет оценить, что средняя мощность рентгеновского источника с энергиями квантов более 2.5 кэВ в телесный угол 4л в режиме 10 Гц составляет 5 нВт. Скорости быстрых протонов, вылетающих из плазмы на поверхности жидкости, достигают тех же величин, что и в плазме, формируемой на поверхности твердотельных мишеней (-2-108 м/с).

• На основе анализа особенностей взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса с поверхностью жидкости разработаны основные критерии отбора мишени. Наиболее важным является наличие у жидкости низкого давления насыщенных паров. Кроме того, необходимо учитывать скорость восстановления поверхности жидкости к исходному состоянию и скорость восстановления теплофизических свойств жидкости. Особенно важно это становится при использовании для формирования плазмы лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов.

• Показано, что жидкий галлий, нагретый до 270°С, может быть использован в качестве мишени для создания стабильного источника жесткого тормозного некогерентного рентгеновского излучения с частой повторения импульсов 10 Гц. Такую мишень не требуется сдвигать или обновлять после каждого лазерного выстрела. Падение выхода рентгеновского излучения в спектральный диапазон более 2.5 кэВ после 50000 лазерных выстрелов в одну точку мишени составило не более 25%. Снижение выхода рентгеновского излучения связано с падением уровня жидкости вследствие выноса вещества в каждом лазерном выстреле и может быть легко скомпенсировано дополнительной фокусировкой объектива или повышением уровня жидкости.

В главе также продемонстрировано, что методика оценки средней энергии горячих электронов плазмы с помощью аппроксимации протонного пика во времяпролетном ионном сигнале аналитической зависимостью, получаемой в рамках адиабатической модели разлета плазмы с учётом нелинейности отклика МКП, позволяет получать адекватные результаты. Оценки, получаемые с помощью предлагаемой методики, совпадают с оценками, получаемыми в рамках ранее разработанной рентгеновской методики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Импульсная лазерная очистка твердотельной мишени позволила выявить ряд принципиальных особенностей ускорения и ионизации быстрых ионов в плазме, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом

• В условиях очистки поверхности твердотельной мишени от слоя углеводородов и окислов дополнительным наносекундным импульсом (плотность мощности 3 Дж/см2, время задержки между импульсами 100 мкс), происходит ускорение тяжелых ионов основного вещества амбиполярным полем горячих электронов, которое на исходной поверхности экранируется более легкими ионами (в первую очередь протонами). В итоге максимальная энергия ионов вольфрама увеличилась от 150 кэВ до 1 МэВ.

• В плазме на чистой поверхности существенной модификации подвергается зарядовый состав ионов основного материала мишени. Средний заряд ионов кремния увеличился с 3+ до 4+, а максимальный с 5+ до 12+, для ионов вольфрама максимальный заряд увеличился с 5+ до 29+.

• Заряд медленных ионов существенно уменьшается из-за рекомбинации при разлете плазмы. Быстрые ионы либо не рекомбинируют в процессе разлета плазмы, либо скорость их рекомбинации не зависит от заряда и скорости ионов.

• В энергетических спектрах легких ионов (водород, углерод, кислород) наблюдаются глубокие амплитудные модуляции. Глубина модуляций достигает одного порядка по амплитуде. Возможные причины появления модуляций могут быть связаны, как с разделением ионов в пространстве из-за существенно разных температур тепловых и горячих электронов, так и с влиянием электростатического поля на фронте горячих электронов на легкие ионы.

• В плазме, формируемой на поверхности очищенной вольфрамовой мишени лазерным импульсом с интенсивностью от 4-Ю15 Вт/см2 до 2.5-1016 Вт/см2 наблюдаются ионы с зарядом, превышающим заряд предсказываемый при учете только ударной ионизации. Основным механизмом ионизации таких ионов является, по-видимому, ударная ионизация в присутствии внешнего квазистатического амбиполярного поля. Существенный вклад, однако, может внести и прямая надпороговая ионизация этим полем.

2) Проведенные исследования позволяют предложить следующую картину ионизации и ускорения быстрых ионов в высокотемпературной плазме, формируемой высококонтрастным фемтосекундным лазерным импульсом. Нагрев мишени передним фронтом лазерного импульса приводит к формированию на её поверхности градиента плотности ионов и электронов в плазме. Это происходит даже в случае, если мишень изначально обладала резкой границей, то есть предымпульс отсутствовал. Для высококонтрастного лазерного импульса с длительность порядка 100 фс пространственный масштаб градиента плотности плазмы составляет порядка нескольких десятков нанометров в момент прихода максимума лазерного импульса. Следовательно, лазерное излучение поглощается преимущественно в плазме с плотностью ниже твердотельной, но значительно выше критической плотности. Во внешних слоях плазмы тепловые электроны оказываются нагреты в 2-3 раза сильнее, чем в глубине мишени. Например, в плазме кремния для условий, при которых проводился эксперимент, температура электронов в глубине мишени не превышает 150 эВ, а над поверхностью мишени достигает 300 эВ.

Ионизация в глубине мишени и на её поверхности также происходит по-разному. В поверхностной области благодаря более высокой температуре тепловых электронов и более низкой концентрации плазмы средний заряд ионов достигает больших значений, чем в глубине мишени. Однако, необходимо учитывать, что время требуемое для достижения равновесного состояния увеличивается в плазме с низкой плотностью. Это значит, что в области с низкой плотностью средний заряд ионов достигает равновесного значения позже, чем в более плотной области. При наших экспериментальных условиях средний заряд ионов на поверхности мишени в плазме кремния достигает 9+, а в плазме вольфрама 23+. Дополнительное влияние на заряд ионов может оказывать ударная ионизация в присутствии амбиполярного поля и надбарьерная ионизация этим полем.

Горячие электроны ускоряются непосредственно электромагнитным полем лазерного импульса и появляются в области критической плотности плазмы, то есть над поверхностью мишени. Концентрация горячих электронов мала по сравнению с концентрацией тепловых электронов, и они практически не влияют на заряд ионов. Вылетая из плазмы, электроны формируют квазистатическое амбиполярное поле, которое ускоряет ионы. Подобно электронам, ионы в своем распределении по энергиям имеют быструю и медленную компоненты. Причем, ионы с более высоким зарядом, находящиеся в момент формирования плазмы в приповерхностной области, ускоряются преимущественно горячими электронами. Ионы из более глубоких слоев плазмы ускоряются тепловыми электронами. Малая плотность и высокая скорость быстрых ионов приводит к тому, что они не испытывают рекомбинации в плазме, и их ионизационное состояние «замораживается». Для быстрых ионов играет роль лишь рекомбинация в результате перезарядки на молекулах остаточного газа в камере взаимодействия. При давлении в камере взаимодействия около 10"5торр за время порядка 1 мкс заряд ионов кремния уменьшится не более чем на 1, а ионов вольфрама на 4-5. Медленные ионы испытывают значительную рекомбинацию в плазме.

В случае использования мишени, не подвергнутой предварительной очистке, в поверхностной области плазмы, главным образом, находятся ионы водорода и углерода. Именно они ионизуются наиболее сильно и ускоряются горячими электронами. Ионы основного вещества мишени в этом случае ионизуются слабо, ускоряются тепловыми электронами и к тому же значительно рекомбинируют при разлете плазмы.

3) Предложенная методика оценки средней энергии горячих электронов плазме с помощью аппроксимации аналитической зависимостью протонного сигнала в регистрируемом времяпролетном ионном токе плазмы позволяет оценивать среднюю энергию горячих электронов в плазме в каждом лазерном выстреле. Аналитическая зависимость строится исходя из «адиабатической» модели одномерного разлета плазмы. При этом учитывается нелинейность отклика микроканальной пластины, регистрирующей ионы. В диапазоне интенсивностей лазерного импульса от 1016 Вт/см2 до 2-Ю16 Вт/см2 оценки, получаемые с помощью данной методики, совпадают с оценками, получаемыми по выходу рентгеновского излучения. Так средняя энергия горячих электронов, оцененная в одном и том же лазерном выстреле с помощью ранее разработанной рентгеновской методики, составила <Еь>=6.6±0.8 кэВ, а с помощью ионной методики - <Еь>=6.3±0.3 кэВ

I/ 'У для1=1.8-10 Вт/см и плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1).

4) Экспериментально продемонстрировано, что жидкость с малым давлением насыщенных паров можно использовать в качестве мишени для создания на её поверхности высокотемпературной твердотельной фемтосекундной лазерной плазмы.

• Проанализированы особенности взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса с поверхностью жидкости и разработаны основные критерии выбора мишени. Наиболее существенным является требование малости давления насыщенного пара жидкости. Из оценок следует, что для того, чтобы избежать эффектов самовоздействия и самофокусировки лазерного импульса необходимо, чтобы давление в камере взаимодействия было менее 1 торр. В случае использования лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов важно выбирать жидкость, обладающую высокой теплопроводностью и большой скоростью выравнивания поверхности.

IЛ "У

• При интенсивности лазерного импульса ~10 Вт/см средняя энергия горячих электронов <Еь> в плазме на поверхности вакуумного масла составляет от 3 до 18 кэВ. Оптическая диагностика поверхности мишени показала, что большой разброс <Еь> связан с медленным остыванием области воздействия после лазерного выстрела и парением масла.

Скорость фронта быстрых протонов, вылетающих из плазмы, сформированной на поверхности масла ВМ-1, лазерным импульсом с интенсивностью до 2-10 Вт/см совпадает со скоростью протонов, вылетающих из плазмы, формируемой на твердотельных мишенях (например, кремнии). Оценка для средней энергии электронов, ускоряющих протоны, говорит о том, что такие протоны ускорены горячими электронами, то есть плазма, формируемая на поверхности жидкой мишени, является эффективным источником быстрых протонов.

Жидкий галлий, нагретый до 270°С, может быть использован в качестве мишени для создания стабильного источника жесткого тормозного некогерентного рентгеновского излучения с частой повторения импульсов 10 Гц. Такую мишень не требуется сдвигать или обновлять после каждого лазерного выстрела. Снижение выхода рентгеновского излучения в спектральный диапазон более 2.5 кэВ после 50000 лазерных выстрелов в одну точку мишени составило не более 25%. Такое снижение связано с падением уровня жидкости в результате выноса вещества в каждом лазерном выстреле и может быть легко скомпенсировано дополнительной фокусировкой объектива или повышением уровня жидкости.

Температура мишени сильно влияет на скорость снижения уровня жидкости в результате выноса вещества лазерным импульсом. При температуре галлия Тса=50°С снижение выхода рентгеновского излучения на 25% наблюдалось уже через 4000 лазерных выстрела.

Конверсия энергии лазерного импульса в тормозное рентгеновское излучение с энергией кванта более 2.5 кэВ составила (2.210.4)-10^%, а в спектральный диапазон более 7.5 кэВ - (4.210.5)-10'5%. Это позволяет оценить, что средняя мощность рентгеновского источника с энергиями квантов более 2.5 кэВ в телесный угол 4л в режиме 10 Гц составляет 5 нВт.

1. R.A. Snavely, M.H. Key, S.P. Hatchett, Т.Е. Cowan, M. Roth, T.W. Phillips, M.A. Stoyer, E.A. Henry, T.C. Sangster, M.S. Singh, S.C. Wilks, A. MacKinnon, A. Offenberger,

2. D.M. Pennington, K. Yasuike, A.B. Langdon, B.F. Lasinski, J. Johnson, M.D. Perry, and

3. E.M. Campbell "Intense High-Energy Proton Beams from Petawatt-Laser Irradiation of Solids"// Phys. Rev. Lett. 85,2945-2948 (2000).

4. P.B. Волков, C.A. Гаврилов, Д.М. Голишников, B.M. Гордиенко, П.М. Михеев, А.Б. Савельев, A.A. Серов "Генерация горячих частиц в фемтосекундной плазме с использованием твердотельных модифицированных мишеней"// Квантовая электроника 31,241-246(2001).

5. М. Roth, М. Allen, Р. Audebert, Е. Brambrink, Т.Е. Cowan, J. Fuchs, J.-C. Gauthier,

6. M. Geißel, М. Hegelich, S. Karsch, J. Meyer-ter-Vehn, H. Ruhl, T. Schlegel and R.B. Stephens "The generation of high-quality, intense ion beams by ultra-intense lasers"// Plasma Phys. Control. Fusion 44, B99-B108 (2002).

7. A.B. Кильпио, Н.Г. Киселев, П.П. Пашинин, И.В. Рудской, Б.Ю. Шарков, Е.В. Шашков, A.B. Шумшуров «Исследование энергетических спектров многозарядных ионов Ti из лазерной плазмы» // Квантовая Электроника, 35(7), 638-640 (2005).

8. Р.В. Волков, Д.М. Голишников, В.М. Гордиенко, А.Б. Савельев, B.C. Черныш "Имплантация высокоэнергетичных ионов под действием фемтосекундного лазерного излучения"// Квантовая Электроника, 35(1), 33-37 (2005).

9. М.М. Basko "New developments in the theory of ICF targets, and fast ignition with heavy ions7/ Plasma Phys. Control. Fusion 45, A125-A132 (2003).

10. P.A. Norreys, K.M. Krushelnick, M. Zepf "PW lasers: matter in extreme laser fields", Plasma Phys. Control. Fusion 46, B13-B21 (2004).

11. V.Y. Bychenkov, W. Rozmus, A. Maksimchuk, D. Umstadter, C.E. Capjack "Fast ignitor concept with light ions"// Plasma Phys. Rep. 27,1017-1020 (2001).

12. V.M. Gordienko, I.M. Lachko, P.M. Mikheev, A.B. Savel'ev, D.S. Uryupina and

13. R.V. Volkov "Experimental characterization of hot electron production under femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities"// Plasma Phys. Control. Fusion 44,2555-2568 (2002).

14. A.A. Андреев, А.И. Запысов, A.B. Чарухчев, В.Е. Яшин "Генерация рентгеновского излучения и быстрых частиц высокоинтенсивными лазерными импульсами"// Известия АН, серия физическая, т.63, №6, с.1237-1252 (1999); УФН 169,72-78 (1999).

15. T. Ditmire, E. Springate, J.W.G. Tisch, Y.L. Shao, M.B. Mason, N. Hay, J.P. Marangos, and M.H.R. Hutchinson, "Explosion of atomic clusters heated by high-intensity femtosecond laser pulses"// Physical Review A 57,369-381 (1998).

16. D.D. Meyerhofer, H. Chen, J.A. Delettrez, B. Soom, S. Uchida, and B. Yaakobi "Resonance absorption in high-intensity contrast, picosecond laser-plasma interactions"// Phys. Fluids В 5, 2584-2588 (1993).

17. P. Gibbon, R. Förster "Short-pulse laser-plasma interactions"// Plasma Phys. Control. Fusion 38,769-793 (1996).

18. F. Begay, D.W. Forslund, Phys. Fluids 25,675 (1982).

19. M. Zepf, E.L. Clark, F.N. Beg, R.J. Clarke, A.E. Dangor, A. Gopal, K. Krushelnick,

20. P.A. Norreys, M. Tatarakis, U. Wagner, and M.S. Wei "Proton acceleration from high-intensity laser interactions with thin foil targets"// Phys. Rev. Lett., 90,064801 (2003).

21. P.B. Волков, Д.М. Голишников, B.M. Гордиенко, М.С. Джиджоев, И.М. Лачко,

22. Б.В. Марьин, П.М. Михеев, А.Б. Савельев, Д.С. Урюпина, A.A. Шашков "Формирование ионного тока высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазмы на поверхности мишени содержащей слой загрязнений"// Квантовая электроника 33,981-986 (2003).

23. P. McKenna, K.W.D. Ledingham, J.M. Yang, L. Robson, T. McCanny, S. Shimizu, R.J. Clarke, D. Neely, K. Spohr, R. Chapman, R.P. Singhai, K. Krushelnick, M.S. Wei,

24. M. Allen, P.K. Patel, A. Mackinnon, D. Price, S. Wilks, E. Morse "Direct experimental evidence of back-surface ion acceleration from laser-irradiated gold foils"// Phys. Rev. Lett. 93, 265004 (2004).

25. В. Soom, H. Chen, Y. Fisher, D.D. Meyerhofer "Strong Ka emission in picosecond laserplasma interactions"// J. Appl. Phys. 74,5372-5377 (1993).

26. D. Riley, J.J. Angulo-Gareta, F.Y. Khattak, and M.J. Lamb "Ka yields from Ti foils irradiated with ultrashort laser pulses"// Phys. Rev. E 71,016406 (2005).

27. T. Doppner, Th. Fennel, Th. Diederich, J. Tiggesbaumker, and K.H. Meiwes-Broer "Controlling the coulomb explosion of silver clusters by femtosecond dual-pulse laser excitation"//Phys. Rev. Lett. 94,013401 (2005).

28. D.R. Symes, A.J. Comley, and R.A. Smith "Fast-ion production from short-pulse irradiation of ethanol microdroplets"// Phys. Rev. Lett. 93,145004 (2004).

29. M. Schniirer, D. Hilscher, U. Jahnke, S. Ter-Avetisyan, S. Busch, M. Kalachnikov, H. Stiel, P. V. Nickles, and W. Sandner "Explosion characteristics of intense femtosecond-laser-driven water droplets" // Phys. Rev. E 70,056401 (2004).

30. Y. Jiang, T. Lee, and C.G. Rose-Petruck "Generation of ultrashort hard-x-ray pulses with tabletop laser systems at a 2 kHz repetition rate"// JOS A B, 20,229-237 (2003).

31. Y.T. Li, J. Zhang, Z.M. Sheng, H. Teng, T.J. Liang, X.Y. Peng, X. Lu, Y.J. Li, and

32. X.W. Tang "Spatial distribution of high-energy electron emission from water plasmas produced by femtosecond laser pulses"// Phys. Rev. Lett. 90,165002 (2003).

33. B. Hopp, Z. Toth, K. Gal, A. Mechler, Zs. Bor, S.D. Moustaizis, S. Georgiou, C. Fotakis "Time-resolved investigation of the transient surface reflection changes of subpicosecond excimer laser ablated liquids"// Applied Physics A, 69, S191-SI94 (1999).

34. J. Noack, D.X. Hammer, G.D. Noojin, B. Rockwell, A. Vogel "Influence of pulse duration on mechanical effects after laser-induced breakdown in water"// J. Appl. Phys., 83,7488-7495 (1998).

35. A.B. Гуревич, JI.B. Парийская, JI.B. Питаевский "Автомодельное движение разреженной плазмы"// ЖЭТФ 49,647-654 (1965).

36. L.M. Wickens, J.E. Allen, Р.Т. Rumsby "Ion emission from laser-produced plasmas with two electron temperatures"// Phys. Rev. Lett. 41,243-246 (1978).

37. L.M. Wickens, J.E. Allen "Ion emission from laser-produced, multi-ion species, two-electron temperature plasmas"// Phys. Fluids 24,1894-1899 (1981).

38. A.B. Гуревич, А.П. Мещеркин "Ускорение ионов в расширяющейся плазме"// ЖЭТФ 80,1811-1826(1981).

39. J.E. Crow, P.L. Auer, J.E. Allen "The expansion of plasma into a vacuum"// J. Plasma Physics 14, part 1,65-76 (1975).

40. J.S. Pearlman, R.L. Morse "Maximum expansion velocities of laser-produced plasmas"// Phys. Rev. Lett. 40,1652-1655 (1978).

41. J. Denavit "Collisionless plasma expansion into a vacuum"// Phys. Fluids 22,1384-1392 (1979).

42. Y. Kishimoto, K. Mima, T. Watanabe, K. Nishikawa "Analysis of fast-ion velocity distributions in laser plasmas with a truncated Maxwellian velocity distribution of hot electrons"// Phys. Fluids 26,2308-2315 (1983).

43. Д.С. Дорожкина, B.E. Семенов "Точное решение задачи о квазинейтральном расширении в вакуум локализованной бесстолкновительной плазмы с холодными ионами"// Письма в ЖЭТФ 67,543-547 (1998); Phys. Rev. Lett. 81,2691-2694 (1998).

44. В.Ф. Ковалев, В.Ю. Быченков, В.Т. Тихончук "Ускорение ионов при адиабатическом разлете плазмы: ренормгрупповой подход"// Письма в ЖЭТФ 74,12-16 (2001).

45. В.Ф. Ковалев, В.Ю. Быченков, В.Т. Тихончук "Динамика частиц при адиабатическом разлете плазменного сгустка"// ЖЭТФ 122,264-281 (2002).

46. V.P. Kovalev, V.Yu. Bychenkov "Analytic solutions to the Vlasov equations for expanding plasmas"// Phys. Rev. Lett. 90,185004 (2003).

47. Y. Sentoku, Т.Е. Cowan, A. Kemp, H. Ruhl "High energy proton acceleration in interaction of short laser pulse with dense plasma target"// Phys. Plasmas 10,2009-2015 (2003).

48. S.C. Wilks, A.B. Langdon, Т.Е. Cowan, M. Roth, M. Singh, S. Hatchett, M.H. Key,

49. D. Pennington, A. MacKinnon, R.A. Snavely "Energetic proton generation in ultra-intense lasersolid interactions"// Phys. Plasmas 8,542-549 (2001).

50. E. d'Humieres, E. Lefebyre, L. Gremillet, V. Malka "Proton acceleration mechanisms in high-intensity laser interaction with thin foils"// Phys. Plasmas 12,062704 (2005).

51. A. Zhidkov, M. Uesaka, A. Sasaki, H. Daido "Ion acceleration in a solitary wave by an intense picosecond laser pulse"// Phys. Rev. Lett. 89,215002 (2002).

52. Y. Sentoku, V.Y. Bychenkov, K. Flippo, A. Maksimchuk, K. Mima, G. Mourou, Z.M. Sheng, D. Umstadter "High-energy ion generation in interaction of short laser pulse with high-density plasma"// Appl. Phys. В 74,207-215 (2002).

53. A. Zhidkov, A. Sasaki, T. Tajima "Energetic-multiple-charged-ion sources on short-laser-pulse irradiated foils"// Review of Scientific Instruments 71,931-934 (2000).

54. Е.Г. Гамалий, В.Т. Тихончук "О воздействии мощных ультракоротких импульсов света на вещество"// Письма в ЖЭТФ 48,413-415 (1988).

55. Н.И. Коротеев, И.Л. Шумай, Физика мощного лазерного излучения, М:. Наука, 1991.

56. А.Ф. Александров, А.А. Рухадзе, Лекции по электродинамике плазмоподобных сред, Москва, Издательство Московского университета, 1999.

57. Ю.П. Райзер, Физика газового разряда, М:. Наука, 1987.

58. М. Murane, Н. Kapteyn, М. Rosen, R. Falcone "Ultrafast x-ray pulses from laser produced plasmas"// Science, 251,531 (1991).

59. D.W. Forslund, J.M. Kindel, K. Lee "Theory of hot-electron spectra at high laser intensity"// Phys. Rev. Lett. 39,284-288 (1977).

60. W.L. Kruer, K. Estabrook "Laser light absorption due to self-generated magnetic field"// Phys. Fluids 20,1688(1977).

61. A.A. Andreev, E.G. Gamalii, V.N. Novikov et al, "Plasma heating by ultrashort laser pulse in the regime of anomalous skin-effect"// (Superintense Laser Fields: Generation, Interaction with

62. Matter, and X-Ray Sources, St. Peterburg, Russia, 24-27 Sept. 1991) Proc. SPIE, v. 1800, p.86-97 (1992); ЖЭТФ 101,1808-1825 (1992).

63. P. Gibbon, A.R. Bell "Collisionless absorption in sharp-edged plasmas"// Phys. Rev. Lett. 68, 1535-1538(1992).

64. F. Brunei "Not-so-resonant, resonant absorption"// Phys. Rev. Lett. 59,52-55 (1987).

65. D. Giulietti, L.A. Gizzi, X-ray emission from laser-produced plasmas, Editrice Compositori, Bologna, Italy, 1998.

66. А.Б. Савельев "Управление свойствами плотной плазмы фемтосекундного лазерного импульса и инициирование низкоэнергетических ядерных процессов" диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, Москва, 2004.

67. E.G. Gamaly "Ultrashort powerful laser-matter interactions: physical problems, models and computations"// Laser and Particle Beams 12, 185-208 (1993).

68. JÏ.A. Вайнштейн, И.И. Собельман, E.A. Юков, Возбуждение атомов и уширение спектральных линий, М,: Наука, 1979.

69. J1.A. Вайнштейн, В.П. Шевелько, Структура и характеристики ионов в горячей плазме, М.: Наука, 1986.

70. А.А. Русанов "Ионизация и рекомбинация в расширяющейся плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва, 2006.

71. Я.Б. Зельдович, Ю.П. Райзер Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений. М., Наука, 1966.

72. Т. Ditmire, J. Zweiback, V.P. Yanovsky, Т.Е. Cowan, G. Hays, K.B. Wharton// Nature 398, 489-492(1999).

73. J. Denavit "Absorption of high-intensity sub-picosecond lasers on solid density targets"// Phys. Rev. Lett. 69,3053-3056 (1992).

74. L.O. Silva, M. Marti, J.R. Davies, R.A. Fonseca, C. Ren, F.S. Tsung, W.B. Mori "Proton shock acceleration in laser-plasma interactions"// Phys. Rev. Lett. 92,015002 (2004).

75. P. Mora, R. Pellat "Self-similar expansion of plasma into a vacuum"// Phys. Fluids 22,2300-2304(1979).

76. P. Mora "Plasma expansion into a vacuum"// Phys. Rev. Lett. 90,185002 (2003).

77. A.J. Kemp, H. Ruhl "Multispecies ion acceleration of laser-irradiated water droplets"// Phys. Plasmas 12,033105 (2005).

78. Н.Г. Басов, Ю.А. Захаренков, А.А. Рупасов и др., Диагностика плотной плазмы, М.: Наука, 1988.

79. W.L. McLaughlin, Chen Yun-Dong, C.G. Soares, A. Miller, G. Van Dyk D.F. Lewis "Sensitometry of the response of a new radiochromic film dosimeter to gamma radiation and electron beams"//Nucl. Instr. Methods Phys. Res., Sect. A 302,165-176 (1991).

80. P.B. Волков, B.M. Гордиенко, M.C. Джиджоев, M.A. Жуков, П.М. Михеев,

81. А.Б. Савельев, А.А. Шашков "Управление свойствами и диагностика фемтосекундной плотной плазмы с использованием модифицированных мишеней"// Квантовая электроника 24,1114-1126 (1997).

82. D. von der Linde, К. Sokolowski-Tinten, J. Bialkowski „Laser-solid interaction in the femtosecond time regime "// Applied Surface Science 109/110,1-10 (1997).

83. B.C. Stuart, M.D. Feit, S. Herman, A.M. Rubenchik, B.W. Shore, and M.D. Perry "Nanosecond-to-femtosecond laser-induced breakdown in dielectrics"// Phys.Rev. В 53 17491761 (1996).

84. S.J. Gitomer, R.D. Jones, F. Begay, A.W. Ehler, J.F. Kephart, and R. Kristal "Fast ions and hot electrons in the laser-plasma interaction"// Phys. Fluids 29,2679-2687 (1988).

85. X. Wu, E. Sacher, M. Meunier "The effects of hydrogen bonds on the adhesion of inorganic oxide particles on hydrophilic silicon surfaces"// J. Appl. Phys. 80,1744-1748 (1999).

86. M. Праттон, "Введение в физику поверхности", РХД, Ижевск, 2000.

87. A. Tsunemi, К. Hagiwara, N. Saito, К. Wagasaka, Y. Miyamoto, О. Suto, H. Tashiro "Complete removal of paint from metal surface by ablation with a TEA CO2 laser"// Appl. Phys. A 63,435-439(1996).

88. X. Wu, E. Sacher, M. Meunier "The modeling of excimer laser particle removal from hydrophilic silicon surfaces"// J. Appl. Phys. 87,3618-3627 (2000).

89. Y.F. Lu, Y.W. Zheng, W.D. Song "Laser induced removal of spherical particles from silicon wafers"// J. Appl. Phys. 87,1534-1539 (2000).

90. Y.W. Zheng, B.S. Luk'ynchuk, Y.F. Lu, W.D. Song, Z.H. Mai "Dry laser cleaning of particles from solid substrates: experiments and theory"// J. Appl. Phys. 90,2135-2142 (2001).

91. Физические величины: Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова.-М.; Энергоатомиздат, 1991.

92. С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин, Физическая оптика, Москва, Издательство Московского университета, 1998.

93. M. Ye, С.Р. Grigoropoulos "Time-of-flight and emission spectroscopy study of femtosecond laser ablation of titanium"// J. Appl. Phys. 89,5183-5190 (2001).

94. И.К. Кикоин, A.K. Кикоин, Молекулярная физика, Москва, «Физматгиз», 1963.

95. V.M.Gordienko, I.M.Lachko, A.A.Rusanov, A.B.Savel'ev, D.S.Uryupina, and R.V.Volkov " Enhanced production of fast multi-charged ions from plasmas formed at cleaned surface by femtosecond laser pulse"// Applied Physics В 80, 733-739 (2005).

96. P.B. Волков, B.M. Гордиенко, П.М. Михеев, А.Б. Савельев "Влияние атомного состава мишени на выход жесткого некогерентного излучения из фемтосекундной лазерной плазмы"// Квантовая электроника 30, 896-900 (2000).

97. О.В. Чутко "Квазирезонансное фотовозбуждение и конверсионный распад низкоэнергетических ядерных состояний в горячей плазме фемтосекундного лазерного импульса", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва, 2004.

98. М. Allen, Y. Sentoku, P. Audebert, A. Blazevic, T. Cowan, J. Fuchs, J.C. Gauthier,

99. M. Geissel, M. Hegelich, S. Karsch, E. Morse, P.K. Patel, and M. Roth "Proton spectra from ultraintense laser-plasma interaction with thin foils: experiments, theory, and simulation"// Phys. Plasmas 10,3283-3289 (2003).

100. S. Ter-Avetisyan, M. Schnurer, S. Busch, E. Risse, P.V. Nickles, and W. Sandner "Spectral dips in ion emission emerging from ultrashort laser-driven plasmas" // Phys. Rev. Lett. 93, 155006 (2004).

101. V.M. Gordienko, M.A. Joukov, A.B. Savel'ev, et al., Application of High Field and Short Wavelength Sources, p. 155 (Plenum Press, New York, 1998).

102. В. Toftmann, J. Schou, T.N. Hansen, and J.G. Lunney "Angular Distribution of Electron Temperature and Density in a Laser-Ablation Plume"// Phys. Rev. Lett. 84,3998-4001 (2000).

103. A. Thum-Jaeger, B.K. Sinha, K.P. Rohr "Experimental investigations of quenching of ionization states in a freely expanding, recombining laser-produced plasma"// Phys. Rev. E 61, 3063-3068 (2000).

104. А. Варанавичюс, T.B. Власов, P.B. Волков, С.А. Гаврилов, B.M. Гордиенко,

105. А. Дубетис, Э. Жеромские, А.Пискарскас, А.Б. Савельев, Г. Тамошаускас "Зависимостьвыхода жесткого рентгеновского излучения из плотной плазмы от длины волны греющего сверхкороткого лазерного импульса"// Квантовая электроника 30,523-528 (2000).

106. С. Rose-Petruck, К.J. Schafer, C.P.J. Barty, SPIE Proc. 2523,272 (1995).

107. C. Rose-Petruck, K.J. Schafer, K.R. Wilson, C.P.J. Barty „Ultrafast electron dynamics and inner-shell ionization in laser driven clusters"// Phys. Rev. A 55,1182-1190 (1997).

108. E.M. Snyder, S.A. Buzza, A.W. Castleman, Jr. „Intense field-matter interactions: multiple ionization of clusters"// Phys. Rev. Lett. 77,3347-3350 (1996).

109. V.P. Krainov "Ionization rates and energy and angular distributions at the barrier-suppression ionization of complex atoms and atomic ions" JOSA В 14,425-431 (1997).

110. M. Passoni, V.T. Tikhonchuk, M. Lontano, V.Yu. Bychenkov "Charge separation effects in solid targets and ion acceleration with a two-temperature electron distribution" // Phys. Rev. E 69, 026411 (2004).

111. C.A. Ахманов, B.A. Выслоух, A.C. Чиркин, Оптика фемтосекундных лазерных импульсов, М.: Наука, 1988.

112. Л.Д. Ландау, Е.М. Лившиц, Механика сплошных сред, Москва, Гос.изд.тех.-теор.лит.,1954.

113. M.P.Stockli, D.Fry "Analog gain ofmicrochannel plates for 1.5-154 keV/q Arq+(3<q<16)"// Rev. Sci. Instrum., 68,3053-3060 (1997).

114. В.М. Гордиенко, C.C. Гречин, А.А. Иванов, А.А. Подшивалов "Высокоэффективная генерация второй и третьей гармоник излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в нелинейно-оптических кристаллах "// Квантовая электроника 35,525-526 (2005).

115. П.М. Михеев "Генерация жесткого некогерентного рентгеновского излучения и возбуждение ядер в высокотемпературной фемтосекундной лазерной плазме", диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Москва, 1999.

116. R.C. Issac, G. Vieux, В. Ersfeld, Е. Brunetti, S.P. Jamison, J. Gallacher, D. Clark, and D.A. Jaroszynski "Ultra hard x rays from krypton clusters heated by intense laser fields"// Phys. Plasmas 11,3491-3496 (2004).