Источник инверсной населенности в диапазоне вакуумного ультрафиолета на основе капиллярного разряда с индуктивным накопителем энергии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ СПЕКТРОСКОПИИ

НАЗАРЕНКО Андрей Владимирович

ИСТОЧНИК ИНВЕРСНОЙ НАСЕЛЕННОСТИ В ДИАПАЗОНЕ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТА НА ОСНОВЕ КАПИЛЛЯРНОГО РАЗРЯДА С ИНДУКТИВНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ

специальность 01.04.05 - «оптика»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Троицк, 2005 г.

Работа выполнена в Институте Спектроскопии Российской Академии Наук

Научный руководитель: старший научный сотрудник, к. ф.-м. н.,

Анциферов Павел Станиславович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук *

Чекалин Сергей Васильевич (Институт Спектроскопии РАН) ч

кандидат физико-математических наук Касьянов Юрий Семенович (Институт Общей Физики РАН)

Ведущая организация: Физический Институт

им. Н.П. Лебедева РАН

Тип 2005 г. в Ц

Защита состоится «гг» ^¿<Се.)ря. 2005 г. в Ц часов на заседании Диссертационного совета Д 002.014.01 при Институте Спектроскопии РАН по адресу: 142190 Московская обл., г. Троицк, Институт Спектроскопии РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института Спектроскопии РАН

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Диссертационного совета, Профессор, v• ~ М.Н/ Попова Доктор физико-математических наук

¥ *

225ЪШ

Актуальность работы. Расширение диапазона доступных длин волн, на которых осуществляется генерация лазерного излучения является одной из основных проблем лазерной физики. Продвижение в область коротких длин волн (менее 1000 ангстрем) связано с рядом трудностей как технического, так и принципиального характера, поэтому рентгеновские лазеры по-прежнему остаются реализованными лишь в рамках редких и экзотических лабораторных установок. Ожидается, что дальнейшее развитие в этой области приведет к созданию недорогих компактных источников усиленного спонтанного излучения в мягком рентгеновском диапазоне, что позволит в полной мере использовать возможности коротковолновых лазеров. Одним из наиболее очевидных путей подобного развития является переход от источников на основе лазерной плазмы, к разрядным.

Хотя плазма электрических разрядов менее выгодна с точки зрения достижимых плотностей мощности энерговклада, следует упомянуть как минимум два ее преимущества: существенно более высокая суммарная энергия, вкладываемая в вещество, позволяет, при прочих равных условиях, получить существенно больший энергетический выход по сравнению с лазерной накачкой, вплоть до энергий импульса порядка миллиджоуля [1]. Второе преимущество заключается в отсутствии такого громоздкого и дорогостоящего элемента как лазер накачки, что позволяет сделать рентгеновский лазер доступным настольным прибором.

Из многочисленных разновидностей разрядной плазмы, наиболее подходящей для получения эффектов УСИ является плазма капиллярных разрядов, возникающая при разряде сквозь тонкий (0.1-10 мм) и длинный (1-30 см) канал. Важными свойствами плазмы, образующейся при подобном разряде являются:

а) большое отношение длина/диаметр (до 1000). Благодаря ему плазма остается оптически тонкой в поперечном направлении, что позволяет избежать пленения излучения на переходе из нижнего рабочего уровня в основное состояние

б) Благодаря высокой начальной симметрии разряда и (возможно) стабилизирующему влиянию стенок, развитие неустойчивостей в капиллярном разряде существенно замедлено. Результатом является высокая стабильность и однородность плазменного столба при длинах в несколько сантиметров. [2]

Плотность плазмы капиллярных разрядов обычно находится в пределах Ю^-Ю20 см'3, температура может превышать 200 электронвольт.

Поэтому плазма капиллярного разряда в настоящее время считается наиболее интересным и перспективным объектом для получения инверсии населенностей при помощи электрического разряда, и ее исследованием занимается значительное количество научных коллективов (см. Главу 1).

Цель работы состоит в получении усиленного спонтанного излучения в капиллярном разряде на длине волны 46.9 нм в результате инверсии населенностей по столкновительной схеме в неоноподобном аргоне. При этом особенностью подхода является использование индуктивного накопителя с размыкателем в качестве драйвера разрядного тока. Данный драйвер позволял создать разрядную цепь без использования мегавольтных напряжений в основном разрядном контуре, что может привести к созданию простого, компактного и безопасного лазерного источника в мягком рентгеновском диапазоне. Помимо этого целью работы было показать применимость созданной схемы для получения инверсии по перезарядочному механизму, что позволило бы существенно расширить диапазон доступных длин волн.

Научная новизна

Впервые реализованы быстрые капиллярные разряды (максимальный ток до 50 кА, скорость нарастания тока до 1-2*1012 А/с) с помощью систем с индуктивным накопителем и размыкателем тока позволившие получить инверсию населенностей и усиленное спонтанное излучение на длине волны 46.9 нм в неоноподобном аргоне.

Сконструированы и оптимизированы разрядные системы с плазменно-эрозионным и полупроводниковым размыкателями.

Исследована начальная стадия пробоя в капиллярном разряде. Показано, что инициирование разряда происходит по одному или нескольким каналам вдоль внутренней стенки капилляра.

Выявлна возможность качественного определения наличия усиления в плазменном столбике путем анализа внеосевых обскурограмм. Показано, что подобный метод позволяет определять наличие даже достаточно малых (-0.05 см*1) коэффициентов усиления в плазме разряда.

Показана возможность создания аксиально-периодических плазменных структур путем коллапса ударной волны в аргоновой и углеродосодержащей плазме быстрого разряда в профилированном капилляре. Интенсивное вытекание плазмы из горячих областей вдоль оси капилляра и ее взаимодействие с областями холодной плазмы могут создать благоприятные условия для возникновения инверсии населенностей в плазме под действием механизма резонансной перезарядки.

Практическая ценность работы. Разработанный индуктивный драйвер тока позволяет получить источник усиленного спонтанного излучения на длине волны 468.8 ангстрем. Отличительной особенностью данного драйвера является возможность избежать использования сверхвысоких напряжений (свыше 40 кВ) в основном разрядном контуре, что позволяет существенно повысить доступность, компактность и безопасность лазерных источников в мягком рентгеновском диапазоне. Разработанная техника может быть применена также в других разрядных системах, где необходима высокая скорость нарастания тока.

Обнаруженный механизм создания аксиально-периодических плазменных структур путем коллапса ударной волны при разряде в профилированном капилляре

позволяет существенно расширить диапазон используемых схем инверсии и доступных длин волн.

Апробация работы. Ряд результатов, полученных в диссертации, докладывался и обсуждался на семинарах Института Спектроскопии РАН. Также результаты представлялись на следующих научных конференциях:

• X-Ray Lasers 2000, 7th International Conference on X-Ray Lasers, Saint-Malo, Франция, 19-23 июня 2000 г.

• Рентгеновская 0птика-2004, Н. Новгород, 2-6 мая 2004 г.

Публикации. По результатам исследований, изложенным в данной диссертации, были опубликованы четыре статьи.

Структура и объем работы.

Данная диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы из 95 названий. Она изложена на ¡и страницах машинописного текста, включающих 61 рисунок.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении содержится краткое описание проблематики коротковолновых лазеров. Дан обзор наиболее распространенных схем инверсии населенностей в диапазоне вакуумного ультрафиолета - столкновительной и рекомбинационной. Отдельно рассмотрена рекомбинационная схема с селективным заселением верхнего рабочего уровня путем резонансной перезарядки. Перечислены основных сложности, возникающе при продвижении в область малых длин волн и способы создания плазмы. Рассмотрены основные преимущества и недостатки лазерной и разрядной схем накачки плазмы для создания активной среды в мягком рентгеновском диапазоне.

Первая глава целиком посвящена литературному обзору, цель которого - показать современное состояние разработок в данной области. Рассмотрены публикации основных исследовательских групп, занимающихся разработкой источников коротковолнового УСИ на основе капиллярных разрядов: группы под руководством профессора Дж. Дж. Рокка в Колорадском государственном университете (США), группы проф. Г.-Й. Кунце (Институт Экспериментальной Физики, Бохум, Германия), проф. К. Колачека (Институт Физики Плазмы, Прага, Чехия), проф. А. Ритуччи (Физический Факультет Университета г. Л'Аквила, Италия), проф. Я. Хаяши (Факультет Энергетики, Токийский Технологический Институт, Япония) и проф. А. Бен-Киша (Технион, Хайфа, Израиль). Перечислены основные результаты работ данных групп и описано современное состояние разработок. Отдельно рассмотрены эксперименты, использующие столкновительную и рекомбинационную схемы получения инверсии населенностей.

Вплоть до настоящего времени, наиболее полные данные, свидетельствующие о наличии УСИ, получены в работах группы Рокка [3,4, 5-7] Значительная часть остальных работ (К. Колачек, Я. Хаяши, А. Ритуччи) выполнена без использования полного комплекса диагностики (временная зависимость сигнала рентгеновского датчика, распределение интенсивности излучения разряда в дальнем поле, обскурограммы, спектры). В то же время, следует особо отметить перспективный подход, развитый в работах группы Г.-Й. Кунце, который, в перспективе, способен существенно расширить диапазон схем инверсии и длин волн, доступных при использовании капиллярного разряда.

Вторая глдра.

В рамках настоящей диссертационной работы было создано несколько вариантов токовых драйверов, электротехнические параметры которых учитывали опыт экспериментов Рокка, описанных в Главе 1. Наиболее существенным требованием, предъявляемым к токовому драйверу, явилось требование на производную тока, которая в

начальный момент разряда не должна быть ниже 1012 А/с. Для того, чтобы лучше понять процессы в капиллярном разряде, лежащие в основе данного требования, в параграфе 2.1 приведены результаты работ по численному МГД-моделированию капиллярного разряда, изложенные в [8, 9]. Из работы [8] следует, что основным процессом, ответственным за создание благоприятных условий для инверсии населенностей в экспериментах Рокка [3, 4] является коллапс ударной волны на оси капилляра. Экспериментально установлено, что образование ударной волны в разряде требует достаточно высокой скорости нарастания тока - порядка 1012 А/сек. При низких скоростях нарастания тока также существенную роль играет взаимодействие плазмы со стенками, испарение вещества которых влияет на химический состав плазмы, и не позволяет прогреть ее до сколько-нибудь высоких температур, как было показано еще в ранних экспериментах Рокка [10]. Также, как показывают результаты [8], при низких скоростях нарастания тока, плазменный столбик может оказаться подвержен развитию неустойчивостей, что также приводит к сильной неоднородности плазмы, дополнительному контакту со стенками и нарушению геометрической формы плазмы, т.е. разрушает условия, благоприятные для усиления спонтанного излучения. Как следует из экспериментов, сам ток в разряде должен быть не ниже 20-30 кА.

Следующим необходимым условием для возникновения ударной волны является предионизация плазмы слабым током порядка 10-100 Ампер, которая, помимо облегчения условий для пробоя, выполняет еще одну важную роль. Дело в том, что в нейтральном газе, при характерных давлениях в капилляре 0.2-1 Topp длина свободного пробега частиц составляет порядка 1-5 мм, что примерно совпадает с диаметром капилляра Таким образом, длина фронта ударной волны, которая определяется длиной пробега, также составляет единицы миллиметров, и ударная волна в капилляре не сможет образоваться. При наличии предварительно ионизованной среды, длина свободного пробега существенно уменьшается за счет дальнодействующего характера кулоновских сил,

определяющего взаимодействие частиц, и длина фронта ударной волны составляет несколько десятков (до ста) микрон. Это подтверждается экспериментальными наблюдениями и результатами моделирования [8], которые позволяют оценить диаметр области, в которой происходит термализация. Таким образом, мы приходим к следующему набору необходимых параметров разряда:

1) Скорость нарастания тока в начале разряда > 1012 А/с

2) Максимальный ток в разряде >20-30 кА

3) Ток предионизапии 10-20 А

Первые эксперименты с капиллярным разрядом в Лаборатории Спектроскопии Плазмы ИСАИ были проведены с размыкателем на основе распада плазмы.

В данном размыкателе начальная плазма искусственно впрыскивается внутрь коаксиальной системы при помощи плазменных инжекторов, обеспечивающих плотность вещества 10|3-1014 см"1 при скоростях диффузии 106-108 см/с. На начальном этапе разряда эта плазма служит элементом основной токовой цепи. Скачок сопротивления происходит из-за распада плазмы вследствие ухода носителей заряда, причём возникающее магнитное поле не даёт электронам, вырванным из катода, достигнуть анода, что препятствует возникновению вторичного пробоя. Таким образом удаётся коммутировать токи до нескольких мегаампер при скоростях роста сопротивления до 10* Ом/с [11, 12].

Использованный в данной работе размыкатель довольно хорошо себя зарекомендовал на начальном этапе, обеспечивая переброс в нагрузочную цепь тока до 30 кА с фронтами 1-2*1012 А/с. При более высоких значениях переброшенного тока до 60-70 кА крутизна фронтов падала до 0.5-1*1012 А/с

Достижение подобных параметров позволило получить ряд интересных результатов при работе с плазмой капиллярного разряда, изложенных в Главе 3. К сожалению, выяснилось, что при использовании плазменного размыкателя практически все параметры кривой тока достаточно сильно меняются от разряда к разряду:

максимальный ток в пределах одной серии разрядов может различаться на 30-40%, а время нарастания тока - до двух раз. Данное обстоятельство существенно затрудняло работу. Это стимулировало интерес к поиску возможностей создания драйвера тока, отличающегося более высокой стабильностью работы. Подобным качеством обладает размыкатель на основе полупроводниковых приборов.

Для полупроводникового размыкателя воспроизводимость кривой тока определяется стабильностью работы питающего генератора, т.е. размыкатель не обладает собственной нестабильностью. Помимо более высокой стабильности, полупроводниковый размыкатель легче использовать в частотном режиме, так как общая энергетика может быть на порядок меньше, чем в плазменном.

Созданный в Лаборатории Спектроскопии Плазмы полупроводниковый размыкатель обеспечивал переброс в индуктивную нагрузку импульсов тока с амплитудой до 24 кА и характерным временем нарастания тока 20 не.

Глава третья посвящена изложению и анализу экспериментальных результатов, полученных при помощи драйверов тока, описанных в Главе 2. Глава содержит подробное описание использованной экспериментальной методики, позволявшей наиболее полно исследовать и характеризовать процессы, происходящие в разряде. Всего проводилось четыре типа экспериментов по изучению развития капиллярного разряда. Первый этап имел своей целью определить временной момент возникновения эффектов УСИ с целью дальнейшей привязки остальных экспериментов к этому моменту.

С этой целью исследовалась временная зависимость интенсивности излучения разряда (интегрированного по спектру) при различных давлениях рабочего газа. В качестве регистрирующего элемента использовался детектор на основе микроканальной пластины с временной постоянной 3 не.

Второй этап предполагал изучение пространственного распределения излучения разряда в дальнем поле с временным разрешением Размер пятна засветки позволял судить

о величине угловой расходимости излучения. Для ситуации с отсутствием усиления эта расходимость должна определяться виньетированием излучения краями капилляра, т е быть порядка 2<1/Ь (где с) и Ь - диаметр и длина капилляра, соответственно) В случае эффектов УСИ, угловая расходимость излучения должна быть существенно меньше, и определяться соотношением диаметр/длина столбика излучающей среды.

Третий этап предполагал получение обскурограмм капиллярного разряда, в том числе внеосевых. Идея данного эксперимента состоит в том, что при помещении отверстия обскуры в стороне от оси разряда, мы можем получить развертку изображения вдоль оси, и таким образом изучать не только поперечную, но и продольную структуру разряда. Наиболее хорошо этот метод зарекомендовал себя при экспериментах по созданию индуцированных перетяжек, что позволило установить местоположение перетяжек и дистанцию между ними. Также, данный метод позволил получить важную информацию по пространственному распределению излучения при наличии эффектов усиленного спонтанного излучения.

Завершающей стадией всего цикла экспериментов было получение спектров излучения капиллярного разряда. Разработанные методики получения спектров плазмы позволили осуществить покадровую регистрацию с временным разрешением 10 нсек и спектральным - порядка 0 5 А. Таким образом, оказалось возможным установить соответствие между стадиями сжатия плазмы, изученными при помощи обскурограмм на предыдущем этапе, и спектрами, соответствующими данным стадиям.

Вышеописанная методика применялась для проведения следующих экспериментов:

а) исследование разрядов с низкими значениями dl/dt (0.2-0.5х1012 А/с). На начальном этапе работ, когда первый вариант драйвера тока разряда на основе распада плазмы не мог обеспечить высоких значений dl/dt, был проделан большой объем экспериментальной работы по изучению сжатия плазменного столбика в условиях капиллярного разряда. Хотя на данном этапе не удалось обнаружить эффектов усиленного спонтанного излучения, полученная картина явилась важной отправной точкой для

понимания динамики разряда, а полученные материалы - объектом для сравнения с

последующи Табл.1. Наличие ионов аргона в плазме капиллярного разряда.

ми

эксперимента Давл., Topp 0.15 0.3 0.6 0.9 1.2 1.8 3.6

ми. В Ar VI (9 eV) - 50 нс 50 нс 60 нс 70 нс 75 не 90 нс

результате Ar VII (13 eV) - 60 нс 65 не 70 нс 80 нс 90 нс 140 нс

обработки Ar VIII (18 eV) - 70 нс 70 нс 80 нс 90 нс 120 нс 150 нс

большого Ar IX (38 eV) - 90 нс 90 нс ??? 110 нс 160 нс -

количества ArX 45 не 90 нс 120 нс 150 нс - - -

(60 eV)

спектров Ar XI (80 eV) 150 нс 180 нс - - - - -

удалось получить подробную информацию о временах появления линий излучения тех

или иных ионов в плазме при разных начальных давлениях аргона. Данная информация

I

сведена в таблице 1 (в скобках для ориентировки указаны значения температур, для которых концентрация данного иона максимальна, рассчитанные в рамках стационарной корональной модели). Серии спектров, использовавшихся для получения данных табл.1 приведены в Приложении.

б) После усовершенствования

Ar IX 46S.B А

I/

драйвера тока на основе плазменного

1 I

размыкателя оказалось возможным

получить гораздо более высокое

значение производной dl/dt. В

совокупности с использованием

......................................................ml......int

Dt « «I W «I KD 54 520 530

предионизации, это привело к

ЛщцЬшш

Рис. 1. Участок спектра с линией

созданию в разряде условий, при

3s'Pi-3p'Soиона Ar IX, имеющей

которых инверсная населенность

аномально высокую интенсивность.

достигает существенной величины.

Основным результатом этого этапа является обнаружение эффектов усиленного спонтанного излучения во временной, пространственной и спектральной структуре излучения. На рис 1. изображен участок спектра, полученный во временном интервале 5060 не после начала тока. Видно значительное усиление линии Зэ'РгЗр'Зо иона Аг IX, четко коррелирующее по времени с образованием особенностей на кривой излучения, а также в дальнем поле излучения и на внеосевых обскурограммах.

Интуитивно очевидно, что на внеосевой обскурограмме дальний конец капилляра должен изображаться в виде яркого пятна за счет того, что луч, идущий от дальнего конца

проходит наибольший путь по усиливающей среде. Для более точного определения влияния усиления на регистрируемую обскурограмму была создана простая численная модель, рассчитывающая степень почернения фотопленки при разных условиях наблюдения капилляра. Результаты расчетов приведены на рис. 2.

Кадры 1, 2, 3 демонстрируют вид обскурограмм при следующих условиях: длина столбика 6 см, диаметр 1мм, сдвиг отверстия обскуры относительно оси 0, расстояние от торца капилляра до диафрагмы 3 см, коэффициент усиления 0, 0.05 и 0.5 см"1. Сколько-нибудь заметных различий между тремя случаями с разным усилением не наблюдается

Рис. 2. Вид осевых и внеосевых обскурограмм при разных значениях коэффициента усиления (расчет).

(интенсивность на всех кадрах нормирована так, чтобы максимальная плотность почернения была одинакова).

Кадры 4, 5, 6 соответствуют аналогичным условиям, но при сдвиге отверстия обскуры на 0.4 мм относительно оси капилляра. Видно существенное качественное изменение картины уже при

малых значениях усиления (0.05 см ). Отличительной особенностью при наличии усиления является яркое пятно малого размера, соответствующее дальнему концу излучающего столбика. Размер этого пятна определяется одновременно величиной усиления и геометрическими факторами (диаметр столбика, угол, под которым ведется наблюдение). Отсюда следует, что внеосевая обскурограмма является инструментом для качественного определения наличия усиления в плазме, даже при малых значениях коэффициента усиления. В то же время, для количественной оценки коэффициента усиления данной методики недостаточно, и требуется комбинировать ее с другими методами.

Рис. 3 показывает обскурограмму, соответствующую приблизительно 56 наносекунде после начала развития разряда, четко видно яркое пятно малых размеров. Положение пятна соответствует дальнему концу капилляра. Сравнение рис. 2 и 3 показывает полное совпадение наблюдаемых картин с расчетами для случаев наличия и отсутствия усиления в плазме.

Рис. 3. Обскурограмма капиллярного разряда при наличии усиления спонтанного излучения (эксперимент). Ср. кадр 6 рис. 2.

Замена плазменно-эрозионного драйвера тока на полупроводниковый обеспечила высокую воспроизводимость условий в разряде и получаемых результатов

в) на этапе разработки полупроводникового размыкателя был создан прототип установки с шестью диодами. Он оказался способным обеспечить быстрое воспроизводимое нарастание тока (4-4.5 кА с временем нарастания 10-20 не на индуктивной нагрузке 30 нГн), что позволило использовать его для исследования указанной промежуточной области параметров капиллярного разряда. Была подробно исследована начальная стадия разряда и обнаружено, что начальный пробой происходит в виде одного или нескольких стримеров вдоль стенки капилляра. Исследования показали, что по мере уменьшения размеров капилляра резко возрастает влияние стенки на развитие разряда. Основной способ снизить это влияние - повышение крутизны фронта импульса, т е. параметра dl/dt, [13,14] что может вызвать образование ударной волны и более быстрое отделение токового слоя от стенки капилляра, в совокупности с более сильным сжатием центрального шнура. Отчасти это подтверждается результатами [15], где при близких значениях тока, но существенно большем -dl/dt (~1012 А/с) наблюдалось пинчевание и прогрев плазмы в капилляре диаметром 1 мм. Наоборот, в случае, когда интерес представляет взаимодействие горячей плазмы с холодным веществом стенок (например, при исследованиях возможных схем инверсии для возникновения усиленного спонтанного излучения с механизмом, основанным на рекомбинации или резонансной перезарядке), оптимальные значения dl/dt могут быть меньшими.

г) разработанный драйвер тока, а также техника и методика регистрации излучения разряда оказались применимыми для экспелиментов других типов. Как видно из литературы, попытки перейти к более коротким длинам волн излучения путем использования ионов более высокой кратности ионизации не привели к значительным успехам [16, 17]. Более перспективным было бы использование рекомбинационной схемы инверсии, поскольку она подразумевает лазерный переход с изменением главного

квантового числа. В связи со сложностью создания инверсии населенностей по традиционному рекомбинационному механизму, основной целью наших дальнейших исследований был выбран рекомбинационный механизм с селективным заселением верхнего рабочего уровня путем резонансной перезарядки. Наиболее перспективным способом создать подобные условия представляется цепочка искусственно индуцированных перетяжек в капиллярном разряде. Сообщалось [18-20] о попытках создания таких перетяжек в медленном разряде путем использования профилированного обратного токопровода. Однако, хотя в этом случае перетяжки действительно наблюдались, из-за медленного протекания процесса не удалось добиться необходимого перепада температур между областью перетяжек и окружающей их плазмой.

Подход с использованием термализации ударной волны представляется гораздо более эффективным. Как видно из оценок, приведенных в параграфе §3.3.3, разница температур до и после термализации ударной волны может составлять 5-10 раз и более. Поэтому, если удастся создать ударную волну в капилляре с профилированной внутренней стенкой, то в областях с меньшим внутренним диаметром схождение ударной волны на оси произойдет раньше и в этих областях образуется горячая плазма, взаимодействующая с веществом, находящимся в промежутках.

С целью изучения возможности создания лазера, работающего по механизму резонансной перезарядки, были проведены исследования разряда в профилированном капилляре.

Была успешно продемонстрирована возможность использования быстрого капиллярного разряда для создания аксиально-периодической структуры с чередованием горячих и холодных областей плазмы. Интенсивное вытекание плазмы из горячих областей вдоль оси капилляра и ее взаимодействие с областями холодной плазмы могут создать благоприятные условия для возникновения инверсии населенностей в плазме под

действием механизма резонансной перезарядки. Было обнаружено, что возникновение ударной волны в плазме легких элементов более затруднительно, чем в аргоне.

В заключении суммируются основные результаты работы.

Основные результаты.

1) Впервые реализованы быстрые капиллярные разряды (максимальный ток до 50 кА, скорость нарастания тока до 1-2*1012 А/с) с помощью систем с индуктивным накопителем и размыкателем тока. Сконструированы и оптимизированы разрядные системы с плазменно-эрозионным и полупроводниковым размыкателями.

2) Исследована начальная стадия пробоя капилляра. Показано, что инициирование разряда происходит по одному или нескольким каналам вдоль внутренней стенки капилляра.

3) Исследована динамика пространственного распределения свечения плазмы быстрых капиллярных разрядов с временным разрешением 10 не и пространственным разрешением менее 50 мкм, а также динамика спектров в области вакуумного ультрафиолета с временным разрешением 10 не. Были использованы капилляры из АЬОз с внутренним диаметром 1 -6 мм и с аргоновым наполнением в диапазоне давлений 0.1-3 Topp.

4) Обнаружены эффекты УСИ на 3p-3s переходе в неоноподобном аргоне (длина волны 468 А), выражающиеся в пространственной концентрации излучения в дальнем поле и аномально высокой интенсивности соответствующей спектральной линии.

5) Проведены эксперименты по созданию аксиально-периодической воспроизводимой плазменной структуры при помощи капилляра с профилированной внутренней стенкой. Подобные объекты могут служить основой

для получения инверсии в области вакуумного ультрафиолета по перезарядочному механизму.

Публикации по теме диссертации

1. Р S.Antsiferov, L.A.Dorokhin, A.V. Nazarenko, D.A.Glushkov, R.V.Fedoseev, Yu.V.Sidelnikov, K.N.Koshelev, Fast capillary discharge driven by inductive storage with plasma erosion opening switch - 7Л International Conference on X-ray Lasers, Saint-Malo, France, 2000. P58, page 120.

2 Назаренко A.B., Анциферов П.С., Дорохин JI.A., Кошелев К.Н., Сидельников Ю.В, Формирователь импульса тока для капиллярного разряда на основе полупроводникового размыкателя. ПТЭ, 2003, №1 с. 60-63

3. А.В. Назаренко, П.С Анциферов, JI.A. Дорохин, К.Н. Кошелев Развитие разряда в микрокапилляре с полупроводниковым генератором тока. Физика Плазмы, 2004, том 30, №3, стр. 1-6

4. Р S Antsiferov, L A Dorokhin, К N Koshelev and А V Nazarenko Axially inhomogeneous plasma in fast discharges for creation of population inversion in soft x-ray region. J. Phys. D: Appl. Phys. 37 2527-2530 (2004)

Литература.

1. J.J Rocca, 'Table Top Soft-X Lasers," (Invited Review Paper), Review Scientific Instruments 70,3788, (1999)

2. J.J.Rocca, O.D.Cortazar, B.T.Szapiro и др Study of fast capillary discharge plasma columns for soft-x-ray amplifiers /. //SPIE UV Lasers II.-1993.-T.201

3. C.H. Moreno, M.C. Marconi, V.N. Shlyaptsev and J.J. Rocca, "Shadowgrams of a dense microcapillary plasma obtained with a table-top soft x-ray laser", IEEE Transactions on Plasma Science, 27,6, (1999)

4. C.H. Moreno, M.C.Marconi, К. Kanizay, J.J. Rocca, Yu. A. Uspenskii, A.V Vinogradov and Yu.A.Pershin, "Soft x-ray laser interferometry of a pinch discharge using a table-top laser",Phys. Rev. E 60,911, (1999)

5. E.C. Hammarsten, B. Szapiro, E. Jankowska, J. Filevich, M.C. Marconi, and J.J. Rocca, "Soft XRay Laser Diagnostics of Exploding Aluminum Wire Plasmas", Applied Phys. В 78, 933-937 (2004)

6. J. Filevich, J.J. Rocca, E. Jankowska, E.C. Hammarsten, M.C. Marconi, S.Moon and V.N. Shlyaptsev, "Two-dimensional effects in laser-created plasmas measured with soft-x-ray laser interferometry", Physical Review E, 67, (2003)

7. J.J. Rocca, E.C. Hammarsten, E. Jankowska, J. Filevich, M.C. Marconi, S. Moon, and V.N. Shlyaptsev, " Application of extremely compact capillary discharge soft x-ray lasers to dense plasma diagnostics", (Invited Paper) Physics of Plasma, 10, 5,2031-2038, (2003)

8. H.A. Боброва, C.B. Буланов, T.Jl. Разинкова, П.В. Сасоров. Динамика пинчевого разряда в тонком канале /Физика Плазмы, 1996, том 22, №5, с. 387-402

9. Н.А. Боброва, С.В. Буланов, Р. Поцоли, ТЛ. Разинкова, П.В. Сасоров, Д. Фарина. МГД-моделирование плазмы капиллярных разрядов /Физика Плазмы, 1998, том 24, №1, с. 3-8

10. J.J. Rocca, В. Szapiro, D. Cortazar, F. Tomasel, J. Meyer, J. Hung and K. Floyd, "Fast Discharge Excitation of small scale soft x-ray lasers", Procc. of the 3rd Int. Colloquium on X-ray Lasers, Schliersee, Germany 1992

11. К.Шенбах, М.Кристиансен, Шефер Г. Размыкатели для индуктивных накопителей энергии //ТИИЭР.-1984.-Т.7

12. R.J.Comisso et.al The plasma erosion opening switch.

13. C.D. Macchietto, B.R. Benware and J.J. Rocca, "Generation of MilliJoule-level Soft X-RayLaser Pulses at 4Hz Repetition Rate in a Highly Saturated Table-Top Capillary Discharge Amplifier," Optics Lett. 24, 1115-1117, (1999)

14. J.J.Rocca, D.C.Beethe, D.Voorhees. Proposal for soft-xray and XUV lasers in a capillary discharges //Optics letters.-1988.-T.13.-No.7.-C.565-567

15. Esaulov A., Sasorov P., Soto L., Zambra M., and Jun-ichi Sakai. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2001. V. 43. P. 571

16. J.J.Rocca, O.D.Cortazar.F.G. Thomasel and B.T.Szapiro Phys.Rev.E vol.48 num.4 /1993

17. J.J. Gonzalez, M. Frati, J.J. Rocca, V.N. Shlyaptsev and A.L. Osterheld, "High power density capillary discharge plasma columns for shorter wavelengths discharge-pumped soft x-ray lasers"; Physical Review E, 65,026404, (2002)

18. H.-J. Kunze, K.N. Koshelev, C. Steden, D. Uskov, H.T. Wieschebrink Lasing Mechanism in a capillary discharge, Phys. Lett. A 193 (1994) 183-187

19. S. S. Ellwi, L Juschkin, S. Ferri, H.-J. Kunze, K. N. Koshelev and E. Louis. X-ray lasing as a result of an induced instability in an ablative capillary discharge. J. Phys. D: Appl. Phys. 34,336-339(2001)

20. Kunze H.-J., Ellwi S.S., Andreic Z., Proc. of the 1st Kairo Conference on Plasma Physics and Appl., Oct. 2003, Edited by H. Heggazy and H.-J. Kunze

•252П

РНБ Русский фонд

2006-4 28165

ООО «ТРОВАНТ». ЛР № 071961 от 01.09.99. 142191, г. Троицк Московской обл., м-н «В», д.52. Тел. 334-09-67. Заказ 1109-2. Печать офсетная. Печ. л. 1,5. Тираж 50 экз.