Масс-спектральное и спектральное исследование динамики разлета лазерной плазмы в фоновый газ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

• ^ '' ■ МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

Л ^'.¿'.^ : -Л' .О ИНЖЕНЕРНО - ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

''О-'с / '.. ••■"• На правах рукопига:

МЛЫКСЮТ Виктор Владиславович

МАСС-СПЕКГРАЛЬНОЕ И СПЕКТРАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ РАЗЛЕТА ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗШ В ФОНОВЫЙ ГАЗ

./■ 01.04.08 - физика и химия шгазмы

.У'-А в т о р о ф о р а т

•'-,*- : диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Автор: у/у/^г^ьС^^сГ

Москва - 1992 г.

Работа выполнена в Московском ордена Трудового ' Красного Знамени инженерно-физическом институте.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук,

с.н.с. О.Б. Ананьин

Научный консультант: доктор физико-математических наук, профессор Ю.А.Быковский .

Официальные оппоненты -.доктор физико-математических наук,

профессор В.Г.Твльковский

кандидат физико-математических наук, с.н.с. В.А.Рыбаков ;

Ведущая организация - Физический институт РАН .-■

Защита состоится "¿1 " & 1992 г. в {Ь_ часов на заседании специализированного совета К053.03.08 в Московском инженерно- физическом институте' по адресу: 115409, ' Москва, М-409, Каширская шоссе 31, тел. 324-84-93

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ ■

Автореферат разослан " ^ " <0-1 199£_г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации .'■ :

Ученый секретарь . ____ , -.",■•••••

специализированного совета >-------С.Т.Корнилов ; '

■ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

'{•ГЛ^Х-^^« - • Актуальность работы.

большой практический и академический интерес с точки зрения задач космофйзики, , ^плазмохимии,..',' гидродинамики представляет изучение процессов, протекающих при • взаимодействии многозарядной многокомпонентной внсокоэнергичной лазерной плазмы ■ с окружающим стационарным газом. Исследование разлета лазерной плазмы в газ • позволяет проводить лабораторное" моделирование плавмохимических процессов происходящих в нестационарных плазменных образованиях, где аналитическое решение- требует привлечение сложного математического аппарата, а прямые эксперименты сложны или дороги.

- Кроме того, в настоящее время имеет место применение в самых различных областях неуки и техники лазерных технологий, как-то: лазерное напыление полупроводниковых пленок в атмосфере инертных газов,. напыление ВТСП-кврамики в. атмосфере кислорода, ионная имплантация и пр. Развитие .этих методов в направлении решения новых задач : требует тщательного контроля технологического : процесса, а так ш• знания процессов взаимодействия продуктов лазерного распыления и окружающей среда. .

Цель работа : ■ .. ...

Основной задачей диссертации являлось построение, физической картины процессов взаимодействия, происходящих при разлете лазерной плазмы в фоновый газ, на основе результатов полученных ' методами времяпролетной масс- спектрометрии и спектроскопии.

Степень научной новизны основных результатов.

1. Использован метод времяпролетной масс-спектрометрии для ; для анализа лазерной. шазш, " разлетающейся в газ. Получены

^энергетические и скоростные спектры, ионной компоненты лазерной плазмы и фонового газа в диапазоне давлений от Ю-3- Ю-1 Topp, на расстояниях 7 - 17 см от мишени, для кислорода и инертных газов.

2. Разработан новый метод диагностики нейтрального компонента, основанный на фотоионизации, частиц УФ излучением вспомогательной лазерной плазмы. Получены энергетические спектры нейтрального компонента лазерной плазмы и • фонового газа в

диапазоне давлений'•Ю"3-Ю"1Торр, на расстояниях 7-11 см, . для кислорода и,инертных газов/ "/.

3. Методом времяпролетной люминесцентной спектроскопии получено распределение интенсивности излучения ионов лазерной плазмы с Ъ = 1-2 и ионов фонового газа с на расстояниях 1 < 4 см от лазерной мишени. Проведено сопоставление результатов полученных . методом времяпролетной спектроскопии.и мэсс-спектрометрии. ,

4. На основе ' полученных. .. экспериментальных', результатов построена физическая картина процессов, происходящих при разлете многозарядной лазерной плазмы в частично-фатойонизованный фоновый газ, выделены основные'.механизмы• взаимодействия. ' . .'.'•:."

Научная и практическая значимость'работы'"--./.;./../..'."' ;

Полученные данные . и - разработанные" штодаки могут . быть использованы для исследования,и огасанй.шазмохшических процессов, происходявдх во всевозможных плазменных образованиях, как то: космическая плазма, химические реакторы, плазмы, сопел реактивных двигателей, многих модельных экспериментах. ...

Результаты работы непосредственно могут быть использованы в области микроэлектроники, в технологиях, где используется лазерное напыление или ионная имплантация в атмосфере инертных газов.'*./

Разработана . эффективная" методика диагностики 'импульсных, потоков нейтральных частиц с использованием лазерной плазмы в качестве интенсивного источника ионизующего УФ. излучения. Преимущество методики заключается в том, -что эффективность ионизации не зависит от энергии анализирувднх частиц.. Методика успешно была применена для диагностики нейтрального компонента ЛП.

На защиту выносятся следующие научные положения;

1. Использован метод времяпролетной масс-спектрометрии для анализа ЛП разлетающейся в окружающий газ, -позволяющий' получить энергетические и скоростные распределения ионной и нейтральной компонент, как ЛП так и фонового газа.. ,

2. Результаты измерений энергетических распределений ионов лазерной плазмы (мишени - АХ и., ш. ) различной.' зарядаости, формирующихся в результате взаимодействия. лазерной, плазмы •' с фоновым газом для раз;личшх типов газа Не, N4, Хе, в диапазоне давлений 10~3-10~^Торр. Показано, что присутствие, фонового газа

ОБЩАЯ ШШЕШ.С£ЖА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Настоявая работа посвлауяа разработке методики йзмёрйшя электронной. плотности пе к темпоретуры 3? свобода расшяряэдвйся з вакуук лозэрасй плазмы на расстояниях от шияеи й ™ 1 см (в так к&знбйокой дальне! ■ соне разлета) и изучению свойсм лазерной плаз>щ з зтой области.

Лазерная плазма (Ж1), образующаяся пр.ж фокусаровке имяульсяого лазерного излучения на поверхность шзбяя з векуумэ, является объектом многочисленных исследоыатп'Я. К каегояйому времени хорошо изуадш процессы, проток-щке в лазерной плазме в области пятна фокусировки лазерного излучения, йлеогся детальная информация о параметрах ЛИ на стадии гшо динамического ускоряют на расстоянии ~ 1 т от мишени. В тс не время дальняя зона разлета лазерной плазмы, характеризующаяся значения:,® электронной плотности пв < 1016 см-3 и темаэратуры 1'е $ 1 зВ наряду с высокой степеньг ионизации, остзэтся недостаточно изученной.

Надежное определение параметров (п к Те) лазерной илазкы в зтей области и ^зучпотп закономерностей их изменения в процессе разлета ЛП в вакуум представляют интерес как с течки зрения изучения динамики разлета плазменного сгустка , так и дуг постановки экспериментов по изучения столкновительню. процессов с участием многозврядаых ионов и электронов, протекающих з такей плазме.

Кроме того, данные о плотности и температуре лазерной плазмы в дальней зоне разлета нужны .прь. разработке технологий лазерно плазменного напыления тонких пленок, где параметры плазмы во многом определяют свойства обучаемых структур. Использование ЛП в дальней зоне разлета в качестве источника узких спектральных линий в ультрамягком рентгрновскил диапазоне такге требует надежных дпных о параметрах 111 в этой области. Получекан информация может быть полезна яри создании лазэрно

плаз?/эккого источника шогояарядаых конов. J

Цель® дгвно$ работы является разработка метода измерения

электронной длотнссте пр п температура Т рвкомбинирующей лазерной плазмы з дальней зоне разлета путем регистрации рассеянного кзлучзния рубзшового ' лазера (X = 6943 А) на электронам плазмы (Томооновскоо рассеяние) и изучение заксимс-ркостей етлекскяя п и 1 в процессе раздета Ш.

Научная кознзиа работа состоит в слэдующэм:

ГЛЖёрзыо душ определения электронной плотности п тег-таратурн лвг.ернол плазмы з дальней боиэ разлета применен метод ддагносткс; тшша по Тохсонсзскому расеязи».

2.Ка основе анализа спектров Томсоновского рассеяния показано, что распределений электронов по скоростям в дальней зоне разлэтг ЛЛ является Ызксвелловским.

3.Измерены с пространственным и временным разрешением

»лахгрсЕйая плотность и температура рекомбинирующей лазерной

злазш в дальней зоне разлета на расстояниях В ~ 0.5 - 1.1 см от

шпени и подучена зависимость л и I от расстояния от мишени з

6 в 4

этой области.

4 .-Полученная зависимость электронной температуры от статности Ш на различных расстояниях от мишвЕИ свидетельствует сС адиабатическом характере расширения лазерной плазмы. Отличие экспериментально определенного показателя адиабаты' 7 = 1.5 от значения 7 - 1.66, характерного для адиабатического разлета одкеатомного газа, объясняется разогревом электронов плазмы за счет яооцесса тройной рекомбинации.

Бракткчеекая значимость работы:

ГГгетрабм:Ъяяь21 метод измерения электронной плотности ъ: температуры Ж ы расстояниях Я - 1 см от мишени используется, при ггос!7,знов<с9 экспериментов по изучении столкновительных процессов с участием многозарядных ионов и электронов в рекомб1с:нр>'!сдей лазерной плазме.

2.Подученные дэнние о значениях электронной плотности и температуры ЛИ па различных расстояниях Р. от мишени в диапазоне л ~ 0.5 - 1.1 см используются для определения закономерностей

изменения пея Те в процессе ргзлета плйсмэнлогс сгустка.

З.Рязработашг* метод измерения злвкгрокнсЯ Егйгзоста п и температура Те разлетающейся лазерной плазмг . ¡туте:,: ¿ггатеза спектров Томсоновского рассеяния лазерного з&язг»?-иая г таз? Окть попользован для определения параметров различных. даггулъс шх плаз?! в области и > Ю15 см"3 и Т > 0.1 аВ. ».'этод позвонке;;''

е е

определять значения а и Т^ шызьяг з течешь одного кг&деьс«.

АппроОэция работн:Сс;ювннэ результаты дпссор^Егта^о;! работ докладывались на Х-й"Всесоюзной конференции по «¡¿¡иссе а.нктрозв»а и атомных столкновений (Ужгород 1983), 1.1-м Советско-Британском семинаре по физике высокозарлдных коков (Кэмбрдг::; 193? ), д'1-й Европейской конференции по атомной и молекулярной ^ждо ионизованных газов (С.Петербург 1992).

Основные положения, выяоезшэ ка зая«'~У

Г Создана эксперимеатальагя уста^вка для сссаздовкш лазерной т. ззш з дальней зеле разлета (на расстояниях от кшени Н ~ 1 см) и измерения элоктронней плетяоеж пв и темпэрцтура 2 плазмы методом Томсоаовского рчссеплкя.

2 Разработана методика диагностики ЯП з дальней зоне разлета по Томсоновскому рсссоянию, позволяющая проводить намерения электронной плотности п и тешеоатура Т лазерной ялазич з

1 с? о ® " ^

области п9 > 10 см 43 и 2 > 0.1 эВ.

3.Установлено, что вид спектров Гамсоновского раезояжгя а лазерной плазме Ве на расстояниях Р. = 0.5 - 1.1 см от мжени хорошо описывается теорией Солгатера, что свидетельствует о Максволловском распределении электронов по скоростям в дальней зоне разлета ЛП. .

4.Показано, что значения электронной плотности п и температуры Та рекомбинирукцэй лазерной плвбш Ве но расстояниях И от миивни в диапазоне Н = 0.5 - 1.1 см, измеренные методом Томсоновского рассеяния, удоелэтворяют соотношений

~ п?'5*0,1. Отличие показателя степг ^ о- значения ж =-- 0.66»

о в

характерного для адиабатического расаирешя в закуум одноатоиюго газа, объясняется разогревом электронов плазмы за счэт процесса гройкой рдкомбкнвида по схоме А(г)++е+е = )++е.

5. Рпсстгаягн ноеэленюс'Д! возбузденяых состояний

зодородоподосжх ионов е JUI б дальней зоне разлета. Расчет основан па использовании значений электронной плотности ж температура плазма, полученных экспериментально. Вычисления проводгиись в предпойоязнга о дскинзгоужей роли процесса тройной* •.ударно-радаацйонной ) рэкембкнацда в заселении давней гонов в ЛИ в далькей "оме разлета. Обоснованность такого подхода была подтверждена путем сравнения экспериментально определенных и расчетных значений относительных населеююстей уровней иона Ъ124,' в ж лиззх lia расстоянии 2см от ктеш.

Еублмсацки: Материалы диссертации частично опубликованы в тезисах всесоюзны: и мзадуяародных конференций. Статья направлена в печать.

Структут у. обьбм работы: Диссертация состоит из зеэдсния, четырехТлгз гГзакго^бшяТона содержит Î07 страниц, в том числе 20 рисунков, 2 таблицы и список литературы, вюгачавдий 73 кашлзЕозагкя.

Содержание работы

Но введении обосновывается актуальность теш исследования, ее каучш-БГа практическая значимость, формулируется цель работы и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

Первая глаза поезядена обзору экспериментальных работ по исследоБзтагю .511 и работ по даагностхзсе низкотемпературной плазмы методом Томсоноеского рассеяния.

Е 1Г.1 рассмотрены экспериментальные данные о параметрах „Т7 на различных стадиях ее существования.

При фокуифозке на поверхность мишени импульсного лазерного излучения создается плотная Бысокогемпературная плазма, состоящая из многократно ионизованных ионог материала мишени, которая взтем, под действием газокинетического давления, расширяется в зэгуук.

Коглге выделить три характерные области эволюции ЯП по мере ее расширения в вакуум, отличающиеся по характеру протекаящкх в чих процессов и значениям параметров плазмы.

Первая область - ядро плазмы, характеризующееся высокой электронной температурой (сотни электронвольт) и электронной плотностью порядка плотности твердого тела. Горячее ядро ЛП км°ет характерный размер Н0 порядка диаметра пятна фокусировка лазерного излучения и существует з течение времени дейстзия лазерного импульса.

Ускорение плазменного сг^сткз происходит за счет парохода тепшвой энергии плазм в кинетическую энергию направленного движения. В результате быстрого падения электронной плотности при разлэтэ плазма на расстояниях от мишени И > н становится прозрачной для троящего излучения. В этой области эеолщйи ш (К0 < й0 < 10•К0), которая обычно называется короной, плазма является рекомбинациошо неравновесной.

В дальней зоне разлета (К » Я ) ЛП имеет низкую электронную температуру Та ~ 1 эВ и плотность пе < Ю,е см"3 . Б то жэ время, за счет эффекта "закалки" лоаизоционного состава расЕшряадцейся плазмы, Ш в этой области характеризуется высокой концентрацией ионов различной степени ионизация.

Таким образом лазерная плазма в дальней зоне разлета является переохлажденной внеокоиокизованной и рэкомбитациокпо неравнозеской. Было . установлено С13, что основным реномбшационнкм процессом в ЛИ в дальней зоне разлотз является трехчастичнар рекомбинация ионов с медленными электроном.

Такое сочетание параметров позволяет рассматривать лазерную плазму т дальней зоне разлета как перспективную среду для постановки экспериментов по исследованию элементарных процессов взаимодействия медленных электронов и мно: ^зарядных ионов.

Второй параграф посвящен обзору экспериментальных работ по определении электронной плотности и температуры Ж на различных стадиях разлета.

Большинство работ по исследованию ЛП связаны ли с задачею! создания условий для термоядерного с* коз г лисо с задача:,® исследов;. ..ия активных, лааерныч сред и направлены на изучение свойств ЛП в области горячего ядра и короны. ЛП на татспх рпсстояшях от мишени характеризуете», достаточно высокой

г/

I

электронной плотностью па ^ 1018 см"3; и температурой Те 10 эВ [2]. Для измерений электронной плотности и температуры ЛП в этой области применяются спектроскопические методы, основанные как на измерении относительных интенсивкостей линий излучения ионов плазмы, так и на анализе спектра сплошного излучения ЛП. Используется такие метод определения пе по итаркозскому ушкреншо линий излучешш водородсподобных ионов.

Результаты выполненных к началу диссертационной работы

ькспериментов шжазывают, что использование вышеперечисленных.

методов определения параметров ЛП возможно лишь при достаточно

высоких плотностях электронов па £ 1018 см-3 и температурах

С? вВ.

в

В настоящей работе првздэ всего ставилась задача разработки методики диагностики лазерной плазма, котора! позволила бы расшфзть (в область меньших значений пв и Т ) диапазон измеряемых значений электронной плотности и температуры и исслэдовать ЛП ка расстояниях порядка 1см от мишени.

В п.З рассмотрев возможности метода 'Гомсоновского рассеяния для диагностики низкотемпературных плазм малой плотности.

В основе данного метода даагностт-'<ки леяага явление излучения вторичных волн свободными электронами плазмы, совершающими вшг"здонны& < колебания под действием поля падающей электромагнитной волны. При атом частог-ий спектр интенсивности рассеянного плазмой излучения несет информацию об электронной плотности и температуре плазмы, а также о характере распределения электронов плазмы по скоростям.

Известно, что вид спектра рассеянного плазмой излучения зависит от величины параметра Солпигера <х = (1-Л^)-1 £ЗЭ> где к - модуль разности волновых векторов падающего и рассеянного рчлучания, а - дебеевский радиус. Случай а « 1 (длина волны падающего излучения много меньше дебаевского радиуса) соответствует случаю так называемого некогерентного рассеяния на независимых электронах. Ваак й чертой зтого вида рассеяния является то, что вид спектра некогерентного рассеяния отражает йорму функции распределения электронов по скоростям. При

значениях а > 1на спектр рассеянного излучения оказывают влияние коллективные эффекты в плазме. При этом в спектре коллективного рассеяния появляются линии, соответствующе рассеянию на Ленгмюровских колебаниях электронов.

Основная трудаосп- применения метода • Томсонсзского рассеяния для диагностики плазмы с низкой электронной плотность» заключается в малой величине специя рассеяния электромагнитного излучения на электроне о = 6.65-1О"25 см2. Так как интегральная по спектру интенсивность рассеянного излучения Ри пропорциональна моидаости зондирующего излучения ?1, количеству электронов в рассеивающем объеме плазш и великие о, то измерение величины Рз и тем бол.з регистрация спектра Томсонсвского рассеяния представляют тем большую трудность, чем меньше концентрация электронов в плазме.

Большинство работ по определении электронной плотности и температуры плазш в области пв < 1016 см-3 г I, < 1 эВ путем анализа спектров Томсоновсхого рассеяния выполнены для случая стационарных плазм, существующих в течение большего промежутка времени. В этих условиях возможно_ определение параметров плазш по спектрам рассеяния, суммированным по большому (до нескольких тысяч) количеству импульсов зондирующего излучения при использовании частотных лазеров. Такая методика ;зет возможность исследовать плазму со значенная! электронной плотности л температуры в области пв вплоть до 1012 - 1013 ем"3 и Тв > 0.1. эВ.

Анализ небольшого числа имеющихся экспериментальных работ по

применению лазероз, работанщих в режиме однократных импульсов,

дая диагностики плазмы, со значениям па ~ 1015 см-3 к То ~ 1 эВ,

по Томсоновскому рассеянию показал принципиальную возможность

применения данного метода для определения параметров Ж в этой

области значений электронной плотности и температуры. В то ке

время звдача использования Томсотовскоп? рассеяния для

диагностики ЛП с характерными временам существования ~ 100 не

и значениями п ~ 1015 см-3 и Т ~ 0.1 - 1 еВ потребовала в в -

дальнейшего развития дзшого диагностического метода; разработки

методики эксперимента, предназначенной для работы с короткоагеущгоа зшпульскымк плазмамп.

Бо второй главе дается оппсаика экспериментальной установки, созданной для исследования Л1 в дольней зоне разлета.

Основными элементе:.® установки являются импульсный неодкмозь■& лазер, импульсный рубяшзнй лазер, вакуумная камера, в которой создавалась плазма, канал регистрации спектра Тсмсоновского рассеяния к кэнал регистрации ВУФ-спэктра собственного излрюшт плазмы.

Излучение нэодкмового лазера (длительность импульса а = 2 не , дл;гнз волн*«, во второй гармонике Я = 5300 А, энергия импульса Е =3 Дж) направлялось в вакуумную камеру и фятускрэвалооь на поверхность плоской кипени ( бзрнллиевой или лжаевой). плазма, возникавшая в области пятна фокусгоовки, свободно расширялась в вахууькнй объем. Собственное излучение плазмы нз расстоянии R от млиени, которое варьировалось от 0.5 до 1.5 см, анализтфовалось при помощи монохроматора Сейа-Намяока, в спектральной области Я = 300 - 800 I и регистрировалось с временам разрешением Фотоэлектронным умножителем БЭУ-2. Регистрация излучения разлетающейся лазерной плазмы осуществлялась из тонкого слоя плазменного сгустка, толщина которого в направлении движения плазмы определялась размером апертуры монохроматора и составляла Z ю

Излучение рубинового лазэра (т = 20 не . ,' А. = 6943 1, S = 0.8 Дк) • фокусировалось линзой с фокусным расстоянием Г = 40 см в каустику диаметром 500 мкм. Каустика пересекала слой г-азиеьного сгустка, из которого регистрировалось ВУФ излучение плазмы, в направлении, перпендикулярном направлении разлетг сгустка. . Излучениэ, рассеянное плазмой под углом 90е к направлению рас: устранения излучения рубинового лазера, собиралось на входную цель монохроматора МДР-23 линзой (i -- 5 см) в телесном угле П = 2-Ю"2 ср. При этом величина относительного отверстая осветительной системы была равна величине относительного отверстия входного коллиматора монохроматора. На выходе монохроматора был установлен электронно-оптический

преобразователь (ЗСД), обеспечиваввяй усиление яркости изображения спектра • рассеяния (коэффициент усиления по потоку ~ 105, пространствбшое разрешение - 30 мкьл ЭОЛ располагался таким образом, чтобы его входная плоскость совпадала с фокальной плоскостью монохроматора.

Изображение с выхода ЗОПа через волоконно-оптическую шайбу передавалось на БЗС-мзтрицу (256»256 ячеек, размер ячейки - 24«32 мкм), соединенную с персональным компьютером. Такая схема позволяла регистрировать спектр Томсоновского рассеяния в одном импульсе плазмы в диапазона ¿А = 108 А и обеспечивала возможность регистрации отдельных фотонов рассеянного излучения, поступающих на вход ЭОПа.

Измерение относительной спектральной чувствительности канала в диапазоне длин волн X = 6943 ± 100 I проводилось при помощи ленточной волк2р_мовой лампы.

Третья глава диссертации посвяцена методике определения электронной плотности и температуры разлетающейся лазерной плазмы по спектрам Томсоновского рассеяния.

Передний фронт Ж, свободно расширяющейся в вакуум, движется со скоростью 7 = 10б - 107 см/ о (величина скорости зависит от плотности потока мощности лазерного излучения на мишень). Известно [43, что з ЛП группы тонов с разным зарядом движутся с различными скоростями, причем средняя кинетическая эноргик двивения ионов растет с увеличением их заряда. Эксперименты но исследованию энергетических и зарядовых спектров ионов на больших расстояниях от мшени (й > 1 и; показали, ч~о угловое распределение ионов при разлете симметрично относительно нормали к плоскости мишень и угол разлета ионов суааегс* при увеличении ионного заряда Ъ.

Постановка экспериментов по диагностике методом Томсоновского рассеяния ЛП со слоеной пространственно-временной структурой требует, преаде всего, разработки л'.етс.даи просгранственой и временной синхронизации зондируэдего лазерного импульса и исследуемой области плазменного сгустка. Для я того путем измерения зависимости от времени интенсивности излучения

водородогодобных ионов в ЛП на определенном расстоянии й от мишени измерялось время т разлета переднего фронта плазмы до расстояния й. Временная задорхка импульса зондирующего излучения относительно импульса неодимового лазера, создающего плазм,, задавалась равной т. При такой задержке импульса рубинового лааера регистрировалось излучение, рассеянное в области максимальной концентрации водородоподобннх ионов в ЛП. Измерение зависимости электронной плотности и температуры ила1. мы в этой облаем от расстояния й до ютени осуществлялось путем изменения ■Бремени зад.ертаи «г в соответствии с величиной Н и значением скорости разлета плазменного сгустка.

Контроль временной синхронизации проводился путем одновременной осциллографмеской регистрациг импульса излучения рубинового лазере и "дпульса собственного свечения плазмы в БУФ облает спектра.

Пространственное разрешение в направлении оси разлета плазмы при измерениях электронной плотности и температур:: ЛП по спектрам Томссчовского рассеяния определялось ' величиной смещения плазменного сгустка за время действия зовдирувдего импульса (т « 20 не > и составляло 2 мм.

Малая интенгианоегь рассеянного излучения при Томсоновском рассеянии в плазме с электронной плотностью пв < 1016 см-3 не созволяла, в условиях данного эксперимента, проводить анализ спектра рассеяния с пространственным разреиением по оси зондарувдего пучка. Поэтому проводилось интегрирование спектра по высоте входной цели монохроматора (5 мм), которая определяла проста нагнанное разрешение в направлении, перпендикулярном оси рнзлета плазмы,-

Для анализа спектров Томсоновского рассевы проводилась аппроксимации зарегистрирозакных спектров методом наименьших квадратов функциями спектральной плотности рассеянного излучения, рассчитанными в приближении Солпитер* СЗЗ. Зыло установлено, что шлучекные спектры рассеяния и^.учэнля рубинового лазера (V = 6943 А) на электронах разлетаодейся ЛП хорошо -писывавтся теорией Солшгэра со значешшм характерного параметра теории

а = i - 0.5. Отличительным свойством Томсоновскего рассеяния при таких значениях а является сильная зависимость вида спектров рассеяния от значений электронной плотности пв и температуры Та (в отличии от случая а « 1, когда спектр рассеяния представляет собой Гауссову кривую для любых значений пв). Тот факт, что значение а лежат в тгаом выгсдком для решения данной задачи диапазоне, позволил проводить измерения п0 и Тв пуг м аппроксимации зарегистрированных спектров теоретической кривой без измерений абсолютной интенсивности рассеянного излучения.

Тем на меное, для проверки результатов измерений была проведена абсолютная калибровка канала регистрации рассеянного излучения. Значения электронной плотности па вычислялись как по' измерениям абсолютной интенсивность рассеянного излучения, так и путем сравнения зарегистрированных спектров с расчетными. Значения пв, полученные этими двумя методам, совпали в пределах погрешшти измерений (от 30 до 50% для значений пв от 2-Ю16 до 3-Ю15 см-3, соответственно).

Четвертая глава содержит результаты измерений электронной плотности й температуры разлетающейся ЛП Ве на расстояниях В =0.5-1.1 см от мишени. Обсувдазтся динамика разлета плазменного сгустка. Рассматриваются эксперименты, демонстрируадиэ возможность г лользоеания Ш как среди для изучения столкновительшх процессов с участием многозарядных ионов и электронов.

Выполненные в данной работе измерения электронной плотности пв и температуры ?в ЛП на различна расстояниях ~ от мишени (R =0.5 - 1.1 см) показали, что изменение П{ и То в лазерной плазме в процессе разлета соответствует зависимости. Т ~ п* со значением г = О.Е ± 0.1. Эти результаты согласуются с представлением о разлете в вакуум ионизованного газа [5], когда отличие показателя зе от величины ае = 2/3 для случая адиабатического разлета объясняется изменением тепловой энергии газа за счет протекающих в ном элементарных процессов. На основании проведенного анализа экспериментальных данных f¡ результатов работ по изучению рэксмбинацгокных процессов в ЛП в

дальней зоне рсзлета был сделан вывод, что уменьшение показателя адиабаты ч = эе + 1 обусловлено уве."ччением электронной температура зьяавмн за счет процесса тройной рекомбинации.

Измеренные электронная плотность пе и температура Та ЛП Be ^ обласхд максимальной концентрации водородоподобных ионов Ве3+ на расстоянии R = 7 т от машеки составляют"

пе = (5.8 ± 1.9)>1015 см-3 и Тв = (1.1 ± Q.3) эВ (при плотности потока мощности лазерного излучения на мшень q = 5>101°- Вт/см2). Это псдА'верядает завод о том. что в рекомбинирущей ЛИ на таких •расстояниях от шпени высокая степень ионизации сочетается с электронной температурой, меньшей величины энергии перехода моэд возбужденными состояниями ионов. Этот факт дает возможность рассматривать ЛИ в дальней зоне разлета как "эрспектявную срэду для -.остановки экспериментов по исследованию столкковительных процессов с участием многозарядяшс ионов и электронов„•когда отношение энергии перехода к температуре (5 = AE/I » 1.

В настоящей работе было проведено сравнение экспериментально измеренного и расчетного распределения Паселенностей уровней водородоподобных ионов в ЛП лития.

Для определения носеленностей состояний водородоподобных ионов 112+ в ЛП на расстоянии 1 см от мишени измерялись относктелыше интенсивности линий излучения, соответствующих перехода в - 2, (п = 3 - 10, к - 728 - 422 А). Выбор литы в качестве элемента мишени в этих экспериментах определялся достаточно простой сгруктурой спектре излучения литиевой ЛП в диапазоне X - 700 - 400 к. Относительнье интенсивности спектрвлшх линий ионов лития в ЛП измерялись при помощи псдациошю-чувствительього детектора на базе микроканальных пластин, детектор был установлен в фокальной плоскости монсхроматорь Сейа-Намиока и .позволял регистрировать спектр излучения в интервале АЛ = 200 А за о; я импульс.

Расчеты распределения каселешюстей состояний водородоподобных ионов лития в рексмбини&кхцей Jffl проводились путем решения системы уравнений балланса для тг ленкостей уровней с главными квантовым;, числами п = 2...15. Расчета

выполнялась в предположении о дошгарупцэЯ . роли ударно-радиационной рекомбипогаш.

Скороста стооткновительпого возбуждения гонов Ыя+ вычислялись -о известным аппроксимацкнлак формула.! [63 с учетом ' значений электронной плотности и температуры плазмы, измеренных методом Томсонозсхого рассеяния.

Полученное в эксперименте распределение насвленностей состояний водеродоподобных ионов Ы в ЛГ1 ненлохо согласуется с расчета;«,!. При этом надо светить, что отношение энергии учитывавшихся в расчете переходов к температуре пл&згш р ~ 10 близко к пределу применимости исдаль-пвавютгся аппрокспмачконшх _ формул.

Сравнение результатов измерений и расчетов показало перспективность использования при исследовании столк^озительных процессов в ЛП метода, оенозанного на р^очетах засоленностей уровней ионов.

В "заключении сформулированы основные результаты работы:

1.Разработана методике определения электронной плотности п&и температуры Тв ЛП в дальней зопе разлета по спектрам Томсоновского рассеяния, позволяющая проводить измерения пв и Т0 в диапазоне п >1015 см-3 и 7 >0.1 эВ.

о в

2.Зарегистрирована спектры Томсоновского рассеяния излучения рубинового лазера в ЛП на расстояниях Л = 0.5 -1.1 см. Установлено, что вид спектров рассеяния описывается теорией Солпитера, что свидетельствует о Максвелловском распределении -электронов ЛП по скоростям.

3.Определена зависимость электронной платности и температуры ЛП Ее в области максимальной концентрации еодороьоподсСншг. ионов от расстояния й до мишени в диапазоне Н = 0.5 - 1.5 см. Установлено, что изменение па и в •процессе, разлета плазмы монет быть описано зависимость» Т - п0-540-1.

4.Продемонстрирована перспективность использования л&зоонсЯ ллазка з качестве среды штя изучения столкнсеитолъенх процессов с участием многозарядных конов и электронов. Дальнейшее раззг.та® использованного метода мо^ет быть связано с проверкой различных

теоретических, моделей " расчета скоростей столкновитальных переходов при оягоиезии энергии перевода к температуре ДЕ/Т = (3 » 1.

' По материалам диссертации опублзшованы следующие работы:

l.C-В.Боба^ез, Д.А.Мосескн, С.Ю.Овчинников, Д.М.Симаноьский, Л.А.'Длаекск. Измерение скоростей столкновктельнкх переходов в реком;,1шрушзй лазерной клвзмо лития. Тезисы докладов 10 Всесоюзной конференции ■ по физике электронных и атомных столкновений. Ужгород, 1988, с. 179.

2.S.V.Bobaah.sv, D.A.Mosesyan, D.A.Slmancvsky, L.A.Shmaenok. Populations oi czcixeii states oi H-llica Ions In recombiriing laser produced plasma. 2nd Soviet-British Wortehop on the Spectroscopy ol Highly Ionised Atoms. Cambrlge, UK, 1939.

u.S.V.EobaEhev, Б.А.Еозееуап B.M.SlcrianovsSsy, L.A.Shmaenolt. Thomson scattering diagnostic of an expanding laser produced plasma. 11th European. Sectional Conference on Atomic & Molecular Physics oi Ionized Gassa, 19°?.

4.3.В.Вобшев, Д.А.Мососян, С Ю.Овчинников, Д.М.Симаьлзский, Л.А.Е&аэнск. Измороние скоростей столкновитальных переходов н рекомбиЕируигей лазерной плазме лития. Тезисы докладов Всесоюзного семинара"Теория атомов и атомных спектров". Тбилисси, 1983, с.40.

Литература

1.В.В.Афроснмов, С.И.ВобашаБ, А.В.Голубев, Д.М.Симановский, Л.Д.Шаыок. Излучение рекомбянирущей лазерной плазмы бериллия в дальней зоне разлета.-ЕЭТФ, 1986, т.91, в.2'3), с."85-492.

2.В.А.Бо?чо, О.Н.Крохиа, Г.В.Склизков. Исследований параметров и динамики лазерной' плазмы при острой фокусировке излучения на твердую мишень. Труда СЖАЫ, 1974, т.76, c.ies-228.

3.Дж.Жо'№од. Рассеяние электромагнитного изл^ения в плазма.- И.: лтомиздъх, 1 ST/&.- 280 с.

4 .Ю.А. Быковский, Й.Н.Дэгтяренкс, В.Ф.Екеак, Ю.Г .Козырев,

С.М.Сильнов ' Насо-спектромэтоэтессоо исследование лазерной плазмы.- ЖЗТФ, 1971, т.60, 3.4, с.1306-1319.

5.Я. В. Зельдович, Ю.ПЛ^йзер. Физика ударных волн и высокотсшгарятуркшс гидродинамических явлений.- М.: ©азмзтпк?,. 1953.- Б32 С.

6.Л.А.ВаЯнштейн, И.И.Собэльмап, Е.А.Кков, Вопбуадетвго атомов и ушгаение спектральных лзжй,- М.: Наука. 1979.- '¿20 с.

РТП ГОда,зак.64Р тир.100,уч.-изд.л.0,0;11/1У-1992г. Бесплатно