Отрицательные ионы лазерной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ 1ШШЕШ0^ИЗШЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

РОМАКШ Валерий Иванович

621.378

ОТРИЦАТЕЛЬНЫЕ КОНЫ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ

01.04.03 - радиофизика, зключач квантовую радиофизику

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата фиэико-ыатеметических наук

Москва-1990

Работа выполнена в Московской ордена Трудового Красного Знамени инаенерно-физичэскш институте. , ': .

Научный руководитель - доктор физико-штематических наук»

Официальные оппоненты - доктор даащсо-^атематических наук

г«н.с. Шаканоз A.C. -

' кандидат фи^ико-иатегдатических . наук, в.м.с. Шерозия Г.Д.;

Ведущая организация - Объединённый институт ядерных

исследований, г.Дубна ;"

Защита состойся п17" сентября 1990г. в /ff нас^Й мин. на. заседании спецкояизирогакного совэта K-053.03.0I в Московской 1ш?.енерно-ф1зй^»скоа институте по адресу: Москва, II5409, Каширское шоссе, 31, 324-64-98.

С диссертацией uosho ознакомиться в библиотеке ШШ.

Просим принять участие в работе совета шш прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печать» организации.

Автореферат разослан d1990 г.

Ученый секретарь

специализированного совета Д.Н.Воскресенский

ь

Г. ОБЩАЯ МРАКТЕРЛСТИКЛ РАБОТЫ

.Актуальность теми. Разработка идеи использования мощного лазерного излучения для образования и нагрева плазмы привело к рокденг.ю фактически копоП области - физики лазерной плазмы. В результате больной серии экспериментальных и теоретических исследований удалось выявить роль и характер поглощения лазерного излучения с образующейся плазме, механизмов передачи энергии кевду различными ее] компонентами, основные закономерности кинетики ионизационного состояния и динамики разлёта лазсрно-плаз-; мекнсго факела.

Быстрый вклад энергии, нестационарность баланса процессов ионизации.и'рекомбинации, существование больших градиентов кон. Центраций и температур создают уникальные возмокности для изучения параметров вещества и экстремальных условиях и использования, в частности, при создании источников разного рода'частиц.

* Резкое падение плотности и охлаждение лазерно-плазменного сгустка при разлёте его з вакууи изменяет характер доминирующих процессов.При это?.; з принципе реализуются условия, характерные для образования отрицательных ионов: относительно низкая средняя энергия электронов I Тг«0Л 4- I эВ ) при высокой величине П&--10 Ю20 Учитывая, что здесь наблюдается и значительное увеличение количества нейтральных атомов, процессы электронного прилипания должны играть существенную роль на этой стадии разлёта плазмы.Тем не менее, исследования," посвященные образованию отрицательных ионов в лазерной плазме, крайне немногочисленны, и содержат, в,основном, лишь некоторые оценки по их общему выходу.

Поэтому становится актуальной задача более полного изучения характеристик отрицательных ионов при разлёте лазерной плазмы.

Цель работы состояла в экспериментальном исследовании параметров эмиссии отрицательных ионов лазерной плазмы, основанном на получении детальной информации о зарядовых, энергетических, скоростных и угловых распределениях А~-компонента, выявле-

кии основных механизмов их." образования, роли; и места; в -общей картине формирования плазменного сгустка. . .'- ":" ,'Л

Научная новизна работы заключается. в" следующем:.;, --.

1.Разработан и создан мощный4*-модульный импульсный ТЕА " СО^- лазер с энергией в; импульсе Е = 0.3 !кДж. ■„■ , • . ""-,.-,.-

2. На основе применеия,. метода лазерной масс-спектрометрии получены и исследованы зарядовые, энергетические, скоростные . распределения отрицательных ионов лазерной плазмы, . выявлена -ди--намика формирования распределений А"-иоков с увеличением плотности потока лазерного излучения ю' до 10^ Вг'см-^'мкм*\

3. Установлены значения."пороговых" интенсивностей лазерного излучения при образовании спектров отрицательных ионов в зависимости от'величины энергии сродства Ед электрона к атому и массы иследуемого элемента.

4. Исследована динамика формирования угловых распределений отрицательных ионов - от существенно анизотропных г? 10^15®) при прохождении "пороговой" плотности потока с последующим расширением угла раствора 45®. .

5. Экспериментально изучено влияние характеристик элемент- • ного состава мишеней (-6-£ М=209 а.е.м.- ) и длины волны лазерного излучения ( А= 1,06 мкм, Ю.6 мкм') на параметры «миссии А~-ионо1

Научная и практическая значимость работы. В рамках единого подхода на основе применения метода лазерной масс-спектрош'рии исследованы процессы образования отрицательных ионов в лазерной плазме, получены зарядовые, энергетические, скоростные распреле-ния А" - компонента, в частности, обнаружено существование-в спектрах "быстрых" ионов С с Е = I ~ 10 кэВ ,).Выявлена динами-' ка заполнения энергетических состояний в распределениях /Г-ионов с ростом плотности потока лазерного излучения от 10^ до 10 0 Вт/см*\При этом установлены "пороговые" значения при образовании спектров А~-иогав в зависимости от Ееличины энергии сродства Е^ ( в диапазоне 10® г 10^ Вт/см^ ).Исследован характер формирования угловых распределений отрицательных ионов, показано, что наиболее узкое угловое распределение имеет высоко-энергетичная, а наиболее широкое - низкознергетичная часть регистрируемых ионов.

Изучено влияние элементного состава мишени на параметры эмиссии .; А~гКонов в широком диапазоне масс ( 6^209 ), установлено, что относительное содержание А~-ионов в разлетающейся плазме тем больше, .чем меньше масса,элемента М и чем выше величина Ед. . Анализ результатов показывает, что образование отрицательных ионов связано с процессами в тройных столкновениях с нейтральными атомами.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке лазерно-плазменного источника ожидательных ионов, а также обеспечить.возможность дополнительного диагностирования в экспериментах . с . лазерной плазмой.

Вклад автора. Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его непосредственном участии. ■е На защиту выносятся:

I. Исследования энергетических распределений отрицательных

ионов лазерной плазмы в широком диапазоне плотностей потока ла-

V Т2 ? 2

■зергюго излучения ул =10 - 10 Вт'мю.г'см .

Результаты исследования формирования пространственных распределений потоков отрицательных ионов.

■ 3. Результаты изучения влияния элементного состава мишеней на параметры эмиссии отрицательных ионов п широком интервале масс ( б-1Ь209 а.е.м.).'-

4. Результаты определения "пороговых" значений р... для образования отрицательных ионов в плазме различного элементного состава.

5. Результаты исследования закономерностей в корреляции процессов рекомбинации положительных конов лазерной плазмы с процессами образования отрицательных ионов.

Апробация работы. Основные результаты были доложены на 1У, У, У1 Всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнит' ного излучения с'плазмой (г.Ташкент, 1985,1987,1989), Всесоюзном семинаре по физике быстропротекащих процессов (г.Гродно,1986), УГ всесоюзном симпозиуме по вторично-электронной,фотоэлектронной эмиссии и спектроскопии поверхности твёрдых тел (г.Рязань,1986), XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (г.Киев, 1587),II Рабочем совещании по моделированию космических явлений

в лабораторной плазме (г.Новосибирск,1988), 1У Всесоюзной конфё- •} ренции по физике газового разряда (г.Махачкала,1988),. XIII Меж-; дународной конференции по когерентной и нелинейной;оптике (г.Минск, 1988), XI Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (г.Киев, 1989), на семинарах М, ИОФАН СССР, Ж АН УССР, СО АН СССР. .A'i^-/'

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 10 - тезисы докладов. • > -

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из вве-; дения, трёх разделов и заключения.Общий.объём диссертации соста- "... вляет 142 страницы машинописного текста, включая 43. рисунка и ' : список литературы иэ 95 наименований.

2. содермние работы :

Комплексное исследование лазерной плазмы требует получения детальной информации о составе энергетическом и зарядовом перераспределении между различными е?ё компонентами.Что касается электронов, положительных ионов, нейтральных атомов, их характеристики изучены довольно полно.В то же время, остался абсолютно не изученным ряд важных проблем, связанных с образованием в плазме отрицательных ионов: • -

- не исследованы их зарядовые,, энергетические, скоростные '• . распределения; ' ' V ...

- не изучена динамика формирования пространственных распре-• делений отрицательного ионного компонента;.'

- не известно влияние элементного состава шщеней на характеристики разлёта А~-ионов;.

- не определён диапазон интенсивностей лазерного излучения, ; в котором наиболее вероятны процессы образования А~-ионов;

- не определена взаимосвязь процессов ионизации и рексмби- -нации с параметрами"отрицательного ионного компонента. ,

Рассмотрению этих проблем и посвящена данная работа. . .

В данной работе в рамках проведения исследований отрицательно заряженного ионного компонента лазерной плазмы был разработан экспериментальной комплекс, позволяющий лроводить изучение характеристик разлёта /Г-ионов плазмы, образованной под

б

[ействием интенсивного лазерного излучения'I,,06 мкм и 10.б мкм IX2 = I0*2 Вт'cm^'mkí/v У.Разработана система накачки и

•ехнически реализован компактный модуль TEACOg-лазера.Исследо-|йны характеристики генерируемого излучения й параметры разряда: 1ри удвоении нипрянения в схеме Аркадьева-Маркса до 80 f 100 кВ нергосъеи с активного объёма 1.2 л смеси газов атмосферного дав-ения C0g ~Кг - Не. достигает 50 Дж а характерном гигантском шульсеТ =70 не.Использование этого модуля в качестве базо-ого способствовало созданию мощной лазерной системы с энергией ' импульсе 50 не Ел <= 0.3 кДчс.Эксперименты по оптимизации её араметров показали возможность работы при давлении- смеси рабо-их газов до 2 атм .способность 'формировать одкопичковую струк-уру,лазерного импульса вариацией состава смеси.Обоснована и при-енена методика диагностики образов'ания и эволюции как положи-ельно, так и отрицательно' заряженного ионного компонента лазер-ой плазмы на основе время-пролётной.масс-спектрометряи.

В работе для случи1 Д-- 1.06 мкм,^ 10*® Вт/см^ экспери-ентально получены энергетические и' зарядовые распределения от-ицательно заряженных ионов а широком диапазоне масс Ы М- 209 , роизведен сравнительный анлиз ;распределений положительных и трицательных ионов исследуемых элементов, свидетельствующий о эзможностк процесса "продолженной" рекомбинации А+,3-ионов в бласть А"-ионов с характерным интереалом энергий до 2 - 3 кэВ. згально исследована структура полученных" спектров, определены . эличины основных максимумов ( при En= I ~ 4'10 эВ ).Проведена зри я экспериментов по-, изучению зависимости относительного выхо-. i отрицательных ионов от массы используемого элемента )( для качений Ед = 1.2- 1.4 эВ)характеризующаяся значительным спазм при увеличении М от 12 а.е.м. ( С" ) до 63 а.е.м. ( Си" ), зи атом средняя, энергия регистрируемых ионов падает от значения

>0 эВ до 60 зВ, а максимальная Е„„„ от 0.6 кэВ до 0.2 кэВ (0= g . о мах у

'10 Вт/суг ). Для ионов F- в' экспериментах с бинарными соеди-

;ниями/<> , , tV'Aj 0бщИй их выход при разлёте лазерно-плаз-

: иного сгустка определяется практически линейным падением с

ютом, величины средней массы ионов сгустка М„_. от 13 а.е.м. до

ср

) а.е.м.Полученные результаты могут являться подтверждением в шьзу рассматриваемого процесса "рекомбинация + прилипание".

о

о

В работе выявлена динамика заполнения энергетических .состо яний в спектрах А~-ионов с-увеличением плотности.потока лазерно излучения.Определено существование граничных плотностей штока ( "пороговых"^ПОр )> при которых начинают регистрироваться первые спектры А -ионов: величин» ^ПОр тем больше, чем,меньше значение Е^ исследуемого элемента и больше.его масса Мд, указывает: на наличие связи величин уп0р с соответствующими величинами при которых начинает проявляться рекомбйнадионная структура . энергетических распределений нейтральны?-атомов'этих же.элемент! С увеличением плотности потока у спектры А~-ионов "отслеживают" динамику распределений Л+"-ионов и прорекомбиннровавшкх нейтралов: увеличение количества положительных-ионов в области 'возрастающих энергий и их рекомбинация ведут к-последовательному увеличению занижаемого диапазона энергий А"*-ионов за счёт появления состояний с высокими.энергиями. При.увеличении фот 2 '10® Вг/см^ до 10*® Вт/см^ общий выход ' А"~ионов возрастает , почти на порядок, средняя и максимальная энергии - в 2 - Зраза

Экспериментально изучены пространственные характеристики разлёта отрицательных ионов лазерной плазмы, обнаружено существование анизотропности относительно нормали к поверхности мишени, начиная с угол раствора от величины 15® ~ 20® с ростом ^ увеличивается до 45 т 60 при р = 10*® Вт/с:/ч

Более детальное исследование полученных распределений показывает, что область высоких энергий А~-ионов приходитсян на наиболее узкий интервал телесных углов (0= 10® 4 15® ), а расширение угла раствора $ определяется заполнением низкоэнерге-тичных состояний, что также может свидетельствовать в пользу, механизма генерации отрицательных ионов - прилипание к прореком-бинировавшм атомам с последующим тепловым перераспределением.

Исследованы основные закономерности распределений отрицательных ионов плазмы, образованной воздействием лазерного излучения 10.6 мкм - имеющие как общие тенденции по сравнению со случаем 1.06 мкм : схожую динамику заполнения энергетических состояний с ростом плотности падающего'лазерного излучения <} , увеличение средней и максимальной энергии регистрируемых ионов, так и существенными отличиями - "максвеллизацисй" ниэкоэнерге-тичноД части спектра, характерней деформацией энергетических '-'■"■

';" ' 8 -,. ■:- V; -

-:.-"-,' .в '-. >•--.' 'Г ';-'-: '

аспределений в соответствии с последовательны:.! уменьшением ко-ичества тепловых нейтралов и ростом числа рекомбкнацнонных. 06-аружено ..существование'оптимума выхода отрицательных ионов от лотности,потока падающего лазерного излучения ( 2"10® Вт/см2 ия ионов и 5" 10® Вт/см*" для ионов Р~ ), определяемого

алансом соответствующих иоиизационно-рекомбкнацконных пдоессов. з-за.меньшей критической'плотности и большей температуры наблв-хемый оптимум-достигается при меньаей. плотности потока, чем в 1учае .плазмы, образованной излучением 1.06 мкм I здесь много >льшую роль .играет-процесс/.тройной рекомбинации ).

Произведен анализ основных схем образования отрицательных, шовв лазерной плазме, на оснока которого делается заключение преобладании прилипания свободных электронов к нейтральным атома им в тройных соударениях ( при yl^.10^ -г* 10^ см~^ ). Указы-1ется на возрастание, роли канала рекомбинации положительных нов лазерной плазмы черед образование отрицательного иона, 'от механизм может стать определяющим для слабоионизованной к « при превышении величины онергии сродства атомов иссле-etíwx элементов к электрон;/ над средней тепловой энергией элеронов.

• В работе также определён зарядовый состав плазмы, образован-й излучением мощного СО^-лазера ( $изх ДО Ю'^ Вт/см^ ), ис-едована зависимость максимально получаемых кратностей иони-ции положительных ионов от массы исследуемого элемента: мак-мум приходится на диапазон 20 50 а.е.м., что является след-ати усидения рекомбинации с уменьшением средней скорости раз-та ионов.Эксперименты показали наличие оптимума по выходу од-зарядных положительных ионов - при размере пятна cl= I см, = 200 Дк, tf = Ю9 Вт/сгА

'Применение лазерной инициации позволило провести экспери-лтальк^э исследования рараметров ионной эмиссии из устройств, эрамдих пинчевые структуры.Анализ полученных результатов и ■шственнос рассмотрение особенностей шшчевания лазерной пла-j свидетельствуют о необходимости использования преимуществ строго" ( с ) вклада энергии з разряд .Динамика форми-

зания зарядовьис и энергетических распределений выходящего шого пучка при погашении энврговклада определяется,очевидно,

увеличением эффективности сжатия плазмы' магнитным, полем нараста щего тока разряда.При этом значительное увеличение выхода отрицательных ионов можно связать с созданием более оптимальных условий "выживания" и повышением эффективности вытяаки из пер» воначально создаваемой плазмы» ', - ■ - ..;'. .; :

Определен^ преимущества лазерно-плаэменной среды для по-: лучения отрицательных ионов: наличие резких, градиентов концентраций при разлёте плазменного сгустка, компенсация объёмного заряда А"-ионов на больших расстояниях от места их образования, возможность использования любых элементов периодической системы стерильность отбора,, простота и компактность устройства источника.Анализ баланса образования и разрушения А~-ионов свидетельствует о той, что для получения оптимального выхода отрицательных ионов следует стремиться к максимизации, параметра ^Л? достигаемого обычно в диапазоне уХ2 = Ю*^ - Вт'см"^'мккг Оценки, проведенные на, основании полученных результатов,'свидетельствуют о возможности достижения тока эмиссии отрицательных ионов' мА.

ОСНОШЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ •

1. Разработан и создан компактный модуль импульсного СО^-лазера ( 50 Дж ), эксплуатационные характеристики которого позволили использовать его как базовый при создании мощных лазер-, ных систем.На его основе технически реализована 4-х модульная системе с энергией излучения 0.3 кДк, изучены основные характеристики излучения и параметры разряда. : "

2. На основе применения метода лазерной масс-спектрометрин впервые получены и исследованы зарядовые, энергетические, скоростные распределения отрицательных ионов лазерной плазмы, обнаружено присутствие в спектрах "быстрых" ионов с Е = I т 10 к: Выявлен характер заполнения энергетических состогний в распределениях А~-ионов с увеличением плотности потока лазерного изо лучения от Ю7 до 10 Вт/см^.При этом происходит последовательное расширение спектров в область больших энергийв то же время оставаясь "внутри" спектров А+-ксмпонснта.

Установлены значения гран:.чных интенсивностей лазерного

излучения при образовании спектров отрицательных ионов в зависимости от величины энергии.сродства атома к электрону: от 4/I08; Вт/см2 для F~Á до 6'ИУ Вт/см2"..для Си.. -W 3. Исследована динамика формирования угловых раапределэний отрицательных '»'.онов - от. существенно анизотропного (б = 10^4-15®) при прохождении граничной плотности потока с последующим расширением угла раствора до -545®; Отмечено, что наиболее широкое угловое распределение имеет низкоэнергетичная часть отрицательных ионов. Экспериментально изучено влияние характеристик элементного состава мишени на параметры эмиссии А~-ионов в широком диапазоне масс ( 6-¿Мс209 ).Установлено, что относительное содержание отрицательных ионов в разлетающейся плазме тем больше, чем- больше величина энергии сродства Е^ данного элемента и чем меньше его масса М. При фиксированном значении Вд зависимость от М аппроксимируется линейным спадом.

,4. Проведен сравнительный анализ А~-распределений плазмы, созданной излучением 1.06 мкм и 10.6 мкм и указано на прямую связь через процессы прилипания между образованием отрицательных ионов и процессами рекомбинации полокительных ионов в нейтралы. Экспериментально получены интегральные количественные характеристики потоков отрицательный ионов - 10*® 4 10*^ частиц за импульс при <j, гд ю» Вт/см2. Про веден выбор схем процессов образования отрицательных ионов и предложен в качестве основного механизм прилипания электронов а тройных столкновениях с атомаии. Исследованы возможности применения получаемых потоков А- и Анионов для создания источников частиц, выявлены оптимальные условия для работы лазерного источника отрицательных ионов, при частоте повторения лазерных импульсов i - 100 Гц возможно достижение среднего тока эмиссии I I мА.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах: .

1. Быковский Ю.А., Романюк В.И., Сильнов С.М. Отрицательные ионы лазерной плазмы. -Письма в ЙТ5, 1988, т.14, в.10, с.927-931.

2. Быковский Ю.А., Романюк В.й., Сильнов С.М. Компактный модуль мощного COg-лазера. -Приборы и техника эксперимента, 1988, •М, с.284-285.

3. Быковский Ю.А., Романюк В.И., Сильнов С.М. Лазерно-

о

плазменный источник ионов для масс-спектрометра. -Авторское свидетельство СССР И503596, 1987.

4. Быковский Ю.А., Кулагин А.А., Романюк В.И., Сильнов С.М. Отрицательные коны лазерной плазмы. -В кн: Тезисы докладов У Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой, 1989, с.95.

5. Быковский Ю.А., Романюк В.И., Сильнов С.М. Эмиссия отрицательных ионов под действием лазерного излучения. В кн: Тезисы докладов XX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике, Киев, 1987, т.2, с.28.

6. Быковский Ю.А., Облизин А.Н., Романюк В.И.,, Сильнов С.М. Ионизационные процессы в плазме, образованной излучением I.06 мкм и 10.6 мкм. -В кн: Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитных излучений с плазмой Дашент, 1985.

7. Гулин М.А., Романюк В.И., Толстой И.Н. Оптическая и рентгеновская диагностика инициируемого лазером плазменного фокуса. -Молекулярная физики неравновесных систем, Н., 1984, с.127-132.

8. Быковский Ю.А., Романюк В.И., Сильнов С.М. Исследование генерационных характеристик двойного поперечного разряда в смеси газов С0£ -Л^ - Не повышенного давления. -В кн: Тезисы докладов 1У Всесоюзной конференции по физике газового разряда, Махачкала, 1988, ч.2, с.99.

9. Быковский Ю.А.,- Романюк В.И. , Сильнов С.М. Лазерно-плаз-менный источник ионов. -Авторское свидетельство СССР И503595, 1987.

10. Быковский Ю.А., Романюк В.И. , Сильнов СЛ.!. Образование отрицательных ионов под действием излучения 1.06мкм и 10.б мкм высокой интенсивности. -В материалах XIII Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике, 1988, чЛ, с.365.

Подписано к печати ЗО-С^-дО Заказ£00,1, Тираж 400 Типография ШОД , Каширское шоссе, 31

®