Прецизионное измерение длин волн спектральных линий многозарядных ионов в лазерной плазме и в плазме взрывающейся проволочки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

РГ6 ОД Академия наук Республики Узбекистан

1 8 ДПР очт тттш

На правах рукописи ЭРШ.Т0В Щукрулшо Абдулфайзович

ЛК 621.373,826:533.952

ШЩИШОйНО® ЙЗШЕШИЕ ®ЙН ВО® 'СВШШШС МШ Ш0Г03АВДШ ИШОВ В 1АЗЕРНСЙ ПЛАЗМЕ И В ПЛАЗМЕ !

Шеавяш .

Спеодалъиость 01.04.21 — лавервая

Автореферат дйсоертащш на соискание ученой степени

кандидата рщико-математических наук

Таикент - 1993

з.

ОБЩДЯ ХАРАК^ШаСТЩ-. РАБОТЫ

Актуальность., темы. Интерес к спектроскопическим характеристикам веществ, находящихся в экстремальных условиях, возник в . основном по следующим причинам,.Во-первых, исследования в направлении управляемого термоядерного синтеза показали, 'Что одним из наиболее точных, порой единственным методом диагностики высокотемпэратурной плазмы является рентгеносизктральная. диагностика по интенсивностям спектральных линМх ■многократно ионизированных атомов. Такие характеристики излучений в инфракрасном, видаком.и ультрафиолетовом диапазонах, очевидно,, недостаточны ' для понимания физически-'процесеой, протекающих в высокотемпературной плазме. Во-вторых,- в экспериментах по исследования возможности. создания рентгеновских' лазеров не- обойтись без знания структуры электронных оболочек атомов. Кроме этого, изучение спектроскопических, констант атомов, которые широко используются в различных направлениях наутаитехтшг.является одним из важных напрг&лёний 'фунд&кеытаШюй ,

В настоящее время область неизученшх1\ионов концентрируется в районе высших кратное тей шнизацтат1шшзкэлемент0в. Развитие техники и методов определения спектроскопических констант привели к улучшению точности подучаешх результатов. Поэтому мно-ше работа посвящены более деталъномурассмотрёниюотдеЯБНЫХ ранее плохо изученных областей спектральных линий. Тщательно анализируются спектры атомов как в применением приборов с высокой дисперсией и разрешением, так 'и более современных- методов теоретических расчетов. Предпринимается усилия да поиску резэд-мов работы такихисточников как: лазерная плазма, плазма 2 -пинчей, в направлении уменьшения ширины спектральных линий, излучаемых такой плазмой. Теи. не менее,: к настоящему времени -подробно исследованы лишь К-спэктры шогозарядннх ионов, т.е. спектры, обусловленные перехода.® оптического ¡электрона: на уровни со значением. главного квантового числа И = I ( к -оболочка}, вклочаэщз' в. себя спектральные линии Н- и Кэ-подоб- "• ных ионов и ет сатёллатов.. .Но . : --и Mr-спектры (т.е. спектральные лйшп, .обусловленные .переходами оптического электрона на уровни со . зтадакпем главного квантового ;,числа ft = Z и ■ К= 3, соотзетствённо} ;шо15й'злектронов- изучены пока, гораздо

- впердае измерены и идентифицированы длины волн спектральных линей ^-подобных шогозаряданх конов никеля, меда и цинка;

- показано, что в плазме взрывающейся проволочки свечение периферических областей плазмы з мягком рентгеновском диапазоне связано с облучением разлетевшегося вещества электронным пучком, возникашбш на поздней стадии разряда;

- обнаружено формирование квазипериодической структуры -перетяжекобусловленное- взаимодействием горячих точек плазменного шнура через буферные зоны.

0снрвнне|Г)арддаен;1Я. выносимые, на заикту:

1. Предложенная к разработанная методика измерений длин волн спектральных ланит"! излучений. многозарядных ионов в лазерное": плазме взрывающейся проволочки (в плазме X -пннча).

2. Проведенное прецизионное измерение .длин волн ряда, спектральных лйш$ шогозаряданх ионов в лазерной плазме, где достигнуты низкие , погрешности измерения (вплоть до &&/А. -

сб^в)-1сг55\ . . ' ; .

3. Впервые измеренные и идентифицированные спектральные линии излучений, обусловленные радиационным упадом М -подобных ионов никеля^. кеда и цикка.

4. Проведено экспериментальное наблодение перетяжек плазменного шнура и сравнение № с теоретшеокдаи :расчета?«®., где было показано Форг.йрование квазипериодической структуры, перетяжек в . процессе их взаимодействия и образования разрывов плазменного шура.

Здажд^окая знатаюсть. Пси выполнении работы было зарегистрировано и ъдзнтифщировано свнке четырехсот спектральных линий шогозаряданх конов меда, цйнка ж никеля в рентгеновском диапазоне. Подученные результата вавденг в банк данных по фактографическим константам атомов и ионов, созданный во ЕНИИЗТРН Госстандарта .Россия.. Зет результаты являются' важными для тщих- направлений, .гак: возможность создания ^рентгеновских лазеров, исследование физических'процессов в внсоЕотешератур-ной плазме. ''Ч ' , '

/

предназначенных для исследовании по управляемому термоядерному синтезу, уже достигнуты кратности ионизации шогозарядных ионов

2-1 ~ 50*60. Коротковолновое излучение, включающее спектральные линии шогозарядных ионов, является естественным и весьма богатым (а часто и практически единственным) источником, информации о процессах в плазме с температурой 10^-10'К и выше.

В первой главе дается* обзор работ по исследованию спектра лыгых линия шогозарядных ионов.. Известно, что большинство работ в этом направлении выполняется на установках., которые были созданы для решения проблем управляемого термоядерного синтеза. Со времени появлений эти установки претерпели значительные изменения:, улучшались их энергетические характеристики, совершенствовался ряд других параметров. ~ '

Рассматриваются работы,, выполненные на традиционных установках: лазерной плазш, вакуумной искры,, тбкамает и т.д., . Приведена-таблица; где можно сравнить достигнутые- к настоящему воеменЕ параметры плазмы, создаваемой с помощью э'так установок. Здесь также останавливались на относительно недавно появившейся установке, .такой как электронно-ионная ловушка (ЕВ1Т). Эта установка является .в настоящее время наиболее перспективной для измерения и идентификаций спектральных линий »шогозарядных ионов в рентгеновском диапазоне, поскольку спектральные линии излучений ионов.» подученных в таких источниках, являются предельно узкими, что очень ваяно йля достижения высокой точности. Анализ последних работ, показал; что к настоящему- времени '• в той или -иной стейенй изучены элементы- до: Ж.' * 92.- В, работе •• обсуждается применяемая в настоящее время спектральная аппаратура -для разложения излучений шогозарядных ионов в спектр. В настоящее время применяется два типа спектрографов: спектрографы скользящего падения и различные схемы кристаллических спектрографов. Приведены параметр»1 спектрографов, использовавшихся в работах по регкстрацш рентгеновских спектров многозарядных донов.; Для регасзфаиий- иитёресумцем нас диапазоне длин-: вода: .-= 5*20 каиболйе тадходав^ши являются кряс- -таллическяе спектрографе.. : -

:Г Гд^а^.вторая поовяйена' различным -сйем^.спёктрограйов, . используем для регистрации рентгенозсних спектров многозарядных ионов.. £-эшЕЙ^щ-'тштщяротей.различные схемы.кристаллических -спектрографа и спектрографа скользящего падения.

для модуляций, добротное те задающего генератора использовалась ячейка Керра. Все это обеспечивало на выходе генератора энергию 0,3*04-5 да в одной поперечно! моде при длительности ишульеа 30 не и расходимости 5.10"^ рад.

Для модуляции короткого импульса использоважя зйтзор Кзрра, управляемый разрядником с лазернвм податом о поляризаторами, выполненными аз яаарневых клиньев. Наружнне грани кварцевых клиньев срезана иод углом Бластера.

Длина электродов и аащаяяеийа, дрикладаваемое в электро-* дам, ттодбирада^ь таким,образом, чтобв плоскость поляризации луча поворачивалась на Я/% . Когда напряжение не приложено, действие ячейки аналоЬтоно действию обачной плоскопараллельной пластинки. При подаче напряжения наэлектроды ячейки, свет входит "во второй кяин с поляризацией необшгаовенвого дуча. На грани кварздг-воЗдух он преломляется иод углом «18*. Именно этот луч направляется дальше в каскады усиления й Используется как рабочий. Второйдуч использоважя для контроля работы генератора. "••

Для вйрззания короткого светового импульса иа электрода ячейки подавался короткий электрический импульс. Формирование такого шлоульса производилось заряданмкабелем и разряяииком с лазерным подаигом. "Часть издученяя генератора, отраженная от шгаекопараллелынэй яласшшй и'чгф^сировайная ^шэей с /* = 30 им» направляв и» иа ода® из электродов -разрядника. Разрядам работает в сфере азот под давлением 12 атм в „величина разрядного иромвадгтка да*. В этихусловиях напряжение самопро&эя составляв» 36 кВ. Лазерный ведада осуществляется ври надряаении ЭЗ «В. Ддай» зафядаого кабеля 20 см. 3 этой случае длитеяьвость элехтзжчвсйэго импульса составляла с крутазно» а«редаего фронт т хуже 0.5 да. Подерем нейтрвцаашхевеадфадьтрр» перед разрядником дабадась оягрнваиия затвора в моне«* ярсаеавдения максимума гигайтского имцуласачаре» дорезанногоячейку. Процесс отнрв-ваяия »атворе регистрировали! с помовгья коаксиального фотоэлэ-меята.30К»15 «а оепджаогр»?« 6Л0Р-4. Зверта» срезанного жлпуль-еа составляла 10 кШж ври длительности по долувзеоте 2 не-

Для предварительного усиления вырезанного имцульса шщолб-зуеяся..ддахарржоднои -аз вездвмо-

ВОГО итак» мархв ГЛС-1 даамгтром 15 им ж ддаяой 240 да с тор-

ншо длин волн и нценти^йгацйи спектральных линий многозарядных ионов в плазме, нагреваемой изучением лазерной установки. -Б качестве р-^лсгрирующел аппаратуры был использован спектро- -граф с выпуклым кристаллом слюды, обладага'цюл высокой обзорностью (1,5 -4 19 %). В качестве реперов использовались спектральные линии ионов К! и А1 ХЦ в первом и втором порядках отражения слюды. Для вдентг#икахда спектров был использован банк данных по спектроскопическим характерно тикам атомов и ионов, созданный в НПО «ШШТРИ"..; Подчеркнем, что* такое - ■ большое количество спектральных линий (180 линий ионов меди и 186 ллнпа цинка) в этих спектральных диапазонах были идентифицированы впервые. Спектр сателлитных структур Лк' -подобных ионов 2« ;был специально рассчитан для этой работы ■ Нильсеном (Ливерморская Национальная Лаборатория, Ливермор, ]{ал1*г7юпния, США). .

■ Приведена методика та^ "...

рентгеновских спектраЛьных линия многозарядных ионовв лазерной плазме. Метод основан на регистрации спектров излучения рекомбинирующей- лазерной влаэйы. При жзтрШп ВДВ? яола ;ёйекзр-е -ралъных линий в лазерной плазме обычно регистрируются снектрг ионов» образующихся на поверхности мишени» » области: с. бодавши температурами, что приводит.к болыдам ушрениям спектральных линий и не позволяет измерять с предельно высокой точностью. На расстояниях ^ > I мм от мишени линии становятся очень узкими, их шрина не превосходит 0,002 Я. Поскольку положение центра лтзш можно измерить с погревдость» 0,2*31- то^предельно достижимая ошибка изменений для данной спектрограгдалы составила дЯ* о, 0002 X. Для реализацш такой точности необходимо иметь достаточное число узких реперннх линий дайну золн. кото-рые-известны, с; ^гредаость^, значительна •/'

-'Такши' реперами могут .линии» обусловленные

переходами пр ~ в Н- гНе-подофгах.таках. В-.настоящей, работе таким. способом измерены дайны волн ряда спектральных линий ионов Г¥Ш [, ГШ Тёалкзованн.ая в -нает^е^р^ате^нсгреаность измерений &Х/Х 6-1рДостиже-иой дая кркстйлза СпАР , каторый ;псЕ0ж^ов£икя .в качестве ..., дисперггрушего злемента в спёкт^гра^е гго.^^

спектрограммы с • хорошимСпектральным разрешением (Х/л^-т ХС^). Анализ полученных спектрограмм показал, что рентгеновское изучение многозарядных ионов разлетающихся перпендикулярно направлению электрического тока, достаточно интенсивное для регистрации их в далекой от центра «горячей"' области. Это обстоятельство позволило провести измерения по предложенной наг.® методике измерения длин волн.

Большинство измеренных линий соответствует теоретическим расчетам длин вода спектральных линий -подобных ионов,

которые были рассчитаны специально для наших экспериментов ДаиШцр^еиом (Ливерморская Национальная Лаборатория» Дивермор, Калифорния, США).

Приведены результаты экспериментаяшнх работ по исследованию образования перетяжек в плетне взрывающейся проволочки. Многокадровая скоростная фотосъемка, позволяющая получить до щгти кадров одновременно (с интервалом 10 вс), использовалась для определения времени образования перетяжек, размера плазменного шкура, скорости распада перетяжек. Полученные результаты были сопоставлены с теоретически?.® расчетами по ЙЩ модели. Модель использует вариан т крупных частиц. Он апробировав ва осе симметричных задачах механики сплошных сред, вкдачаввдх моде® вязкоплас тического течения при кумуляции и пробивают металлических мишеней. Сравнение снимков для одинокой нагрузки с расчета?® го вышеуказанной модели показало применимость Данией модели.

В заилюченйц приводятся основные результаты настоящей работы: \

X. Построена мощная лазерная установка на неодагмовом етекле. 1^и6реш параметри излучения импульсной лазерной установи. Оои имеет следующее значение: энергия излечения = ЗОда. %к острой фокусировке на пятно 80*100 мкм достигается платность Потока 5*10^ вт/сЛ

2. Разработаны кристаллические спектрограф для"регистрации издучения' кногозарядвнх ионов в лазерной плазме и в плазме Х*шя«а.

3. Исследованы рентгеновские спектры-ионов кем 7,9» 12,84 I) а шщка С А - 6,5-11,71), возбуддаекях в плазме,

3. Мингалэев А.Р., ДЕ,Ншшсен, йзкуз С.А., Романова В. 1.1., ¿аёнов А.Я., Шэлзфвентго Т. А. , Зрг.затов Ш.А. Спектры много-Эарядных ионов.никеля и меда в,плазме Х-гганча //Квантовая электроника,-199320.ч1« 5.-С.461-469.

4. Дж.Нильсен, Пикуз С.А.,'Скобелёв Й.Ю., Фаёнов А.Я., Хаби-. бу&лаев Б.К., Эрматов Ш.А. Ь -спектры ионов меди и

цинка в диапазоне длин волн % г= 6,5+12,98 Я, наблюдаемые в плазме нагреваемой излучением т -лазера //¡квантовая электроника.-1993.-Т.20.-Й12- -

Иваненков Г.В.,' "яшгалеев А.Р., Пшгуз С.А., Романова В.М., ; Отепневскк В., Нел&женко Т.А., Эрматов Ш.А., Ш К. Оптические исследования плазмы наносекундных сильноточных раз: рядов через »эгаяяические. проволочки //Препринт ШДН -й 50. -.'1осква.-1992.

PRECISION AL MEASUREMENTS OF HAVBLEHCTHS OF SPECTRAL LINES OF MULTIPLY CHARGED ICRS 18 LASER PLASMA A»D IH PLASMA OF EXPLODING WIRE Sh.A.ERMATOV

ABSTRACT

The dissertation is aimed to Beasureoents and identification of X ^ray spectra of Rultiply chsfgsd -ions in laser plasit& and in plasna of exploding wire. The work is also Rimed to investigation of processes occurring in the Plssaa of the exploding wire. To heat plassa an iapulse laser installation has been worked out. which nakes stream density about 10*4 wt/eio* at sharp focusing at the target. X~rey spectra have- teen registered with the help of crystalline spectrographs. Hore than 400 special lines of nultiply charged ions of Co, in, F «nd Si have been measured and identified. The methodics proposed has enabled to decrease the •easureaents errors up to »6-1® .

A respective error of measurement of wavelengths of spectral

lines in the plasma of the exploding wire is not »ore than

-

Pinch-for »at ion at explosion of single and crossed, wires tilth <Eia«eter r20+35 mu and length -10 en has also been investigated in this work. Explosion of the «tire has been carried «»ut by impulse electrical current, proceeding through this wire. Themaximum tension of the impulse was -680 kV, cur. en* - ~20H kf., duration of the impulse was -100 ns.

A system of many-framed fast photography, that enables to obtain simultaneously about five frames with an interval 13 n«, has been elaborated. Kith the help of this aystec a set of par Meters of the plasma being forced has been, deteraiaed, swots •s tine of formation of instabilities, veloeity^f erosswise aad l&ngitudinal separation of the plasma, etc.'