Теоретические основы рентгеноспектральной диагностики короткоживущей плотной плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

СКОБЕЛЕВ Игорь Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ КОРОТКОЖИВУЩЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва-2007

003065339

Работа выполнена в объединенном институте высоких температур РАН и ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений

Официальные оппоненты

член-корреспондент РАН,

профессор

Анисимов С И

доктор физико-математических наук,

профессор

Воробьев В С

доктор физико-математических наук,

профессор

РябцевАН

Ведущая организация Институт общей физики

им А М Прохорова РАН

Защита состоится 'Р^ -ОГТиО/М 2007 г в ч <2й мин на

заседании Диссертационного совета Д 002 110 02 при Объединенном институте высоких температур РАН по адресу г Москва, ул Ижорская, 13/19, Объединенный институт высоких температур РАН, актовый зал

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН Автореферат разослан * 2> "(ЛМТ^2007 г

Ученый секретарь Диссертационного сове' доктор физико-математических наук

Ф Объединенный институт высоких температур РАН, 2007

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1. Актуальность работы

Настоящая работа посвящена развитию спектроскопических методов исследования вещества, находящегося в экстремальных условиях - при сверхвысоких температурах и давлениях Такие условия осуществляются в астрофизических объектах В лаборатории они стали достижимыми с середины 60-х годов прошлого столетия благодаря развитию термоядерных исследований, лазерной и ускорительной техники Вещество (плазма), находящееся в экстремальных условиях, является ярким источником рентгеновского излучения, которое несет в себе информацию как о параметрах плазмы, так и о протекающих в ней физических процессах

Рентгеновская спектроскопия многозарядных ионов с середины прошлого века начала использоваться для изучения разреженной высокотемпературной плазмы солнечной короны или получаемой на установках с магнитным удержанием (см, например, [1-10]) В середине 60-х годов прошлого века становится очень актуальным новый лабораторный плазменный источник - лазерная плазма В отличие от астрофизической плазмы и плазмы токамаков, лазерная плазма обладает высокой плотностью, и для ее исследования потребовалось развитие и обобщение созданных ранее методов ренттеноспектрапьной диагностики Это было сделано в 1960-80х годах в работах ряда исследователей, среди которых следует отметить теоретические работы, выполненные в Физическом институте им П Н Лебедева группами Л А Вайнштейна и А В Виноградова, в Институте спектроскопии группой У И Сафро новой и экспериментальные работы группы В .А Бойко (см, например, [11-14])

Развитие лазерной техники и других методов создания плазмы привело к появлению в 80-х годах прошлого столетия фактически .нового плазменного объекта - коротко живу щей плотной плазмы Главным образом, это плазма, нагреваемая пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, и плазма, создаваемая в сверхбыстрых электрических разрядах типа Х-пинч Такая короткоживущая плазма стала чрезвычайно активно применяться для самых разнообразных физических исследований (см, например, [15-25]), в том числе и таких важных, как инерциальный термоядерный синтез, создание рентгеновских лазеров, рентгенолитография, рентгенография медико-биологических объектов и др Особенности этого нового объекта, такие как малое время жизни, сверхвысокая плотность, не равновесность энергетических функций распределения электронов и ионов, возбуждение сильных осциллирующих электрических полей, потребовали дальнейшего развития и модификации традиционных методов рентгеновской

спектроскопии, связанных с учетом не только его высокой плотности, но и целого ряда других эффектов Такое обобщение и было сделано в настоящей работе

1.2. Цель работы

Целью работы является теоретическое исследование влияния основных особенностей короткоживущей плазмы на излучаемые ей спектры рентгеновского излучения и создание на этой основе рентгенослектральных методов диагностики короткоживущей плотной плазмы

1.3. Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в том, в ней впервые

- Проведены систематические расчеты кинетических и энергетических релаксационных характеристик многозарядных ионов с заполненной внешней оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке (Н-, Не-, 1.1-, №- и Ые-подобные ионы) и для ионов с одним электроном во внешней оболочке предложены их аналитические аппроксимации

- Обнаружен и объяснен эффект рекомбинационного охлаждения плазмы

- Предложены и использованы рентгенослектральные методы, позволяющие проводить диагностику лазерной плазмы с нестационарным ионизационным состоянием

- Изучено влияние высокоэнергетичных электронов на излучательные рентгеновские спектры короткоживущей плазмы, обусловленные переходами оптического электрона в К- и I.-обо л очки, и показано, что адекватное теоретическое описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, а также образующейся в плазме Х-пинчей, требует учета наличия в такой плазме горячих электронов

Построена физическая модель, позволяющая рассчитывать и интерпретировать рентгеновские спектры кластерных мишеней, нагреваемых фемтосекундными лазерными импульсами в режиме, когда длительность лазерного предимпульса сопоставима с временем жизни нагретого кластера

- Показано, что в случае плазмы кластерных мишеней влияние быстрых ионов на профили излучаемых рентгеновских спектральных линий зависит от значения оптической толщины плазмы на свободно-связанных и свободно-свободных переходах При существенной оптической толщине в этом случае может возникать асимметрия наблюдаемых профилей рентгеновских спектральных линий

- Идентифицированы в эмиссионных спектрах лазерной плазмы рентгеновские лазерные и плазменные сателлиты, появление которых обусловлено взаимодействием ионов с осциллирующими электромагнитными полями Наблюдение лазерных и плазменных сателлитов использовано для диагностики

плазмы и прецизионных измерений положения метастабильных уровней многозарядных ионов

- Показано, что лазерно-индуцированные переходы могут заметно сказываться на кинетике возбуждения обычных спектральных линий за счет уменьшения времени жизни метастабильных состояний

- Методы рентгеновской спектроскопии использованы для диагностики сверхплотной лазерной плазмы и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-пинча Показано, что при взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов умеренно высокого (до 105) контраста с твердотельными или кластерными мишенями возможно получение плазмы с плотностью, превышающей критическую, но заметно меньшей твердотельного значения При использовании аэрогельных мишеней с зернами, прозрачными для нагревающего лазерного излучения, зарегистрирована наноплазма с плотностью выше твердотельной

1.4 Научная и практическая значимость результатов

Развитые в работе методы рентгеноспектральной диагностики были использованы для исследования короткоживущей плотной плазмы, создаваемой на лазерных установках в Троицком Институте инновационных и термоядерных исследований, в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (г Королев Моек обл), во ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений (Менделееве Моек обл), в Институте Макса Борна (Германия), Институте физики плазмы и лазерного микросинтеза (Польша), в Институте оптоэлектроники военно-технической академии (Польша), в Центре новых энергетических технологий (Фраскати, Италия), в Ливерморской и Лос-Аламоской национальных лабораториях (США), в Исследовательском центре Сакле (Франция), в Университете Бордо (Франция), Центре сверхбыстрой оптики Мичиганского университета (США) и на установках типа Х-пинч в Физическом институте им П Н Лебедева РАН и в Корнельском университете (США)

Результаты работы могут быть использованы в таких актуальных и практически значимых исследованиях как инерциальный термоядерный синтез, создание мощных источников когерентного и некогерентного рентгеновского излучения и создания инжекторов многозарядных ионов для тяжелоионных ускорителей

Результаты, полученные в диссертации, могут быть рекомендованы для использования в Объединенном институте высоких температур РАН, Троицком институте термоядерных и инновационных исследований, Институте общей физики РАН, Физическом институте РАН, Институте спектроскопии РАН, ВНИИ экспериментальной физики (Саров), Институте теоретической и экспериментальной физики, ВНИИ технической физики (Снежинск)

1 5 Научная достоверность и обоснованность результатов

Практически все основные результаты и выводы работы сопоставлены с результатами экспериментальных исследований, проведенных на различных установках по созданию короткоживущей плотной плазмы Хорошее качественное и количественное согласие теоретических результатов с экспериментальными подтверждает их научную достоверность и обоснованность

1.6 На защиту выносятся

1 Установленные в результате теоретических исследований основные особенности короткоживущей плотной плазмы, влияющие на ее излучательные свойства, и модели, позволяющие учитывать эти особенности при расчете ее радиационных свойств

1 1 Кинетические модели, позволяющие в рамках квазистационарного приближения проводить расчеты релаксационных характеристик многозарядных ионов в классической идеальной плазме, и результаты систематических расчетов для многозарядных ионов с заполненной внешней оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке,

1 2 Вывод о том, что адекватное теоретическое описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, а также образующейся в плазме Х-пинчей, требует учета неравновесности электронной функции распределения,

1 3 Эффект влияния лазерно-индуцированных переходов на кинетику возбуждения обычных спектральных линий за счет уменьшения времени жизни некоторых метастабильных состояний,

14 Эффект возникновения асимметрии профилей рентгеновских спектральных линий, излучаемых кластерной плазмой

2 Рентгеноспектральные методы диагностики короткоживущей плотной плазмы и результаты их использования для короткоживущей лазерной плазмы и плазмы X-пинчей

21 Рентгеноспектральные методы, позволяющие проводить диагностику короткоживущей плазмы с нестационарным ионизационным состоянием,

2 2 Рентгенослектральный метод обнаружения и оценки относительного числа горячих электронов по относительной структуре сателлитных линий в К-спектрах многозарядных ионов,

2 3 Результаты рентгеноспектральной диагностики быстрых ионов в короткоживущей лазерной плазме твердотельных и кластерных мишеней,

2 4 Идентификация в эмиссионных спектрах лазерной плазмы рентгеновских лазерных и плазменных сателлитов, появление которых обусловлено взаимодействием ионов с осциллирующими электромагнитными полями, и их

использование для диагностики ллаэмы и прецизионных измерений положения метастабильных уровней многозарядных ионов,

2 5 Методы рентгенослектральной диагностики сверхплотной плазмы и результаты их использования для короткоживущей лазерной плазмы и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-пинча

1.7 Публикации и апробация работы

Материалы диссертации достаточно полно изложены в печати Список основных научных публикаций по теме диссертации составляет 57 наименований

Основные результаты работы докладывались автором как на научных семинарах в ИОФ РАН, ФИ РАН, ТРИНИТИ, ВНИИФТРИ, ИТФ, ИТЭФ, Ливерморской национальной лаборатории (США), Лаборатории "Фиплипс" военно-воздушных сил (США), Институте Макса Планка (Германия), Институте физики плазмы и лазерного микросинтеза (Польша), Институте прикладной физики и вычислительной математики (Китай), Университете Бордо (Франция), Исследовательском центре Сакле (Франция), Национальном институте наук синтеза (Япония), так и на всероссийских и международных конференциях, в том числе на Всесоюзных совещаниях "Спектроскопия многозарядных ионов в плазме" Ткибули 1986, 1987, Всесоюзном симпозиуме по радиационной плазмодинамике, Джантуган, 1989, Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1983, Всесоюзном семинаре "Физика быстропротекающих плазменных процессов" Гродно, 1986, V Всесоюзном совещании по диагностике высокотемпературной плазмы, Минск, 1990, школе "Многозарядные ионы в плазме" Ташкент, 1989, международном симпозиуме "Коротковолновые лазеры и их применение" Самарканд 1990, II всесоюзном семинаре по атомной спектроскопии и XI Всесоюзной конференции по теории атомов и атомных спектров, Суздаль, 1991, XI Всероссийской конференции «Диагностика высокотемпературной плазмы» Звенигород, 2005, V Российском семинаре «Современные средства диагностики плазмы и их применение для контроля веществ и окружающей среды», Москва, 2006, 4-ом Международном научном семинаре «Математические модели и моделирование в лазерно-плазменных процессах» Москва 2007, 4th International Colloquium on X-ray Lasers, Williamsburg, Virginia, 1994, 25* European Group for Atomic Spectroscopy Conference, France, 1993, 21 European Conferences on Laser Interabon with Matter, Poland, 1992, 67th Conferences of Radiative Properties of Hot Dense Matter, Sarasota, 1994, Santa Barbara, 1996, Annual Conference SPIE-95, San Diego, 1995, 10-th APS' Conference on Atomic Processes in Plasmas, San Francisco, 1996, 7th International Conference on Mulbphoton Processes, Garmnh-Partenkirchen, 1996, International Conference on Atomic and Molecular Data and Their Applications (ICAMDATA 97) Gaithersburg, 1997, The Fifth Italian-Russian Symposium on Laser Physics and Technologies (ITARUS), Moscow 2003,

2-3"* Workshop Complex Plasmas and their Interaction with Electromagnetic Radiation, Moscow 2004, 2005

1 8. Личный вклад автора

Основные результаты диссертационной работы получены лично автором или под его непосредственным руководством

Практически все теоретические результаты, полученные в настоящей работе, были использованы при интерпретации рентгеновских спектров, излучаемых плотной короткоживущей плазмой при самых различных условиях ее создания Соответствующие экспериментальные исследования были проведены группами С А Пикуза (ФИ РАН) и А Я Фаенова (ВНИИФТРИ, ОИВТ РАН) на установках в различных исследовательских организациях, что и нашло отражение в публикациях

1.9. Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из Введения, пяти Глав, Заключения и Списка цитированной литературы Общий объем диссертации составляет 326 страниц, включая 15 таблиц и 109 рисунков Библ 280 наименований

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении показана актуальность темы исследования, сформулирована цель работы и дана ее общая характеристика

В Главе 1 описывается квазистационарная кинетическая модель и дан анализ рассчитанных в рамках этой модели релаксационных характеристик многозарядных ионов с заполненной внешней оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке в классической идеальной плазме Кроме того, рассмотрено использование результатов расчетов при интерпретации рентгеновских излучательных спектров лазерной плазмы и проведении её диагностики

Разработанные ранее методы рентгеноспектральной диагностики, основанные на анализе интенсивностей рентгеновских спектральных линий (см, например, обзоры [9-14]), как правило, подразумевали наличие стационарных распределений ионов как по кратностям ионизации, так и по возбужденным состояниям Такой подход являлся вполне оправданным для случая достаточно долгоживущей плазмы В случае короткоживущей плазмы многозарядных ионов становится необходимым использование более общего подхода к расчету населенностей возбужденных ионных уровней, а, следовательно, и интенсивностей излучаемых плазмой спектральных линий В большинстве случаев такой подход может опираться на так называемое квазистационарное приближение [26,27], в котором учитывается, что распределение ионов по кратностям ионизации не является стационарным

В рамках квазистационарного приближения (раздел 11) населенности возбужденных уровней представляются в виде суммы

Кг = ДгЛГ.Лг,2+/ + (1 3),

(индексом 1 обозначено основное состояние иона), коэффициенты заселения и в* определяются из решения 2-х систем уравнений

^К^ 5,г ,>1 (14а)

Р* + />1

(1 4Ь),

а населенности основных состояний - из дифференциальных уравнений

= (15).

dt

где скорости процесса рекомбинации и ионизации ^ связаны с коэффициентами заселения Дг и в* следующими формулами

Рг= 2 [К^ 2+1 Щ] (1в)

(1 7),

а элементы кинетической матрицы Km22 дают вероятность переходов из т-того состояния иона Z' в л-тое состояние иона Z за счет всех элементарных процессов, причем диагональные элементы этой матрицы есть полная скорость распада соответствующего сотояния Решение систем (1 4) позволяет также найти мощности энерговыделения или энергозатрат в электронном газе за счет процессов рекомбинации Qp*z и ионизации Qmz и связанных с ними величин Ет2 и £щ2, определяемые соотношениями Ею/ = QuoZ/^N,, Ep^z = Qp^/ffN,2 и представляющие собой энергию, которая забирается у свободных электронов (передается свободным электронам) при ионизации (рекомбинации) одного электрона

В настоящей работе система квазистационарных кинетических уравнений численно решена для Н-, Lh и Na-подобных ионов (раздел 1 2), для Не-подобных ионов (раздел 1 3) и Ne-подобных ионов (раздел 1 4), и значения релаксационных характеристик этих ионов fi,z, S2. &, S2, QQuo/. Е^1, Еж рассчитаны для плазмы, параметры которой (температура, плотность) меняются в широких пределах

Для случая ионов с одним электроном во внешней оболочке (раздел 1 2) рассчитанные кинетические и энергетические характеристики процессов релаксации аппроксимированы аналитическими формулами, функциональный вид которых

следует из различных упрощенных моделей ионной кинетики (диффузионное приближение, одноквантовое приближение, 3-х уровневая модель), использованных при анализе численных результатов

В разделе 1 3 дан анализ рассчитанных релаксационных характеристик Неподобных ионов Эти ионы являются типичным представителем класса ионов с 2-мя электронами во внешней оболочке и обладают свойственными ему кинетическими особенностями, главной из которых является наличие системы метастабильных (по отношению к радиационному распаду в основное состояние) уровней

В отличие от общепринятой точки зрения, что процесс рекомбинации ионов приводит к увеличению средней энергии свободных электронов плазмы, тек рекомбинационному нагреву ее свободных электронов (см , например, [26, 27]), в этом разделе показано, что наличие системы метастабильных уровней у Неподобных ионов приводит к эффекту рекомбинационного охлаждения, те к охлаждению рекомбинирующей плазмы, содержащей Н-подобные ионы На рис 1 показаны зависимости Epe^NJ для ионов Н I, Be III и С V Видно, что если для иона

Н I при переходе от коронапьного к больцмановскому пределу величина Ер„ монотонно возрастает от -Т, до J, то в случае Не-подобных ионов эта зависимость оказывается немонотонной и существуют области значений параметров N., Т., в которых величина (£)*« +3TJ2) является отрицательной Это означает, что при рекомбинации плазмы, имеющей параметры,

соответствующие этим областям, средняя энергия свободных электронов уменьшается, т е плазма остывает Такой эффект рекомбинационного охлаждения плазмы, который, в частности, должен способствовать увеличению инверсной заселенности ионных уровней и может быть использован, например, в задаче получения лазерной генерации на переходах многозарядных ионов в рекомбинирующей плазме, качественно интерпретирован в настоящей работе на основе простой четырехуровневой ударно-излучательной модели (кривые 1, 3 на рис 1)

Е(эВ)

10» 10« >

(в) jf

к W J I

10» \ (3)J

HJF (см*®)

Рис. 1 Зависимости E^NJ при 7VZ* = 1 эВ 1,3- 4-х уровневая модель для ионов Н I и Be III, 2,4,5 - результаты численного расчета для Н -подобных ионов и Не -подобных ионов Be III и С V, соответственно

В раздел* 1 4 дан анализ рассчитанных релаксационных характеристик N6-подобного иона Бе XXV, являющегося представителем класса ионов с заполненной внешней оболочкой, которые представляют особый интерес в связи с проведением успешных экспериментов по достижению лазерной генерации на переходах таких ионов Из результатов расчетов, в частности, следует, что наличие метастабильных уровней 2^2р53р, 2я2рв3з и 252р*3</ у Ые-подобных ионов приводит, как и в случае Не-подобных ионов, к эффекту рекомбинационного охлаждения плазмы Еще один важный вывод состоит в том, что в рекомбинационно-неравновесной ситуации инверсия населенностей на переходе 2522р13р 'Эо - 2^2р'3з 3Р1 исчезает при увеличении Л/, существенно раньше, чем инверсия на переходе 2^2р'3р 'о2 -2^2р>3з 1Ри что может объяснить неудачные попытки получения лазерной генерации на первом из указанных переходов Показано также, что отношения интенсивностей некоторых рентгеновских линий Ме-подобного иона сильно зависят от плотности плазмы и довольно слабо - от ее температуры и ионизационного состояния Поскольку при этом область чувствительности к Л/, совпадает с областью инверсной заселенности переходов Эр - Зв, рассматриваемые отношения интенсивностей могут быть использованы для диагностики состояния активной среды коротковолновых лазеров

В разделе 1.5 рассмотрено использование рентгеноспектральных методов для диагностики плазмы с нестационарным ионизационным состоянием Анализ процессов формирования К-спектров излучения многозарядных Н-, Не- и |> подобных ионов в плазме с произвольным ионизационным состоянием показал, что одновременное сравнение экспериментальных и теоретических данных об интенсивностях ряда спектральных линий, принадлежащих таким ионам, позволяет определять как электронную температуру плазмы, так и распределение ионов по степеням ионизации (соответствующим полностью ободранным Н-, Не- и 1> подобным ионам) Предложенные методы диагностики использованы для измерения параметров лазерной плазмы Например, на рис 2 показаны результаты измерения температуры Т, и плотности Ы, разлетающейся магниевой лазерной плазмы на разных расстояниях г от поверхности мишени, полученные с учетом нестационарности ионизационного состояния Здесь же показаны значения Т,н и Т,ш, рассчитанные традиционным методом [11, 12] в предположении равновесного ионизационного состояния плазмы Как видно из рис 2, величины Т,н и Г,"* с удалением от мишени растут, что противоречит как здравому смыслу, так и результатам измерений Г, по наклону фоторекомбинационного континуума

Таким образом, в данном разделе показано, что при расчете линейчатых спектров излучения плазмы с нестационарным ионизационным состоянием необходимо учитывать ионизационные и рекомбинационные каналы заселения возбужденных ионных уровней Следовательно, при использовании спектральных

методов диагностики, созданных ранее для плазмы с ионизационным состоянием. близким к

стационарному, необходимо

проявлять осторожность, поскольку процессы рекомбинации или ионизации могут существенно изменить рассчитанные ранее зависимости и, более того, сделать неприменимыми некоторые из диагностических методов

В Главе 2 рассмотрено влияние горячих электронов на формирование излучательных рентгеновских спектров короткоживущей плотной плазмы

Взаимодействие коротких

интенсивных лазерных импульсов с веществом приводит к созданию плазмы, в которой распределение частиц (как электронов, так и ионов) по энергиям, вообще говоря, не является равновесным Однако, в области не слишком высоких энергий максвелловская функция может служить весьма неплохим приближением к реальной ситуации, что позволяет вводить для описания плазмы понятия температуры электронов Г. и ионов Т, Отклонения реальной функции распределения от равновесной в области высоких энергий (т е в области энергий, заметно превышающих значения Г. и 71) принято связывать с генерацией в плазме высокоэнергетичных частиц Высокоэнергетичные электроны при этом обычно называют «горячими», а ионы - «быстрыми»

Присутствие в короткоживущей плазме горячих электронов и быстрых ионов может существенно сказываться на ее радиационных свойствах При этом роль горячих электронов должна проявляться, главным образом, в формировании интенсивностей излучаемых спектральных линий, поскольку при этом возникают дополнительные каналы возбуждения переходов со значительной разницей энергий начального и конечного состояний В отличие от этого, присутствие быстрых ионов почти не сказывается на кинетике многозарядных ионов, поскольку сечения неупругих ион-ионных соударений сильно подавлены кулоновским отталкиванием сталкивающихся частиц, но, как будет показано в Главе 3, может сильно менять профили излучаемых рентгеновских спектральных линий

350 400 450 500 г. мхы

Рис 2 Результаты измерения параметров магниевой лазерной плазмы

При наличии в плазме горячих электронов скорости столкновительных процессов <vo>, входящих в систему кинетических уравнений, должны рассчитываться с неравновесной функцией распределения электронов по энергии Такую неравновесную функцию распределения можно взять в виде

F(E) = (1-0 F„(E, TJ + fG(E) (2 1),

где Fg(E, TJ - максвелловская функция с температурой Г., описывающая основную часть свободных электронов, a G(E) - функция, описывающая горячую электронную компоненту Параметр f « 1 в (2 1) определяет относительное количество горячих электронов Для качественного исследования влияния горячих электронов на эмиссионные спектры плазмы в качестве функции G(E) можно взять какую-либо простую пробную функцию, например, максвелловсхую, с температурой Т,м >> Т,, или гауссову, со средней энергией Ео » Т, и шириной Г, или 5-функцию с энергией Ео » Т, Численные результаты, естественно, будут зависеть от вида взятой функции, но основные закономерности влияния горячей компоненты на рентгеновские спектры не слишком чувствительны к виду пробной функции

При f « 1 горячая электронная компонента может заметно увеличить скорости возбуждения переходов с большими ЛЕ» 7, (возбуждение из основного состояния, ионизация) Если в наблюдаемом спектре все спектральные линии обладают примерно равными энергиями возбуждения, то горячие электроны почти одинаково увеличат интенсивности всех наблюдаемых линий, а относительная структура спектра, которая собственно в большинстве случаев и является наблюдаемой величиной, останется почти неизменной Отсюда следует, что для рентгеноспектральной диагностики горячих электронов желательно выбрать такой спектр, в котором в достаточно узком спектральном диапазоне, опредепяемом обзорностью спектрографа, содержатся спектральные линии с заметно различающимися энергиями возбуждения Очень важным примером такого типа спектра являются резонансные линии Не-подобных ионов и их диэлектронные сателлиты, излучающиеся при радиационном распаде автоионизационных уровней ионов меньшей кратности В этом случае энергия возбуждения резонансной линии и части диэлектронных сателлитов, возбуждаемых из основного состояния соответствующего иона, составляет порядка 3Ry2?/4, в то время, как энергия возбуждения другой части сателлитов, заселяемых, главным за счет диэле«тройного захвата, заметно меньше и составляет порядка RyZ*/2 Именно такие спектры являются наиболее чувствительными к наличию горячих электронов и могут быть использованы для их обнаружения В данной Главе проведены расчеты влияния горячих электронов на спектры диэлектронных сателлитов, и их результаты сопоставлены с результатами наблюдения в плазме твердотельных мишеней (раздел 2 1) и в кластерной плазме (раздел 2 2)

В разделе 2.1 исследовано влияние горячих электронов на диэлектронные

сателлиты резонансной линии Не-подобного иона А1 XII с целью описания спектров, наблюдаемых в плазме Х-пинча Показано, что горячие электроны сильно влияют на относительную структуру сателпитных линий, излучаемых Ь-, Ве-, В- и С-подобными ионами, и учет горячих электронов позволяет очень хорошо описать экспериментальные результаты На рис 3, например, приведены сателпитные структуры, обусловленные переходами в В- и С-подобных ионах алюминия, рассчитанные с учетом и без учета фракции горячих электронов, а на рис 4 показан результат моделирования эмиссионного спектра Х-пинча Чувствительность эмиссионных спектров к количеству горячих электронов может быть использована

Рис 3 Сателлитные структуры В-

подобных (а) и С-подобных (б) ионов, рассчитанные с учетом {(= 1<П и без учета (/=0) горячих электронов На рис (а) Т. = 40 эВ, на рис (б) Т. = 30 эВ

Рис. 4. Сопоставление модельного спектра (Ь) с результатами наблюдения (а) [15*] на установке ХР Корнельского университета (США)

Наиболее отчетливо присутствие горячих электронов сказывается на интенсивностях сателпитных структур в К-спектрах многозарядных ионов, к которым относятся сателлиты к резонансным линиям Не-подобных ионов В меньшей степени горячие электроны должны влиять на спектры, обусловленные переходами оптического электрона в (.-оболочку, поскольку в данном случае разница в энергиях возбуждения различных уровней будет меньше Тем не менее, такое влияние также

может иметь место, что было нами показано в работах [44*,48*,52*] на примере спектров медной плазмы, создаваемой лазерным импульсом длительности 60 фс

В разделе 2 2 рассмотрена роль горячих электронов в формировании иэпучательных рентгеновских спектров плазмы кластерных мишеней Здесь описана предложенная нами физическая модель формирования эмиссионного спектра плазмы в режиме, когда длительность лазерного предимпульса сопоставима со временем жизни нагретого кластера [23*-25*,41*-43*], и показано, что сопоставление наблюдаемых рентгеновских спектров с результатами детальных расчетов ионной кинетики, примеры которого представлены на рис 5, дает возможность определить основные параметры создаваемой плазмы, включая концентрацию горячих

электронов, и исследовать их зависимости от величины лазерного контраста, длительности импульса и размера кластеров Сопоставление результатов моделирования с экспериментом, проведенное в разделе 2 2 для кластеров различной величины при различных длительностях и контрастах лазерного импульса, показывает, что во всех исследовавшихся ситуациях изменение параметров лазерно-кластерного

взаимодействия приводит к

прогнозируемому из наглядных физических соображений изменению значений свободных параметров, входящих в предложенную модель Это означает, что модель нагрева кластеров сверхкороткими импульсами является действительно физической моделью, а используемые подгоночные параметры имеют смысл средних значений параметров плазмы в соответствующих пространственно- временных областях

В Главе 3 рассмотрено влияние быстрых ионов на профили излучаемых рентгеновских спектральных линий Показано, что адекватное теоретическое описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой короткими (пико- и

»-(А)

»■(А)

Рис 5. Примеры моделирования спектров плазмы кластеров Аг в области линии Не„ Аг XVII для давлений газа в сопле 100 атм (верхний спектр) и 30 атм (нижний спектр)

фемтосекуцдными) лазерными импульсами, требует учета наличия в такой плазме быстрых ионов и рассмотрена диагностика быстрых ионов методом рентгеновской спектроскопии

Явление генерации быстрых ионов, понимание которого является важным и весьма актуальным не только для дальнейшего развития представлений о фундаментальных физических процессах, происходящих в высокотемпературной плазме, но и для решения ряда важных прикладных задач, таких как создание инжекторов многозарядных ионов для тяжелоионных ускорителей или лазерный термоядерный синтез, где наличие быстрых частиц может играть как отрицательную роль (предварительный прогрев сферической мишени и ухудшение ее сжатия), так и положительную (зажигание термоядерной реакции быстрыми ионами)

До сих пор основная часть экспериментальной информации относительно создания быстрой ионной компоненты в лазерной плазме была получена с помощью методов масс-слектрометрии Такие методы основаны на прямом наблюдении ионов на больших расстояниях от плазмы детекторами заряженных частиц (пленочные детекторы, детектор Фарадея) В этом случае, результаты сильно зависят от процессов рекомбинации, которые происходят в течение разлета плазмы на большие расстояния Таким образом, эти методы вполне подходят, чтобы исследовать лазерную плазму как возможный источник быстрых многозарядных ионов для некоторых практических приложений, но имеют серьезные ограничения с точки зрения изучения механизмов генерации быстрых ионов внутри лазерной плазмы

Для этой цели более подходящими являются косвенные спектроскопические методы, основанные на наблюдение фотонов, испускаемых быстрыми ионами, а не непосредственно быстрых ионов В отличие от случая генерации горячих электронов, которые, как показано в Главе 2, меняют кинетику возбуждения рентгеновских спектральных линий, возникновение в плазме быстрых ионов благодаря эффекту Доплера сказывается, главным образом, на форме контуров излучаемых спектральных линий Проявление этого эффекта на эмиссионных спектрах зависит от симметрии экспериментальных условий и направления наблюдения

В случае лазерной плазмы плоских твердотельных мишеней (раздел 3.1) генерация быстрых ионов может приводить к излучению линий с резко асимметричными спектральными профилями, которые могут использоваться для измерений скорости разлета короткоживущей плазмы В данном разделе рассмотрены результаты использования рентгеноспектральных методик обнаружения быстрых ионов в плазме, создаваемой лазерными импульсами различной длины волны и интенсивности [19*.20",22',29",33*,34*,52*] Полученные результаты показывают, что известный параметр дА«*2 (ч - плотность лазерного

потока, и Х4п - лазерная длина волны) важен для процессов образования быстрых ионов, но не определяет эти процессы полностью Также показано, что, используя лазерное излучение с длиной волны 1 мкм можно генерировать многозарядные ионы с кинетической энергией мэвного диапазона (так называемые мэвные ионы) даже для умеренных значений лазерной плотности потока порядка 1013 Вт/см2 при наносекундной длительности нагревающего импульса

Применение рентгеноспектральных методов позволило установить, что количество генерируемых быстрых частиц в лазерной плазме зависит от светосилы объектива, используемого для фокусировки лазерного импульса, или, точнее, отношение диаметра лазерного пучка О*, к фокусному расстоянию Р объектива Как показали рентгеноспектральные наблюдения, при прочих равных условиях, число быстрых ионов растет при увеличении параметра 0|«уР Теоретическое рассмотрение, проведенное С Ю Гуськовым и Н Н Демченко, позволило объяснить обнаруженный эффект и показать, что он связан с резонансным поглощением части лазерного излучения, падающего на мишень не по нормали к поверхности

При укорочении лазерного импульса до пико- и фемтосекундных длительностей условия генерации быстрых частиц ухудшаются, и заметные количества быстрых ионов наблюдаются только при существенно более высоких значениях параметра ЧыЪт2 в сравнении с наносекундными импульсами Рентгеноспектральные исследования, проведенные в настоящей работе, показали, что при использовании для нагрева плазмы фемто- и пикосекундных лазерных импульсов низкого контраста эффект самофокусировки лазерного излучения в кластерной среде или в п ре плазме может существенно способствовать генерации быстрых частиц Ионы высоких энергий ~ 1 МэВ в этом случае могут наблюдаться при сравнительно низких значениях лазерного потока Ць* - 101в - 1017 Вт/см2

В случае плазмы кластерных мишеней (раздел 3.2) проявление генерации быстрых ионов на профилях излучаемых спектральных линий будет зависеть от значения оптической толщины плазмы на свободно-связанных и свободно-свободных переходов При существенной оптической толщине в этом случае также может возникать асимметрия наблюдаемых профилей рентгеновских спектральных линий (см рис в) В данном разделе рентгеноспектральные методики использованы для обнаружения быстрых ионов в кластерной плазме [16*, 18*] Показано, что при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов пиковой интенсивности 101> Вт/см2 с газовыми мишенями, содержащими С02 и Аг кластеры, в плазме образуется значительная доля ионов (Ю^-КГ5) с энергией свыше 100 кэв Предложена простая модель, объясняющая асимметрию линии ионов кислорода, зарегистрированную в данных экспериментах Основными предположениями этой модели являются уширение линий за счет макроскопического движения (разлета) плазмы, и сильное поглощение линий ионов кислорода вследствие фотоионизации

§007 а! 0.08 ¿006 Í ом s ооэ S 002 | 001 i 0

OVI1 1

1 / IHp-la1

i liSp-lí 1

TJ J

А/ »¿Г к-

171

17.3 17 5 17 7 Длина волны (А)

179

■ ooe

15Д

15.9 16

Длина волны (А)

(«)

присутствующих в СОг плазме Н- и Неподобных ионов углерода Впервые обнаружен эффект влияния фотоиониэационного поглощения на форму контуров спектральных линий в плазме сложного химического состава Зарегистрированные особенности эмиссионных рентгеновских спектров однозначно указывают на присутствие в кластерной плазме достаточно большого относительного количества ионов (4-1)х103 с энергиями 0 1-1 МэВ Сравнение возможных механизмов ускорения ионов до высоких энергий, проведенное Н Е Андреевым, показывает, что полученные результаты могут быть объяснены действием пондеро-моторных сил в стоячих волнах, образовавшихся в результате отражения лазерного излучения от кластеров

Рис в Сопоставление модельного спектра (толстые линии) с результатами эксперимента для линий Не-подоб-ного иона О VII (а) и для линии Lyt Н-подобного иона О VIII (б)

В Главе 4 рассмотрено изменение излучательного рентгеновского спектра плазмы под воздействием осциллирующих электромагнитных полей

Рентгеновские спектры излучения высокотемпературной плазмы формируются главным образом за счет протекающих в ней атомных процессов, таких как электрон-ионные столкновения и радиационный или автоионизационные распады ионных уровней Наличие в плазме медленно меняющихся (квазистатических) электрических и магнитных полей также сказывается на излучательных характеристиках плазмы, приводя, главным образом за счет эффектов Зеемана и Штарка, к изменению контуров излучаемых спектральных линий

Помимо этого в плазме могут существовать достаточно сильные осциллирующие электромагнитные поля, обусловленные как внешними воздействиями на плазму, так и возникновением сильных плазменных неустойчивостей и соответствующих им плазменных колебаний Например,

особенности плазмы, создаваемой мощными сверхкороткими лазерными импульсами, связаны с наличием сильной анизотропии в распределении электронов по скоростям Следствием этой анизотропии является возникновение сильных электромагнитных колебаний, обусловленных развитием вейбелевской неустойчивости Это ведет к генерации сильных квазистационарных магнитных полей, с напряженностью, зависящей от интенсивности лазерного излучения В свою очередь, существование магнитного поля может вести к генерации колебаний Бернштейновского типа Другой пример - высокочастотные электронные Ленгмюровские колебания Дополнительные механизмы могут быть важны в экспериментах с кластерами В этих случаях из-за конечного размера мишени сильные колебания могут развиваться также на частотах <ир = Заъ>

Характерным спектроскопическим проявлением присутствия в плазме осциллирующего на частоте а> электрического поля является возникновение дополнительных спектральных линий (сателлитов) с частотами т, = ш, ± 1ш, где аь -частота атомного перехода, и / = 1, 3, 5 , если атомный переход запрещен по четности, и / = 2, 4, 6 для разрешенного по четности перехода В зависимости от того, является ли осциллирующее поле внешним лазерным полем или плазменными колебаниями, такие сателлиты называются лазерными или плазменными Если частота атомного перехода пежит в рентгеновской области спектра, возникающие сателлиты, как правило, не будут представлять изолированные линии, а будут формировать спектральный профиль наблюдаемых рентгеновских переходов

В данной главе показано, что рентгеновские лазерные (раздел 4 1) и плазменные (раздел 4 2) сателлиты действительно наблюдаются в эмиссионных спектрах короткоживущей лазерной плазмы и могут быть использованы для её диагностики [14\28,29,47*,50*,54*,56*]

В разделе 41 рассмотрено влияние лазерного поля на эмиссионные характеристики ионов В 1973 г А В Виноградов и ЕА Юков [30] обратили внимание на то, что при помещении многозарядного иона в сильное лазерное поле в его излучательном рентгеновском спектре должны появляться новые спектральные линии, обусловленные двумя нелинейными оптическими процессами антистоксовым комбинационным рассеянием лазерного излучения и вынужденным двухфотонным излучением

Несмотря на то, что лазерные сателлиты были предсказаны более 30 лет назад, до 1996 года они не наблюдались Это связано с тем, что для их экспериментального обнаружения необходимо 1) использовать интенсивный лазерный импульс с плотностью потока г 10™ Вт/смг, 2) использовать рентгеновский спектрограф с очень хорошим спектральным разрешением Х/ДХ 2 5000 и 3) иметь возможность регистрации спектра излучения плазмы только в момент действия лазерного импульса Удовлетворить этим условиям в одном эксперименте весьма

непросто Например, довольно легко обеспечить высокие плотности потока лазерного излучения ц > 1017 Вт/см2 при субпикосекундной длительности лазерного импульса, но в этом случае очень сложно (даже сейчас) реализовать субпикосекундное временное разрешение рентгеновского спектрографа В противоположном случае достаточно длинного лазерного импульса регистрация лазерных сателлитов возможна даже без временного разрешения (оно фактически может быть заменено хорошим пространственным разрешением, поскольку в этом случае за время действия лазерного импульса плазма успевает выйти из области наблюдения), но требует использования достаточно уникальных лазерных установок

В работе [29] нами было предложено для наблюдения лазерных сателлитов использовать лазерную установку уникальной для того времени мощности "Уапиз" (Ливерморовская Национальной Лаборатории, США), позволяющую реализовать плотность потока лазерного излучения * 1017 Вт/см2 при длительности импульса » 120 пс Для регистрации спектров излучения титановой плазмы были применены рентгеновские спектрометры со сферически изогнутыми кристаллами слюды, позволяющие наблюдать эмиссионные спектры плазмы в диапазонах 2 6 - 2 64 А и 21 - 2 3 А со спектральным разрешением Х/8Х- 10000 и пространственным разрешением ~ 20 мкм В указанные спектральные диапазоны должны были попасть лазерные сателлиты к переходам 1в2р - 1з2 и 1зЗр - 1а2 в Не-подобном ионе Т| XXI Такие линии были идентифицированы в наблюдаемом спектре, что позволило, в частности, провести прецизионные измерения энергии метастабильных состояний 1в2з 1вЗв 1Эо и 1зЗс11С>2 иона Т) XXI

В работе [14*] нам удалось идентифицировать лазерные сателлиты к линиям ионов магния и алюминия в субпикосекундной лазерной плазме благодаря использованию рентгеновского спектрометра с пикосекундным временным разрешением

Поскольку образование лазерных сателлитов меняет вероятность радиационного распада соответствующего возбужденного уровня (как правило, метастабильного), то этот процесс может существенно сказываться на заселенности этого и сильно связанных с ним ионных уровней Мы исследовали влияние индуцированных процессов на населенности низковозбужденных уровней Неподобного иона Т| XXI [28] Было показано, что лазерно-индуцированные переходы могут существенно менять интенсивности спонтанных переходов с уровней, которые подзаселяются за счет сголкновительных переходов с метастабильных состояний Например, этот эффект может сказываться на отношении интенсивностей интеркомбинационной и резонансной линий Не-подобного "П XXI (см рис 7), его также следует учитывать, при расчетах коэффициентов усиления рентгеновских

лазеров, работающих по схемам со столкновительным возбуждением (лазеры на Ne-лодобных ионах)

Рис. 7. Зависимость от плотности плазмы N, отношения интенсивностей 1Д, интвр-

комбинационной и резонансной линий He-подобного Ti XXI, рассчитанного с учетом (сплошная линия, =10 Вт/см2) и без учета (штриховая линия) лаэерно-индуцированных переходов

Помимо сильных осциллирующих электромагнитных полей, обусловленных внешним воздействием на плазму (лазерное или СВЧ излучения, используемые для нагрева плазмы) в плазме могут возникать сильные плазменные неустойчивости и соответствующие им плазменные колебания, влияние которых на профили рентгеновских спектральных линий рассмотрено в разделе 4 2

Регистрация спектроскопических эффектов, обусловленных плазменными колебаниями, представляет безусловный интерес, во-первых, как независимый метод подтверждения возникновения указанных колебаний, а, во-вторых, как способ измерения их параметров (амплитуды частоты, поляризации) В настоящей работе впервые сложная немонотонная структура спектральных профилей резонансных линий Н-лодобных ионов F IX и О VIII, наблюдавшаяся при взаимодействии пикосекундных лазерных импульсов с твердотельной мишенью и фемтосекундных импульсов с кластерной средой, интерпретирована как возникновение плазменных сателлитов, обусловленных сильными плазменными колебаниями с частотой, заметно меньшей частоты нагревающего лазерного излучения В предположении, что частота колебаний определяется величиной напряженности магнитного поля В, генерируемого в плазме, получена оценка для величины В, которая находится в разумном согласии с результатами других измерений

Показано также, что в кластерной плазме плазменные сателлиты могут наблюдаться на фоне асимметричных профилей линий, связанных с рассмотренной в Главе 3 генерацией быстрых ионов и эффектами самопоглощения при свободно-связанных переходах в многокомпонентной плазме Лишь совместный учет действия осциллирующих электрических полей, генерации быстрых ионов и эффектов поглощения излучения в многокомпонентной плазме позволил качественно объяснить форму спектральной линии 1_у„ Н-подобного иона ОХ/Ш, излучаемой кластерной плазмой, нагреваемой фемтосекундным лазерным импульсом

В Главе 5 ренттенослектральные диагностические методы использованы для исследования сверхплотной плазмы, получаемой при взаимодействии коротких лазерных импульсов с твердыми, кластерными и прозрачными аэрогельными мишенями, а также образующейся в горячих точках Х-пинча

В последние годы особую актуальность приобрели исследования по созданию плазмы сверхвысокой плотности Такой плазменный объект, с одной стороны, позволяет изучать фундаментальные свойства вещества в экстремальных условиях, а, с другой стороны, дает новые подходы для решения ряда прикладных задач, таких как инициирование реакции ядерного синтеза, ускорение электронов и тяжелых ионов, создание источников рентгеновского излучения высокой яркости для медико-биологических целей и рентгенолитографии

Под плазмой сверхвысокой плотности обычно понимают плазму с плотностью, превышающей критическую плотность лазерного излучения, используемого для ее создания Поскольку наиболее мощные лазеры, традиционно используемые в задачах инерциального термоядерного синтеза, имеют длину волны ~ 1 мкм, которой соответствует критическая плотность электронов /V, - 1021 см"3, то часто плазму сМ,> 1021 см-3 и называют сверхплотной Ниже мы будем придерживаться более строгого определения и, например, при использовании для создания плазмы коротковолновых эксимерных лазеров с длиной волны - 0,3 мкм, будем называть сверхплотной плазму с Л/, > 10а см"3

Наиболее естественным путем создания сверхплотной плазмы представлялся нагрев мишеней мощными сверхкороткими лазерными импульсами, когда длительность лазерного импульса меньше скорости разлета плазмы Однако, как показали первые эксперименты с твердотельными мишенями, существует очень важный параметр, определяющий характер взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с веществом, а, именно, контраст лазерного импульса, те отношение мощности лазерного излучения основного импульса к мощности предимпульса К=Р?и^/Ррт>- В частности оказалось, что формирование сверхплотной плазмы возможно только при использовании импульсов очень высокого контраста К-Ю10, когда плотности потока нагревающего излучения в предимпульсе недостаточно для образования преплазмы, и поглощение энергии основного

импульса происходит непосредственно в твердом теле (см , например, [31,17*,32-36]) Впрочем, как было экспериментально показано в работе [31], требования на значение контраста становятся значительно слабее при использовании мишеней, прозрачных для нагревающего лазерного излучения

Особенно важной роль контраста становится при применении пространственно-неоднородных мишеней с характерным размером неоднородностей, лежащем в нанометровом диапазоне Примерами таких мишеней являются кластерные мишени, где размеры кластеров могут меняться от долей нанометра до сотен нанометров, или пористые мишени примерно с такими же параметрами неоднородностей Особенности наноструктурных мишеней в полной мере могут проявиться, если длительность нагревающего лазерного импульса лежит в субликосекундным диапазоне и не превосходит времени газодинамического разлета кластеров, а контраст лазерного импульса достаточно высок, так что образования преплазмы, которая могла бы разрушить саму пространственно-неоднородную структуру мишени, не происходит В этом случае происходит иэохоричесхий нагрев наночастицы и при достаточной мощности излучения образуется плазма твердотельной плотности

В настоящей главе показано, что рентгеновский эмиссионный спектр сверхплотной плазмы обладает рядом особенностей, позволяющих использовать методы ренттеноспектральной диагностики для определения, во-первых, самого факта образования такого плазменного объекта, а, во-вторых, для количественного определения его параметров, и, в первую очередь, его плотности Развитые в настоящей работе методы использованы для диагностики не только короткоживущей лазерной плазмы, но и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-линча

В разделе 51 рассмотрена рентгеноспектральная диагностика плазмы сверххритической плотности Такой объект возникает при нагреве как твердотельных, так и кластерных мишеней субпикосекундными лазерными импульсами умеренно высокого (Ю'-Ю8) контраста При этом в плазме оказываются достаточно заселенными дважды возбужденные состояния ионов даже с малыми скоростями автоионизации и, соответственно, с малыми скоростями диэлектронного захвата, поскольку за счет высокой плотности начинают эффективно работать другие каналы заселения (1) столкновительное перемешивание с сильно автоионизующихся уровней и (2) прямое возбуждение внутреннего электрона многозарядного иона электронным ударом Первый процесс эффективен только в очень плотной плазме, а второй существенен в нестационарных (ионизационно-неравновесных) условиях В субпикосекундной лазерной плазме оба процесса могут быть эффективны Это приводит к тому, что населенности автоионизационных состояний становятся достаточно большими, а, следовательно, становятся весьма

интенсивными и сателлитные спектральные линии, излучающиеся при радиационном распаде этих уровней Ранее [37] мы показали, что некоторые сателлитные структуры Н-подобных ионов чувствительны к плотности плазмы Поскольку при этом такие линии представляют собой переходы между возбужденными уровнями, то эффекты самопоглощения для них, как правило, оказываются несущественными, и они могут быть наиболее удобным диагностическим инструментом, в частности, для измерения плотности сверхплотной плазмы

Используя расчет сателлитных структур, обусловленных радиационным распадом автоионизационных состояний типа 212Г и 2131' иона Si XII, была измерена плотность плазмы, создаваемой на установке «Bnght Source II» (Лос Аламосе, США) при взаимодействии лазерного импульса с длиной волны 308 нм, длительностью 300 фс и энергией 0 25 Дж (плотность потока 4x101а Вт/см2) с плоской кремниевой мишенью Измеренное значение плотности 6x1022 см'3, которое - в 6 раз превышает критическую плотность, показывает, что в данном эксперименте рентгеновская светимость плазмы максимальна в области между критической точкой и поверхностью мишени В частности, это означает, что наличие достаточно интенсивного предимпульса не позволяло в данном случае обеспечить взаимодействие основного лазерного импульса непосредственно с твердым телом

Моделирование сателлитных структур в спектрах ионов аргона позволило провести диагностику кластерной плазмы на фемтосекундной лазерной установке CELIA (Университет Бордо, Франция), где лазерный импульс имел длину волны 800 нм и энергию 15 мДж при длительности до 45 фс, а плотность потока в фокальной плоскости составляла до 1 5x1017 Вт/см2 при контрасте до 105, и исследовать зависимость параметров плазмы от величины лазерного контраста Было показано (см рис 8), что при уменьшении контраста все большая часть лазерной энергии поглощается преплазмой, в результате чего средняя плотность падает, а температура растет Это качественно хорошо согласуется как с простыми физическими представлениями о характере формирования кластерной плазмы, так и с результатами гидродинамического моделирования, полученными, например, в работе [38] Показано, что при значениях контраста - 5x103 рентгеновское излучение формируется в плазме с закритической плотностью Na - 2x1o22 см 3

В разделе 5.2 рассмотрено использование ренттеноспектральной диагностики для измерения параметров плазмы с плотностью, превышающей твердотельное значение

Как мы видели выше (раздел 5 1), при использовании для создания плазмы коротких лазерных импульсов умеренно высокого контраста удается получить плазму с плотностью, превышающей критическое значение Однако, получить в описанных экспериментах плазму твердотельной плотности не удалось, вследствие

того, что значения контраста все-таки были недостаточно велики для обеспечения режима нагрева без образования пре плазмы

В [51*] для повышения эффективного контраста лазерного импульса мы предложили использовать аэрогельные мишени с зернами ЭЮг, прозрачными для нагревающего лазерного излучения Это позволило впервые зарегистрировать наноплазму с плотностью 4 4x1024 см"3 при нагреве аэрогельной мишени

фемтосекундными лазерными

импульсами умеренного контраста Столь плотная плазма образуется вследствие того, что в случае объемного разогрева наночастицы на ранней стадии распада центральная часть наноплазмы сначала сжимается абляционным давлением, и существуют моменты времени, когда некоторые области плазмы будут иметь плотность выше твердотельной Отметим, что ранее в работе [Зв] алюминиевая плазма с электронной плотностью до 1024 см"3, что также несколько превосходит твердотельное значение, наблюдалась при нагреве плоской твердой мишени 150-фс лазерным импульсом гораздо более высокого контраста Ю10 Использование аэрогельной мишени с прозрачными стеклянными зернами позволяет значительно снизить требования на значения контраста лазерного импульса, при которых нагрев будет происходить без образования пре плазмы

В разделе 5.3 развитые в настоящей работе методы рентгеновской спектроскопии использованы для диагностики плазмы горячих точек Х-пинчей с разрешением во времени Показано, сверхплотная плазма с N. > 1023 см"3 возникает в горячих точках Х-пинча, причем стационарная кинетическая модель неприменима для описания эволюции ев ионизационного состояния Моделирование экспериментальных временных зависимостей интенсивностей рентгеновских спектральных линий с помощью нестационарной кинетики хорошо описывает экспериментальные данные (см рис 9), что подтверждает правильность определения параметров плазмы рентгенослектральными методиками

В разделе 5.4 показано, что в эмиссионных спектрах сверхплотной плазмы могут присутствовать спектральные линии многозарядных ионов с пустой К-оболоч-

50 500 5000

Лазерный контраст

Рис 8. Зависимость параметров плотной плазмы от лазерного контраста

кой, т е , так называемых, полых ионов Переходы этого типа в нейтральных объектах (полые атомы) наблюдались в экспериментах по взаимодействию пучков ионов с поверхностью твердого тела и активно изучались в течение последних лет (см, например, [39-44]) Аналогичные структуры для многозарядных ионов впервые были интерпретированы в работе [17*] при анализе спектров, зарегистрированных на субп и косе кундной лазерной установке "TRIDENT (Лос Аламос, США) [33] при потоке (0 5-1)х1019 Вт/см2 и контрасте Ю10-Ю11, и их появление было связано с высокой плотностью исследовавшейся плазмы

Поскольку плазма высокой плотности может быть получена не только при использовании лазерных фемтосекундных импульсов сверхвысокого контраста, но и при применении коротковолновых лазеров, то и в этом случае можно также ожидать присутствия в излучаемом спектре линий полых ионов С целью проверки этой гипотезы были проведены эксперименты на эксимерном ХеС1-лазере HERCULES (Frascati, Италия) при использовании твердотельной магниевой мишени [21*] В эмиссионном спектре были зарегистрированы дополнительные квазинепрерывные структуры, располагающиеся в областях 84-8 65 А, 8 67-8 92Аи8 94 - 9 15А

Проведенный в настоящей работе анализ показал, что обнаруженные квазинепрерывные структуры формируются действительно за счет переходов в полых Li-, Be- и В-подобных ионов магния

В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В настоящей работе впервые 1 Развиты кинетические модели, позволяющие в рамках квазистационарного приближения проводить расчеты релаксационных характеристик многозарядных ионов в классической идеальной плазме, и проведены систематические расчеты для многозарядных ионов с заполненной внешней оболочкой или имеющих один или два электрона во внешней оболочке (H-, He-, Li-, Na- и Ые-подобные ионы)

Время (пс)

Рис 9 Наблюдаемые и рассчитанные временные зависимости отношения интенсивностей 1(Н)/1(Не) линий |_у„ и Нео1 ионов титана

2 Введены и рассчитаны релаксационные характеристики, не зависящие от ионного состава плазмы, и описывающие не только скорости, но и энергетические характеристики процессов, которые могут быть использованы при газодинамическом моделировании плазмы, проведен физический анализ полученных численных результатов, позволивший, например, объяснить обнаруженный численно эффект рекомбинационного охлаждения плазмы

3 Предложены простые и достаточно точные аналитические аппроксимации для кинетических и энергетических характеристик ионов с одним электроном во внешней оболочке

4 Результаты расчетов использованы при интерпретации спектров нестационарной лазерной плазмы и показано, что адекватная интерпретация экспериментальных результатов требует использования кинетических моделей, учитывающих нестационарное ионизационное состояние короткоживущей плазмы Предложены и использованы рентгеноспектральные методы, позволяющие проводить диагностику такой плазмы

5 Изучено влияние высокоэнергетичных электронов на иэпучательные рентгеновские спектры короткоживущей плазмы и показано, что адекватное теоретическое описание эмиссионных спектров плазмы, создаваемой пико- и фемтосекундными лазерными импульсами, а также образующейся в плазме X-пинчей, требует учета наличия в такой плазме горячих электронов

6 Показано, что присутствие горячих электронов сильно сказывается на относительной структуре сателлитов к резонансным линиям многозарядных Неподобных ионов, и их адекватная интерпретация невозможна без учета неравновесности электронной функции распределения, а чувствительность эмиссионных спектров к количеству горячих электронов может быть использована как для их обнаружения, так и оценки их относительного числа

7 Показано, что присутствие горячих электронов сказывается также на спектрах, обусловленных переходами оптического электрона в Ь-оболочку Этот эффект необходимо принимать во внимание при расшифровке и интерпретации сложных эмиссионных спектров лазерной плазмы тяжелых мишеней

8 Построена физическая модель, позволяющая рассчитывать и интерпретировать рентгеновские спектры кластерных мишеней, нагреваемых фемтосекундными лазерными импульсами в режиме Трприь. - тюр**!™ Показано, что сопоставление наблюдаемых спектров с результатами детальных расчетов ионной кинетики, учитывающих наличие горячих электронов, дает возможность определить основные параметры создаваемой плазмы, включая концентрацию горячих электронов, и исследовать их зависимости от величины лазерного контраста, длительности импульса и размера кластеров

9 Показано, что в отличие от случая генерации горячих электронов, которые меняют кинетику возбуждения рентгеновских спектральных линий и, следовательно, приводят к изменению их интенсивностей, возникновение в плазме быстрых ионов благодаря эффекту Доплера сказывается, главным образом, на форме контуров излучаемых рентгеновских спектральных линий Проявление этого эффекта на эмиссионных спектрах зависит от симметрии экспериментальных условий и направления наблюдения В случае лазерной плазмы плоских твердотельных мишеней генерация быстрых ионов может приводить к излучению линий с резко асимметричными спектральными профилями, которые могут использоваться для измерений скорости разлета короткоживущей плазмы

10 Показано, что в случае плазмы кластерных мишеней проявление генерации быстрых ионов на профилях излучаемых спектральных линий будет зависеть от значения оптической толщины плазмы на свободно-связанных и свободно-свободных переходов При существенной оптической толщине в этом случае также может возникать асимметрия наблюдаемых профилей рентгеновских спектральных линий

11 Показано, что чувствительность спектральных профилей к распределению ионов по энергии позволяет использовать рентгеноспектральный метод для диагностики быстрых ионов в самой разнообразной короткоживущей плазме при различных условиях ее создания В частности, в настоящей работе этот метод позволил обнаружить эффект зависимости числа быстрых ионов от угловой ширины лазерного пучка, используемого для создания плазмы, а также увеличение числа быстрых ионов при самофокусировке лазерного импульса низкого контраста а созданной преплазме

12 Показано, что рентгеновские лазерные и плазменные сателлиты, появление которых обусловлено взаимодействием ионов с осциллирующими электромагнитными полями, действительно наблюдаются в эмиссионных спектрах плазмы и могут быть использованы для задачи диагностики плазмы Наблюдение лазерных сателлитов впервые использовано для прецизионных измерений положения метастабильных уровней многоэарядных ионов

13 Показано, что лазерно-индуцированные переходы могут заметно сказываться на кинетике возбуждения обычных спектральных линий за счет уменьшения времени жизни некоторых метастабильных состояний Этот эффект следует учитывать, например, при расчетах коэффициентов усиления рентгеновских лазеров, работающих по схемам со столкновительным возбуждением (лазеры на Ые-подобных ионах)

14 Показано, что рентгеновский эмиссионный спектр сверхплотной плазмы обладает рядом особенностей, позволяющих использовать методы

рентгеноспектральной диагностики для определения, во-первых, самого факта образования такого плазменного объекта, а, во-вторых, для количественного определения его параметров, и, в первую очередь, его плотности Развитые в настоящей работе методы были впервые использованы для диагностики не только короткоживущей лазерной плазмы, но и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-линча

15 Показано, что при взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов умеренно высокого (до 10*) контраста с твердотельными или кластерными мишенями возможно получение плазмы с плотностью, превышающей критическую, но заметно меньшей твердотельного значения В частности, это означает, что наличие достаточно интенсивного лазерного предимпульса не позволяет в данном случае обеспечить взаимодействие основного лазерного импульса непосредственно с твердым телом

16 Предложенное в настоящей работе использование аэрогельных мишеней с зернами, прозрачными для нагревающего лазерного излучения, с целью повышения эффективного контраста лазерного импульса, позволило впервые зарегистрировать наноплаэму с плотностью выше твердотельной при нагреве аэрогельной мишени фемтосекундными лазерными импульсами умеренного (до 105) контраста

17 Развитые в настоящей работе методы рентгеновской спектроскопии использованы для диагностики плазмы горячих точек Х-пинчей с разрешением во времени Показано, сверхплотная плазма сИ,» 102Э см"3 возникает в горячих точках Х-пинча, причем стационарная кинетическая модель неприменима для описания эволюции ей ионизационного состояния Моделирование экспериментальных временных зависимостей интенсивностей рентгеновских спектральных линий с помощью нестационарной кинетики хорошо описывает экспериментальные данные, что подтверждает правильность определения параметров плазмы рентгеноспектральными методиками

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах*

1* Скобелев ИЮ, Хахалин С Я Диэлектронные сателлиты резонансной линии Н-подобных ионов в плотной плазме с нестационарным ионизационным состоянием // Оптика и спектроскопия, т 59, вып 1, с 22 (1985)

2* Акимов А Е, Баранов В Ю, Борзвнко В Л, Козочкин С М, Макаров К М, Малюта ЦД, Сатое ЮА, Скобелев ИЮ, Соболев С С, Стрельцов АП Фавнов А Я Исследование надкритической области в плазме, нагреваемой СОг лазерным излучением с помощью рентгеновской спектроскопии много зарядных ионов // Письма в ЖЭТФ, т 42 (3), с 87-89 (1985)

3* Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Пикуз С А , Болланти С, ди Лаззаро П, Флора Ф, Лвтарди Т, Палладию Л, Реале А, Скафати А , Гоили А , Батани Д, Маури А, Остерхельд А, Гэлдстейн В Особенности нагрева плазмы коротковолновым излучением экси мерного лазера // Квантовая Электроника. Т 23, №8. С 719-724 (1996)

4* Скобелев И Ю, Хахалин С Я, Яковленко СИ Эффект рекомбинационного охлаждения плазмы // Физика плазмы, т 13, №7, с 872-875 (1987) 5* Баянов В И, Серебряков В А , Скобелев И Ю, Соловьев Н А , Фавнов А Я. Хахалин С Я Рекомбинирующая плазма, создаваемая различными гармониками Nd лазера // Квантовая электроника, т 15 (9), с 1842-1847 (1988)

6* Pikuz S А , Hammer D А , Kalantar D Н, Faenov А , Skobelev I Yu Observation of a Mg XI forbidden satellite line in an optically thick X-pinch plasma // Phys Rev A , v 49, p 3450-3452 (1994)

7* Брюнеткин Б A , Калашников M П, Никпес П В, Скобелев И Ю, Фавнов А Я, Хахалин С Я, Шнюрер М Рентгенослектральная диагностика плазмы, нагреваемой лазерными импульсами пикосекундной длительности // Квантовая электроника, т 20(6), с 619-622 (1993)

8* Faenov А Уа, Skobelev IYu, Pikuz SA, Kyrala GA. Gobble J A, Fulton KD, Abdallah Jjr, Kilcrease D P High resolution X-ray spectroscopy of silicon subpicosecond laser-produced plasma // Phys Rev A , v 51 (5), P 3529-3533 (1995) 9* Брюнеткин Б A , Скобелев И Ю, Фавнов А Я, Калашников М П, Никлес П, Шнюрер М Аномальные интенсивности резонансных линий Ne-лодобных ионов в плазме, создаваемой лазерным импульсом пикосекундной длительности // Письма в ЖЭТФ, т62 (1), с 31-34 (1995)

10* Skobelev I Yu, Faenov А Уа , Dyakin V М, FiedorowKZ Н, Bartnik А , Szczurek М, Beiersdorier Р, Nilsen J. Ostertield A L High-resolution measurements, line identification, and spectral modeling of the Kb spectrum of heliumhke argon emitted by a laser-produced plasma using a gas-puff target // Phys Rev E , v 55, No 3, p 3773 (1997) 11* Магунов А И, Скобелев ИЮ, Фавнов АЯ, Пикуз СА, Романова ВМ, Шелковенко ТА Исследование формирования рентгеновского эмиссионного линейчатого спектра в сверхплотной плазме Х-пинча // ЖЭТФ, т 108 (11), с 1625-1633(1995)

12* Скобелев ИЮ, Фавнов АЯ, Брюнеткин БА, Дякин ВМ, Пикуз ТА, Пикуз С А , Шелковенко ТА , Романова В М, Мингалеев А Р Исследование радиационных свойств плазменных объектов методами рентгеновской изображающей спектроскопии // ЖЭТФ. т 108 (10), с 1263-1308 (1995)

13* Акимов АЕ, Баранов ВЮ, Бойко В А, Борзенко ВЛ, Брюнеткин БА, Козочкин СМ, Макаров КН, Малюта ДМ, Письменный ВД, Сатов ЮА, Скобелев И Ю, Соболев С С, Стрельцов А П, Фавнов А Я Эксперименты по

нагреву плазмы излучением С02-лазера на установке ТИР-1 // Квантовая Электроника, т 10, №8, с 1533 (1983)

14* Пикуз С А, Максимчук А, Умштадтер Д, Нантвл M, Скобелев И Ю, Фавнов АЯ, Остврхвпьд А Наблюдение лазерных сателлитов в плазме, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом // Письма в ЖЭТФ, т 66, с 454 (1997) 15* Пикуз CA, Шелковенко ТА, Романова ВМ, Абдаллах Дж мл, Ксанак Дж, Кларк Р ЕХ, Фавнов А Я, Скобелев И Ю Влияние генерации электронного пучка в плазме Х-пинча на структуру K-спектров многозарядных ионов // ЖЭТФ, т 112 (9), с 894-909 (1997)

16* Добош с , Шмидт M, Пврдрикс M, Мврнадивр П, Гобврт О, Норманд Д, Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Андреев H Е Особенности рентгеновских спектров плазмы, образующейся при нагреве С02 кластеров высокоинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами с X. = 0 8 мкм и X = 0 4 мкм // Письма в ЖЭТФ, т 68, с 454-459 (1998)

17* Урнов A M, Дюбо Ж, Фавнов А Я, Пикуз ТА, Скобелев И Ю, Абдаллах Дж мл, Кларк РЕХ, Кохвн Дж, Джонсон РП, Кирала Г А, Вилке ММ, Остврхвпьд А Л Рентгеновские спектры многозарядных полых ионов излучаемые фемтосекундной лазерной плазмой // Письма в ЖЭТФ, т 67, с 489-494 (1998) 18* Добош С, Шмитд M, Пвдрикс М, Мейнадивр Р, Гоберт О, Норманд Д, Эллврт К, Бленски Т, Фавнов АЯ, Пикуз ТА, Скобелев ИЮ, Магунов АИ, Андреев НЕ Наблюдение ионов с энергией выше 100 КэВ создаваемых при взаимодействии 60-фс лазерного импульса с кластерами // ЖЭТФ, т 115, с 20512066 (1999)

19* Rosmej F В , Hoffmann D H H, Suess S, Geissel M, Faenov A Ya, Pikuz TA , Skobelev I Yu , Magunov A I, Bock R, Funk U N, Neuner U, Udraa S, Tauschwitz A , Tahir N A , Sharkov В Yu, Andreev N E Observation of MeV-ions in long-pulse, large-scale laser produced plasmas // Письма в ЖЭТФ, т 70 (4), с 262-267 (1999) 20* Zhidkov A G , Sasaki А , Tajima Т, Auguste Т, D'OIrveira Р, Hülm S, Monot P, Faenov A Va, Pikuz TA, Skobelev I Yu Direct spectroscopic observation of multiple charged ion acceleration by intense femtosecond pulse laser // Phys Rev E, v 60, p 3273 (1999)

21* Абдаллах Дж мл, Скобелев И Ю, Фавнов АЯ, Магунов АИ, Пикуз ТА, Флора Ф, Болланти С, Ди Лаззаро П, Летарди Т, Бураттини Е, Гоилли А, Реале А, Палладино П, Томассетти Дж, Скафати А, Реале Л Спектры многозарядных полых ионов в плазме создаваемой коротковолновым наносекундным лазером // Квантовая Электроника, т 30, №8, с 694-702 (2000)

22* Макаров К, Нищук СГ, Рерих ВК, Сатов ЮА, Скобелев ИЮ, Смаковский ЮБ, Старостин АН, Степанов АЕ, Пикуз ТА, Фавнов АЯ, Хоменко С В

Исследование ионного состава разлетающейся магниевой плазмы создаваемой СОг-лазером // Письма в ЖЭТФ, т 72 (1), с 7-10 (2000)

23* Аугусте Т, Д'Оливейра П, Хулин С, Моно, П Абдаллах Дж мл, Фавнов А Я, Скобелев ИЮ, Магунов А И, Пикуз ТА О роли предимпульса при нагреве кластеров мощным фемтосекундным лазерным импульсом II Письма в ЖЭТФ, т 72 (2), с 54-59 (2000)

24* Ствнц К, Багно В , Бласко Ф, Рошв Ж Р, Салин Ф, Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА, Скобелев ИЮ Рентгеновские эмиссионные спектры плазмы, создаваемой сверхкороткими лазерными импульсами в кластерных мишенях // Квантовая электроника, т 30, с 721-725 (2000)

25* Болдарев А С, ГасиловВА, Бласко Ф, Стенц К, Дорши Ф, Салин Ф, Фавнов А Я, Пикуз ТА, Магунов А И, Скобелев ИЮ О моделировании кластерных струй как мишеней для взаимодействия с мощным сверхкоротким лазерным излучением // Письма в ЖЭТФ, т 73 (10), с 583 (2001)

26* Гуськов С Ю, Демченко Н И, Макаров К Н, Нищук С Г, Сатов Ю А , Скобелев ИЮ, Сиаковский ЮБ, Пикуз ТА, Фавнов АЯ, Хоменко СВ, Шаркое БЮ Влияние угла падения лазерного излучения на генерацию быстрых ионов // Письма в ЖЭТФ, т 73, №12, с 740-745 (2001)

27* Магунов А И, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Фавнов А Я, Бласко Ф, Дорчвс Ф, Кайлпо Т, Боною К, Стенц К, Салин Ф, Лобова ПА, Литвиненко И А, Попова ВВ, БаОдин ГВ, Абдаллах Дж ил, Джанкел-Buec Г Влияние длительности сверхкороткого лазерного импульса на рентгеновский эмиссионный спектр плазмы, создаваемой в кластерной мишени II Письма в ЖЭТФ, т 74, с 412 (2001) 28* Rosmej F В, Hoffmann DHH, Geisel М, Roth М, Pirzadeh Р, Faenov A Ya, Pikuz ТА, Skobelev I У и, Magunov A I Advanced X-ray diagnostics based on an observation of high-energy Rydberg transitions from autoionizing levels in dense laser-produced plasmas // Phys Rev A , v 63, p 063409 (2001)

29* ZhidkovA G, Sasaki A , Fukumoto I, Tajima T, Augusta T, D'Ohvera P, Hulm S, Monot P, Faenov A Ya, Pikuz ТА, Skobelev I Yu Transient distribution of energetic particles produced by intense femtosecond laser pulses irradiating solids // Physics of Plasma, v 8. No 8, p 3718-3723 (2001)

30* Abdallah J, Jr, Faenov A Ya, Skobelev I Yu, Magunov A I, Pikuz ТА, Augusta T, D'Oliveira P, Hulin S, Monot P Hot electron influence on the X-Ray emission spectra of At clusters heated by a high intensity 60 fs laser pulses II Phys RevA. v63, No3, p 032706 (2001)

31* Junkel-Vives GC, Abdallah J, Jr, Blasco F, Stem C, Salm F, Faenov A Ya, Magunov A I, Pikuz ТА, Skobelev I Yu Observation of H-like ions within Argon Clusters irradiated by 35 fs Laser via High-Resolution X-Ray Spectroscopy // Phys Rev A, v 64, No 8, p 021201 (2001)

32* Monot P, D'Oliveim P, Huhn S , Faenov A Ya, Dobosz S , Auguste Т. Pikuz ТА , Magunov A I, Skobelev I Yu, Rosmej F, Andreev N E, Lefebre E Study of the interaction of a 10 TW femtosecond laser with a high-desnity long scale pulsed gas jet II Physics of Plasmas, v8, No 8, p3766-3775 (2001)

33* Беляев в С, Виноградов В И, Курилов А С, Матафоное А П, Андрианов В П, Игнатьев Г Н, Фавнов А Я, Пикуэ ТА , Скобелев И Ю, Магунов А И, Пикуз С А мл и Шарков БЮ Генерация нейтронов в пикосекундной лазерной плазме при интенсивности излучения 3x1017 Вт/см2 //ЖЭТФ, т 125 (в), с 1295-1301 (2004) 34* Rosmej F В, Stepanov А Е, Hoffmann ОН Н, Faenov A Ya, Suss W, Geissei M, Ptrzadeh P, Seelig W, Skobelev I Yu, Magunov A I, Pikuz TA , Bock R, Letardi T, Flora F, Bollanb S, Di Lazzaro P, Satov YuA, Smakovskn Yu В, Roench V К, Khomenko S V, Makarov KN, Stamsbn A N, Reale A, Scafati A, Auguste T, D'Oftve/ra P, Huhn S, Monot P, Sharkov В Yu The generation of fast particles in plasmas created by laser pulses with different wavelengths // ЖЭТФ, т 121, №1, с 73-87 (2002)

35* Магунов А И, Фавнов А Я, Скобелев И Ю, Пикуз Т А, Бимонт Э, Куине П, Бласко Ф, Бонт X, Дорчес Ф, Каилло Т, Сэлин Ф, Стенц К Наблюдение диэлектронных сателлитов в К-слектре ионов аргона в плазме, создаваемой фемтосекундными лазерными импульсами //ЖЭТФ, т 122, №6, с 1158-1167 (2002) 36* Пикуз С А, Синарс Д Б, Шелковенко Т А, Чандлер К М, Хаммер Д А, Скобелев И Ю и Иваненков Г В Рентгеновская диагностика горячих точек Х-пинча II Письма в ЖЭТФ , т 76, №8, с 571-575 (2002)

37* Pikuz S А , Smars D В, Shelkovenko ТА , Chandler К М, Hammer D А , Skobelev I Yu, Ivanenkov G V, and Stepniewski W High energy density z-pinch plasma conditions with picosecond time resolution // Phys Rev Lett, v 89, p 035003 (2002) 38* Hansen S, Shlyaptseva A S, Faenov A Y, Skobelev I Yu, Magunov A I, Pikuz ТА , Blasco F, Dorchies F, Stenz С, Sahn F, Auguste T, Dobosz S, Monot P,D' Oliveira P, Huhn S, Safronova Ul, Foumeir KB Hot electron influence on L-shell spectra of mulbcharged Кг ions generated in clusters irradiated by femtosecond laser pulses // Phys Rev E, v 66. p 046412 (2002)

39* Junkel-Vives GC, Abdallah J, Jr, Auguste T, D'Oliveira P, Huhn S, Monot P, Dobosz S, Faenov AYa, Magunov AI, Pikuz ТА, Skobelev I Yu, Botdarev AS, Gasilov V A Spatially Resolved X-Ray Spectroscopy Investigations of Femtosecond Laser Irradiated Ar Clusters // Phys Rev E, v 65. p 036410 (2002) 40* Junket-Vives 6 C, Abdallah J, Jr, Blasco F, Dorchies F, Caillaud T, Bonte С, Stenz С, Salin F, Faenov A Ya, Magunov А I, Pikuz TA , Skobelev I Yu Evidence of Supercritical Density in 45 fs lasernrradiated Ar Clusters plasmas II Phys Rev A, v 66, p 033204 (2002)

41* Скобелев И Ю, Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА , Бондарев АС, Гвсилов В А, Абдаллах Дж ил, Джанкел-Вивс Г, Аугуств Т, Д'Оливейра П, Хулин С, Моно П, Бласко Ф, Дорчес Ф, Каилло Т, Бонте К, Ствнц К, Салин Ф, Шарков БЮ О взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с кластерными мишенями // ЖЭТФ, т 121, №1, с 88-101 (2002)

42* Беляев В С, Виноградов В И, Курилов А С, Матафонов А П, Крайнее В П, Лисица В С, Фавнов А Я, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Магунов А И, Пикуз САил, Андрианов В П, Игнатьев Г Н, Кожунов Ю И, Козлов ОБ и Чекмарев А М Эффективная температура и направленное движение быстрых ионов в пикосекундной лазерной плазме // Письма в ЖЭТФ, т 81 (12), с 753-757 (2005) 43* Скобелев И Ю, Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА , Бондарев А С, Гвсилов В А , Абдаллах Дж ил, Джанкел-Вивс Г, Огуст Т, Добош С, д'Оливейра П, Юлен

C, Моно П, Бласко Ф, Дорчес Ф, Кайо Т, Бонт К, Стенц К, Салэн Ф, Лобода ПА, Литвиненко И А, Полоба ВВ, Байдин ГВ, Шарков БЮ Рентгенослектральная диагностика плазмы, создаваемой при взаимодействии фемтосекундных лазерных импульсов с кластерной мишенью // ЖЭТФ, т 121, №3, с 1124-1138 (2002)

44* Foumier К, Faenov A Ya, Pikuz ТА , Magunov А I, Skobelev I Yu, Belyaev V S, Vinogradov VI, Kyntov A S, Matafonov A P, Flora F, Bollanti S, Di Lazzaro P, Murra

D, Reale A , Reale L , Tomassetti G, Ritucci A , Francucci M, Martellucci S, Petrocelli G Identification and precise measurements of the wavelengths of high-n transitions in N-, 0-, and F-like Zn ions // Journal of Physics В , v 36, p 3787-3796 (2003)

45* Фукуда Й, Яиакава К, Акаханв, Й, Аояиа М, Иноуе Н, Увда X, Абдаллах Дж ил, Ксанак Дж, Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА, Скобелев И Ю, Бондарев А С, Гасилое В А Рентгенослектральные наблюдения образования микрокапельной плазмы под воздействием сверхинтенсивного лазерного излучения // Письма в ЖЭТФ. т 78, №3, с 146-149 (2003)

46* Abdallah J, Jr, Csanak G, Fukuda Y, Akahane Y, Aoyama M, Inoue N, Ueda H, Yamakawa К, Faenov A Ya, Magunov A I, Pikuz ТА , Skobelev / Yu Time Dependent Boltzmann-Kinebc Model of the X-rays Produced by the ultrashort Pulse Laser Irradiation of Argon Clusters // Phys Rev A , v 68, p 063201 (2003)

47* Беляев В С, Виноградов В И, Курилов А С, Матафонов А П, Лисица В С, Гввриленко В П, Фавнов А Я, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Магунов А И, Пикуз С А ил Рентгеновские плазменные сателлиты ионов в плазме твердых мишеней, создаваемой пикосекундными лазерными импульсами // Письма в ЖЭТФ, т78, с 1216 (2003)

48* Foumier К, Faenov A Ya, Pikuz ТА , Skobelev I Yu, Belyaev V S, Vinogradov VI, Kyntov A S, Matafonov A P, ВеИиса I, Martellua S G, Petrocelli S, Auguste T, Hulm

S, Monot P, D'Oliveira P Influence of optical thickness and hot electrons on Rydberg spectra of Ne-like and F-like copper ions II Phys Rev E , v 67, p 016402 (2003) 49* Беляев В С, Виноградов В И, Курилов А С, Магунов А И, Матафонов А П, Пикуз ТА, Скобелев И Ю, Фаеноа А Я О роли предимпульса при нагреве твердых мишеней пикосекундными лазерными импульсами // ЖЭТФ, т 123, с 1019-1026

(2003)

50* Беляев В С, Виноградов В И, Курилов А С, Матафонов А П, Лисица В С, Гавриленко В П, Фавнов А Я, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Магунов А И, Пикуз С А мл Плазменные сателлиты рентгеновских линий ионов в пикосекундной лазерной плазме // ЖЭТФ, т 126, Ne4, с 819-832 (2004)

51* Фавнов А Я, Пикуз ТА , Скобелев И Ю, Магунов А И, Ефремов В П, Сервол М, Куере Ф, Воже М, Моно П, Мартин П, Франкуччи М, Петрочелли Г, Одеберт П Рентгеноспектральные наблюдения сверхплотной плазмы в наночастицах, облучаемых сверхинтенсивным фемтосекундным лазерным излучением // Письма в ЖЭТФ, т 80, с 730-733 (2004)

52* Foumier К, Faenov A Ya , Pikuz ТА , Magunov А I, Skobelev I Yu, Flora F, Bollanti S, Di Lazzaro P, Murra D, Belyaev V S, Vinogradov VI, Kynlov A S , Matafonov A P, Francucci M, Martelluci S, Petrocelli G Analisys of a high-n dielectronic Rydberg satellites in spectra of Na-like Zn XX and Mg-like Zn XXI // Phys Rev E , v 70, p 016406

(2004)

53* Hansen S , Foumier К В , Faenov A Ya , Magunov A I, Pikuz ТА , Skobelev I Yu, Fukuda Y, Akahane Y, Aoyama M, Inoue N, Ueda H, Yamakawa К Measurement of 21-пГ X-ray transitions from Kr clusters irradiated by femtosecond laser pulses // Phys Rev E, v 71, p 016408 (2005)

54* Gavnlenko V P, Faenov A Ya , Magunov A I, Skobelev I Yu , Pikuz ТА , Kim К Y, Milchberg H M Observation of modulations in Lyman-alfa profiles of multicharged ions in clusters irradiated by fs laser pulses Effect of a dynamic electric field // Phys Rev A , v 73, p 013203 (2006)

55* Kim KY, Milchberg H, Faenov A Ya , Magunov A I, Pikuz ТА , Skobelev I Yu X-Ray spectroscopy of ~ 1 cm channels produced by self-focusing pulse propagation in elongated cluster jets // Phys Rev E , v 73, p 066403 (2006)

56* Gavnlenko V P, Belyaev V S, Kunlov A S, Matafonov A P, Vinogradov VI, Usitsa V S, Faenov A Ya , Pikuz ТА , Skobelev I Yu, Magunov A I, Pikuz S A, Jr X-Ray line plasma satellites of ions in a dense plasma produced by a picosecond laser pulses // Journal of Physics A , v 39, p 4353-4358 (2006)

57* Фавнов А Я, Магунов А И, Пикуз ТА, Скобелев ИЮ, Стажира С, Калвгари Ф, Нисоли М, де Сильвестри С, Полетто Л, Виллорвси П, Андреев А А Генерация быстрых ионов в фемто- и пикосекундной лазерной плазме при низких

интенсивностях нагревающего излучения // Письма в ЖЭТФ, т 84 № в, с 369-374 (2006)

Цитируемая литература.

1 Edlen В Atomic Spectra Handbuch derPhysik, 1964 Bd 27, Berlin

2 Бвйгиан ИЛ Интерпретация рентгеновских спектров Солнца II Итоги науки и техники, Астрономия -М ВИНИТИ, 1974, с 51

3 Житник И А Аппаратура для исследования рентгеновского излучения Солнца // Итоги науки и техники, Астрономия - М ВИНИТИ, 1974, с 4

4 Fraenkel В S Ргос V Conf On UV and X-ray Spectroscopy of Astrophysics and Laboratory Plasmas, London, July 1977, p 36

5 Schwob J L , Klapish M, Schwertzer, Breton С, Michehs С, Matboly M II Phys Lett, v 62A, p 85 (1977)

6 Аглицкий ЕВ и др // Письма в ЖЭТФ, т 26, с 544 (1977)

7 Bitter М, Goeler S, Horton R, Goldman M, Hill KW, Sauthoff N R, Stmdiek W II Phys Rev Lett, v 42, p 305 (1979)

8 Bretz N, Dincok D, Greenberger A , Hinnov E, Masservey E, Stodieck W, Goeler S Radiation from Plasmas in S7 Tokamak II Prepnnt IAEA-CN-22/A3-1 - Pnnceton, USA, 1974

9 Gabriel A H, Jordan С II Case Studies in Atomic Collision Physics, v 2 p 209 (1972)

10 Пресняков ЛП IIУФН, т 119, с 49-74 (1976)

11 Бойко В А, Виноградов А В. Пикуз С А, Скобелев И Ю, Фавнов А Я Рентгеновская спектроскопия лазерной плазмы // Итоги науки и техники Сер Радиотехника Т 27 - М ВИНИТИ, 1980

12 Boiko V А , AV Vinogradov, SA Pikuz, I Yu Skobelev, A Ya Faenov II J Sov Las Research, v 6, p 85 (1985)

13 Вайнштейн Л А, Собепьман ИИ, Юков ЕА Возбуждение атомов и уширение спектральных линий -М Наука 1979 319с

14 Аглицкий ЕВ, Сафронова У И Спектроскопия автоионизационных состояний атомных систем - Энергоатомиздат, М 1985 159с

15 ChuH-H, Tsai Н -Е, Chou М -С, Yang L-S, Un J-Y, Lee C-H, Wang J andChen S -Y II Phys Rev A , v 71, p 061804 (2005)

16 Butler A, Gonsalves A J, McKenna CM, Spence DJ, Hooker SM, Sebban S, Mocek T, Bettaibi I, Cms В И Phys Rev Lett. v 91. p 205001 (2003)

17 Bulanov SV II Plasma Phys Control Fusion, v 48, p B29-B37 (2006)

18 Mourou G A, Tajima T, Bulanov SV II Rev Mod Phys . v 78, p 309-771 (2006)

19 TOmmler J, Janulewicz KA, Pnebe G, and Nickles PV II Phys Rev E, v72, p 037401 (2005)

20 Keenan R, Dunn J, Patel P К, Pnce D F, Smith R F, and Shlyaptsev VN II Phys Rev Lett, v 94, p 103901 (2005)

21 Séguin F H, DeCianbsJL, FrenjeJA ,UCK, RyggJR, Chen CD, Petrasso RD, Delettrez JA, Regan SP, Smalyuk VA, Glebov VYu, Knauer JP, Marshall F J, Meyerhofer D D, Roberts S, Sangster T С, Stoeckl С, Mikaelian К, Park H S, Robey H F, Tipton RE II Phys Plasmas, v 13, p 082704 (2006)

22 ВгвЬес T and Krausz F II Reviews of Modern Physics, v 72, p 545-591 (2000)

23 Анисимое СИ, Жахоеский SB, Иногамое НА, Нишихара К, Опарин AM, Петров Ю В II Письма в ЖЭТФ.т 77, Вып 11. с 731-736 (2003)

24 Анисимое С И, Петров Ю В II Оптический журнал,т 73, Ne 6, с 5-7 (2006)

25 Анисимое СИ, Жахоеский ВВ, Иногамое НА, Нишихара К, Петров ЮВ, ХохлоеВА IIЖЭТФ, т 130, Вып 8, C212-227 (2006)

26 Гудзенко Л И, Яковленко С И Плазменные лазеры -М Атомиздат, 1978, 256 с

27 Биберман Л M, Воробьев В С, Якубов И Т Кинетика неравновесной низкотемпературной плазмы -М Наука 1982,376 с

28 Osterheld A L , Young BKF, Dunn J, Stewart RE, Skobelev I Yu, Faenov A Ya , MagunovA I И JQSRT, v 58, N4-6, p 827-833 (1997)

29 Skobelev I Yu, Faenov A Ya, Magunov A I, Osterheld A L, Young BKF, Dunn J, Stewart RE II Physica Scnpta, v T73, p 104-105 (1997)

30 Виноградов А В , Юков EAII Квант электроника, №2, с 105 (1973)

31 Zigler А , Burkhalter P G , Nagel D J, Rosen M D, Boyer К, LukTS, McPherson A , and Rhodes CK II Opt Lett, v 16, p 1261 (1991)

32 Faenov A Ya, Magunov A I, Pikuz ТА , Skobelev I Yu, Pikuz S A , Umov A M, Abdallah J, Clark REH, Cohen J, Johnson R P, Kyrala G A , Wilke M D, Maksimchuk A , Umstadter D, Nantel N, Doron R, Behar E, Mandelbaum P, Schwöb J J, Dubau J, Rosmej F В , Osterheld A L И Physica Scnpta, v T80, p 536-538 (1999)

33 Faenov A Ya, Abdallah J , Jr, Clark REH, Cohen J, Johnson RP, Kyrala G A, Magunov A I, Pikuz TA , Skobelev I Yu, Wilke MD II Proceedings of SPIE-97, v 3157, p 10 (1997)

34 Maksimchuk A, Nantel M, Ma G, Gu S, Cote CY, Umstadter D, Pikuz SA, Skobelev I Yu , Faenov A Ya II JQSRT, v 65, No 1-3, p 367-385 (2000)

35 Rosmej F В, Funk U N, Geissel M, Hofmann DHH, Tausehwitz A , Faenov A Ya, Pikuz TA, Skobelev I Yu, Flora F, Bollanb S, Di Lazzaro P, Letardi T, Gnlli A, Palladmo L , Reale A , Scafab A , Reale L , Auguste T, D'Oliveira P, Huhn S, Monot P, Maksimchuk A , Pikuz S A , Umstadter D, Nanatel M, Bock R, Domik M, Stetter M, Stoewe S, Yakushev V, Kulish M, Shilkin N II JQSRT, v 65. p 477-499 (2000)

36 Saemann A, Eidmann К, Golovkin IE, et al И Phys Rev Lett, v 82,4843 (1999)

37 Виноградов А В, Скобелев ИЮ II Письма в ЖЭТФ, т 27, с 97 (1978)

38 Milchberg H M, Mcnaught S J, Pana E II Phys Rev Б , v 64, p 056402 (2001)

39 McPherson A, Thompson BD, BonsovAB, BoywK, Rhodes CK. //Nature v370, p631 (1994)

40 Bnand J-P, de Brify L, Chartes P, Essabaa S, BnandP, GeHer R, DesclauxJ-P, Bliman S, Riston C II Phys Rev Lett v 65. p 159 (1990)

41 Gauthier J-C, Geindra J-P. Audebert P, Rousse A, Dos Santos A, Grillon G, Antonetb, Manant RC II Phys Rev E , v 52, p 2963 (1995)

42 Bnand J -P, Giardino G, Borsoni G, Froment M, Eddnef M, Sebenne C, Bardm S, Schneider D. Jin J, Khemliche H. XieZ.Pnor M II Phys Rev A . v 54. p 4136 (1996)

43 Ninormya S, Yamazaki Y, Koïke F, Masuda H, Azuma T, Komaki K, Kuroki K, Seloguchi M II Phys Rev Lett. v 78, p 4557 (1997)

44 Bnand J -P, Schneider D, Bardm S, Khemliche H, Jm J, Xie Z, Pnor M II Phys Rev A , v 55, p 3947 (1997)

СКОБЕЛЕВ Игорь Юрьевич

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РЕНТГЕНОСПЕКТРАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ КОРОТКОЖИВУЩЕЙ ПЛОТНОЙ ПЛАЗМЫ

Автореферат

Подписано в печать 30 05 07 Печать офсетная Тираж 150 экз

Уч-издл 2,38 Заказ N 72

Формат 60x84/16 Усл-лечл 2,17 Бесплатно

ОИВТ РАН 125412, Москва, Ижорская ул . 13/19

Выводы к Главе 5.

В настоящей главе показано, что рентгеновский эмиссионный спектр сверхплотной плазмы обладает рядом особенностей, позволяющих использовать методы рентгеноспектральной диагностики для определения, во-первых, самого факта образования такого плазменного объекта, а, во-вторых, для количественного определения его параметров, и, в первую очередь, его плотности. Развитые в настоящей работе методы использованы для диагностики не только короткоживущей лазерной плазмы, но и плазмы, образующейся при быстрых электрических разрядах в геометрии Х-пинча.

Показано, что при взаимодействии сверхкоротких лазерных импульсов умеренно высокого (до 105) контраста с твердотельными или кластерными мишенями возможно получение плазмы с плотностью, превышающей критическую, но заметно меньшей твердотельного значения. В частности, это

294 означает, что наличие достаточно интенсивного лазерного предимпульса не позволяет в данном случае обеспечить взаимодействие основного лазерного импульса непосредственно с твердым телом.

Предложенное в настоящей работе использование аэрогельных мишеней с зернами, прозрачными для нагревающего лазерного излучения, с целью повышения эффективного контраста лазерного импульса, позволило впервые зарегистрировать наноплазму с плотностью в 7 раз выше твердотельной при нагреве аэрогельной мишени фемтосекундными лазерными импульсами умеренного (до 105) контраста.

Впервые показано, что новый тип квазинепрерывных спектров обнаруженный в фемтосекундной лазерной плазме, создаваемый импульсом сверхвысокого контраста, обусловлен переходами в многозарядных полых ионах, т.е. ионах с незаполненной К-оболочкой. Таким образом, короткоживущая лазерная плазма представляет собой естественный источник полых ионов и дает новые возможности для анализа их свойств.

Присутствие ионных состояний с пустыми К-оболочками в такой плазме является следствием ее сверхвысокой плотности, приводящей к разрушению корональных условий. Продемонстрировано хорошее качественное согласие модельных расчетов с измеренными спектрами и показано, что адекватная кинетическая модель сверхплотной плазмы должна строиться с учетом состояний полых ионов.

Развитые в настоящей работе методы рентгеновской спектроскопии использованы для диагностики плазмы горячих точек Х-пинчей с разрешением во времени. Показано, сверхплотная плазма с > 1023 см"3 возникает в горячих точках Х-пинча, причем стационарная кинетическая модель неприменима для описания эволюции её ионизационного состояния. Моделирование экспериментальных временных зависимостей интенсивностей рентгеновских спектральных линий с помощью нестационарной кинетики хорошо описывает

296