Вторичные процессы под действием потока частиц и рентгеновского излучения из плазмы фемтосекундного лазерного импульса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

На правах рукописи Головин Григорий Владимирович / \

ВТОРИЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ПОТОКА ЧАСТИЦ И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗ ПЛАЗМЫ ФЕМТОСЕКУНДНОГО ЛАЗЕРНОГО ИМПУЛЬСА:

ВНУТРЕННЯЯ ЭЛЕКТРОННАЯ КОНВЕРСИЯ, ОЖЕ-ПРОЦЕССЫ И ГЛУБОКО НЕУПРУГИЙ УДАР

Специальность 01.04.21 — лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 2 МАЙ 2011

Москва-2011

4845953

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор

Савельев-Трофимов Андрей Борисович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор

Задерновский Анатолий Андреевич

Московский государственный институт радиотехники, электроники и автоматики (технический университет), Москва

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Зворыкин Владимир Дмитриевич Учреждение Российской академии наук Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Москва

Ведущая организация:

Санкт-Петербургский государственный университет, Санкт-Петербург

Защита состоится 19 мая 2011 г. в 16.30 на заседании диссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственном университете имени М.В.Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1 Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики, аудитория им. С.А.Ахманова.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова.

44

Автореферат разослан: «_|_Ъ> апреля 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д кандидат физ.-мат. наук, доцент Л

^Т^Ддаинова

^' мое*

I. Общая характеристика работы

Актуальность темы

Прогресс в области лазерных технологий в последние десятилетия (в частности, появление технологии усиления чирпированных импульсов) привел к тому, что исследователям стали доступны сверхмощные лазерные системы «настольного» типа, способные генерировать импульсы с энергией до нескольких десятков Дж и длительностью вплоть до десяти фс. При фокусировке интенсивность такого излучения достигает 10й Вт/см2, а соответствующая напряженность поля значительно превосходит внутриатомную (~109 В/см). Существенная доля энергии лазерного импульса в этом режиме тратится на ускорение электронов вещества, способных достигать энергий в 1 ГэВ. В свою очередь, существование таких электронов приводит к ускорению протонов, нейтронов и тяжелых ионов, а также к генерации рентгеновских квантов с энергиями, сопоставимыми с предельными для современных ускорителей. При этом характерный масштаб ускоряющего градиента для лазерно-плазменных установок более чем в 1000 раз превышает таковой для традиционных ускорителей, что приводит к соответствующему уменьшению конечного размера установок и сопряженных с экспериментами затрат.

Таким образом, плазма сверхмощного фемтосскундного лазерного импульса является крайне привлекательным инструментом во множестве задач ядерной физики: лазерный термоядерный синтез (в том числе быстрый под-жиг), инициирование ядерных реакций, разделение изотопов, создание инверсной населенности на ядерных переходах. Как импульсный источник рентгеновского, электронного и ионного излучений высокой яркости, такая плазма может применяться для диагностики быстропротекающих процессов рентгеновскими методами, фемтосекундной рентгеновской кристаллографии, рентгеновской и ВУФ литографии, получения изображений в рентгеновском диапазоне для медицины и материаловедения, ионной имплантации, импульсной нейтронной диагностики, протонной терапии.

В области не рекордных, но зато коммерчески широко освоенных «умеренных» интенсивностей (1016-1017 Вт/см2), плазма фемтосекундного лазерного импульса представляет особый интерес для низкоэнергетической ядерной физики. Благодаря таким механизмам поглощения энергии лазерного импульса, как резонансное поглощение, аномальный скин-эффект и нагрев на границе вакуум-плазма, энергия электронного, ионного и рентгеновского излучения плазмы достигает десятков кэВ. Соответственно, становится возможным прямое возбуждение и исследование свойств ядерных состояний, энергия которых лежит в этих пределах.

В настоящий момент построены модели и оценены эффективности основных механизмов, характерных для такого способа возбуждения: неупругого электронного удара, обратной внутренней электронной конверсии, возбуждения за счет переходов на атомных оболочках, фотопоглощения рентгеновского излучения плазмы и др. В то же время экспериментальные подтверждения возбуждения ядерных переходов в плазме, созданной фемтосекундным лазерным импульсом (плазме ФЛИ) сталкиваются с серьезными трудностями, о чем свидетельствует большое число попыток с негативными результатами. Трудности эти обусловлены, прежде всего, низкой эффективностью процессов возбуждения и, как следствие, малым выходом возбужденных ядер, а также сложностью отделения продуктов распада ядерных состояний от мощного собственного излучения плазмы. Единственным успешным способом такой селекции до сих пор была селекция по времени. Действительно, время жизни плазмы ФЛИ лежит в пределах 1-10 пс, в то время как время жизни низколежащих ядерных состояний обычно больше 1 не. Сигнал от распада ядерных состояний значительно запаздывает по отношению к излучению плазмы и может быть, следовательно, выделен. Таким образом был зарегистрирован распад ядерного состояния изотопа шТа с энергией 6,238 кэВ и временем жизни 6,05 мке, что является одним из немногих имеющихся на сегодняшний день подтверждений возможности возбуждения низкоэнергетических ядерных переходов в плазме ФЛИ. Необходимо однако заметить, что отношение сигнал/шум в этом эксперименте было достаточно низким, что вкупе с неудачными попытками других научных групп повторить данный эксперимент спровоцировало вопросы о достоверности полученного результата.

В подавляющем большинстве работ в качестве продуктов распада низко-лежащих ядерных состояний пытались регистрировать кванты гамма-излучения. В то же время известно, что основным каналом распада таких состояний является конверсионный канал, в результате которого энергия возбуждения ядра передается одному из электронов внутренних атомных оболочек, отрывая его от атома. Регистрация характеристических конверсионных электронов - технически сложный процесс, связанный с необходимостью измерения электронных спектров с высоким временным разрешением в режиме счета единичных электронов.

Описанная выше селекция продуктов ядерного распада по времени существенно затруднена, если время жизни ядерного состояния не так велико, как у |8|Та. В этом случае электронная и ионная компоненты излучения плазмы и вторичные продукты их взаимодействия с мишенью и стенками камеры мешают регистрации «ядерного» сигнала. Возможное решение проблемы - возбуждение не в объеме плазмы, а на внешней мишени под воздействием ее излуче-

ния. В экспериментах по этой схеме регистрирующая аппаратура будет фиксировать лишь незначительную рассеянную часть плазменного излучения. Так как прямое воздействие лазерного излучения на исследуемый изотоп отсутствует, в процессе эксперимента он не расходуется, что также является преимуществом при работе с редкими элементами. Недостатком же данной схемы является очевидное падение плотности всех компонент излучения плазмы, достигающих внешней мишени.

Поток корпускулярного излучения плазмы ФЛИ может инициировать не только ядерные, по и экзотические атомные процессы, затрудняющие регистрацию ядерного возбуждения. Одним из них является существенно неупругая ударная ионизация, при которой налетающий ион передает большую часть своей энергии выбиваемому электрону. Экзотичность состоит в том, что в предельном случае свободного электрона эта часть должна быть значительно меньше - порядка отношения масс электрона и иона; в имеющихся на текущий момент экспериментальных исследованиях она действительно не превышает 10~4. Существенно неупругая ударная ионизация представляет интерес и для прикладной физики (например, при расчете радиационных повреждений в биологических тканях или других материалах, создании измеряющей радиацию аппаратуры, при исследовании явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы), и для фундаментальной (проверка моделей ударной ионизации в предельных и асимптотических случаях).

Цели диссертационной работы

1. Разработать методику регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности, а также определить границы ее применимости.

2. Провести регистрацию и интерпретацию электронных спектров 57Ре в области 5-20 кэВ, соответствующей внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния этого изотопа с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 ис.

Научная новизна

1. Зарегистрированы максимумы в электронном спектре 57Ре после воздействия на него излучения плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 10" Вт/см2. Максимумы на энергии 7,2 и 13,6 кэВ, возникающие на временах <120 не после создания плазмы, интерпретированы как результат внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния изотопа 57Ре с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 9В не. Максимум на энергии 5,7 кэВ, возникающий в это же время, а также в интервалах 140-190

5

и 530-740 не после создания плазмы, интерпретирован как результат оже-перехода при заполнении вакансии на К-оболочке, появляющейся в первом случае из-за внутренней электронной конверсии на эту оболочку, а во втором - как результат ударной ионизации ионами плазмы. Показано, что основной вклад в максимумы в электронном спектре, соответствующие распаду ядерного состояния изотопа 57Ре, обеспечивает фотопоглощение рентгеновского излучения плазмы.

2. Измерена энергетическая зависимость и оценено абсолютное значение (10 4бар[1/эВ-сгер) дифференциального сечения ионизации К-оболочки атома Бе протонами с передачей более половины энергии налетающих частиц к выбиваемым электронам при энергиях первых от 10 до 18 кэВ.

3. Показано, что наличие малоинтенсивного (~10п Вт/см ) короткого предым-пульса, опережающего основной фемтосекундный импульс на 10 не, обеспечивает подавление ускорения ионов водорода и кислорода из поверхностного слоя мишени и эффективное ускорение многозарядных ионов основного ее материала горячими электронами плазмы.

Практическая ценность

1. Разработана методика регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности, определены границы ее применимости.

2. Зарегистрирован спектр вторичных электронов, выбитых из поверхности мишени из 57Ре рентгеновским и электронным излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см , с максимумами на энергиях, соответствующих конверсионным и сопутствующим оже-переходам при релаксации первого возбужденного состояния этого изотопа. Анализ спектра продемонстрировал неполноту существующих на настоящий момент моделей возбуждения низколежащих ядерных состояний и необходимость их развития.

3. Полученные результаты по существенно неупругой ударной ионизации могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

Защищаемые положения

1. Испарение поверхностного слоя поглощающей мишени коротким предым-пульсом, имеющим наносекундную задержку относительно мощного фемтосекундного лазерного импульса, приводит к эффективному удалению прото-

иов из поверхностного слоя и преимущественному ускорению ионов основного материала твердотельной мишени.

2. При воздействии па твердотельную мишень излучением плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 1017 Вт/см2, ток вторичных электронов больших энергий определяется, в первую очередь, глубоко неупругим рассеянием ионов, а также сопутствующими ожс-процессами в электронной подсистеме. При этом может происходить передача до 50% энергии от налетающей частицы к выбиваемому электрону.

3. При облучении мишени, содержащей изотоп 57Fe, излучением плазмы, создаваемой фсмтосекулдным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 1017 Вт/см2, в электронном спектре наблюдаются максимумы, соответствующие внутренней электронной конверсии при распаде первого возбужденного уровня (14,4 кэВ, 98 не) этого изотопа, а также сопутствующим ей оже-процессам. Основным фактором, приводящим к появлению этих максимумов, является рентгеновское излучение плазмы.

Апробация работы и публикации

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 1 статья в журнале «Квантовая электроника» [1], 1 статья в журнале «Письма в ЖЭТФ» [6], 1 статья в сборнике трудов конференции [7] и 7 тезисов докладов.

Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, докладывались автором на следующих научных конференциях: XlV-ая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва, Россия, 2007), 7-ой российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (Новый Афон, Абхазия, 2009), международная конференция "Light at Extreme Intensities, LEI-2009" (Брашов, Румыния, 2009), 8-ая международная студенческая конференция «International OSA Network of Students, IONS-8» (Москва, Россия, 2010), международная школа по сверхбыстрой нелинейной оптике «66lh Scottish Universities Summer School in Physics, SUSSP-66» (Эдинбург, Шотландия, 2010), международная конференция «Frontiers in Optics 2010/Laser Science XXVI» (Po-честер, США, 2010). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конференциях: русско-французско-нсмецкий симпозиум по лазерной физике (Нижний Новгород, Россия, 2009), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике 1CONO/LAT-2010 (Казань, Россия, 2010).

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись модификации экспериментальной установки, ее автоматизация, проведение экспериментов, разработка алгоритмов и обработка экспериментальных данных, а также интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 115 страницах, включает 59 рисунков, 10 таблиц и список литературы (общее число ссылок 183).

II. Содержание диссертации

В первой главе диссертационной работы плазма, образовывающаяся при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности (1016-10п Вт/см2) с поверхностью твердотельной мишени, характеризуется как источник рентгеновского излучения, а также потоков электронов и ионов. Дл я этого вначале дается общая картина такого взаимодействия: описываются механизмы поглощения энергии электронной подсистемой плазмы - столкнови-тельный и бесстолкновителыше (резонансное поглощение, вакуумный нагрев и аномальный скин-эффект), обсуждаются компоненты рентгеновского излучения плазмы (тормозное, рекомбинационное и характеристическое), рассматривается ускорение ионов амбиполярным полем. Перечисляются основные механизмы ускорения электронов и ионов при релятивистских интенсивностях (>1018 Вт/см2).

Затем дается описание экспериментальной установки (см. Рис. 1). Описывается лазерная система на Ti:Sapphire и методика диагностики ее параметров (длительности импульса, энергии, контраста, спектра, пространственного качества излучения и его диаметра на мишени). Рассматриваются принцип действия, устройство и характеристики времяпролетного спектрометра электростатического поля, а также его регистрирующего элемента - детектора ВЭУ-7, построенного на базе двух микроканальных пластин. Дается обзор программного обеспечения экспериментальной установки и объясняется схема автоматизации эксперимента (включающая как программную, так и аппаратную части). Создание данной схемы позволило нивелировать влияние медленно меняющихся в процессе эксперимента параметров лазерного излучения за счет быстрого и многократного (с последующим усреднением) измерения необходимых спектров.

Рис. 1: Экспериментальная установка. Излучение лазерной системы фокусируется безаберрационным объективом на поверхность первой мишени, установленной на двух подвижках. Рентгеновское излучение образовавшейся на поверхности плазмы диагностируется двумя ФЭУ, корпускулярное излучение попадает в спектрометр, отклоняется двумя концентрическими цилиндрическими пластинами и регистрируется детектором на базе двух МКП. Управление

установкой (с помощью двух контроллеров шаговых двигателей - КШД), а также запись всех измеряемых сигналов (с помощью двух АЦП) проводится с помощью единственного компьютера.

После этого следует описание методики и результатов экспериментальной диагностики плазмы, созданной на поверхности стальной мишени сфокусированным импульсом лазерного излучения (длительность - 50 фс, энергия -2 мДж, интенсивность ~1017 Вт/см2). Методом поглотителей оценивается температура (как параметр экспоненциального распределения) рентгеновского излучения плазмы (12±4 кэВ), определяется коэффициент преобразования энергии лазерного излучения в рентгеновский диапазон (10"7). Далее прямым измерением спектров ускоренных в плазме электронов оценивается температура «горячего» электронного компонента излучения плазмы (10±2 кэВ), а также коэффициент преобразования энергии лазерного импульса в энергию «горячих» электронов (=2%.).

Затем прямым измерением ионных спектров определяется состав ионного излучения плазмы (см. Рис. 2), оцениваются температуры каждой ионной компоненты (см. Табл. 1). Проводится анализ обнаруженного нами неожиданного

результата - подавление ускорения примесных ионов (Н и О), адсорбированных в поверхностном слое мишени, и эффективного ускорения ионов материала мишени (Ре и С). Данный эффект объясняется характером взаимодействия лазерного импульса, содержащего предымпульс на наносекундном масштабе, с поверхностью твердой мишени. При этом предымпульс выполняет «чистящую» функцию - испаряет поверхностный слой с адсорбированными веществами, благодаря чему ионы основного материала мишени эффективно ускоряются амбиполярным полем, возникающем в плазме критической плотности под действием основного импульса.

Табл. 1: Отношение температур (как параметров экспоне}щиального распределения) ионов к их заряду. Материал мишени - Ре

Ион Ре|+ р. 2+ Ре Ре3+ Ре4+ I- 5+ Ре ре6+ Ре7+ Ре8+ С,+ С2+ С3+ с4+ н1+

т/г, кэВ 10±5 9±5 12±4 11±4 8±2 8±3 8±4 8±4 8±3 7±3 3±1 5±3 НО,5

Все результаты диагностики излучения плазмы сопоставляются между собой, а также с приведенными в начале главы теоретическими оценками и ре-

Рис. 2: Ионные спектры. Материал мишени - Ре Во второй главе для всех стабильных изотопов, имеющих низколежащий ядерный уровень с энергией <20 кэВ, на основании известных формул рассчитывается эффективность основных механизмов возбуждения (фотовозбуждения, возбуждения через обратную внутреннюю конверсию и переходы на атомных оболочках, возбуждения неупругим электронным ударом) под воздействием излучения такой плазмы как в ее объеме, так и на внешней мишени (в гео-

10

метрии, соответствующей нашей экспериментальной установке); рассматриваются отличия этих двух схем. Оценки выполнены в приближении плазмы как абсолютно черного тела с плаиковским спектром излучения и максвелловским спектром ускоряемых электронов. Затем рассматриваются каналы распада низкоэнергетических ядерных состояний (фоторелаксация и внутренняя конверсия). Для тех же изотопов производится (с помощью готового программного пакета, реализующего методику Дирака-Фока расчета волновой функции электронов, находящихся в самосогласованном поле атома) расчет спектров продуктов распада по превалирующему каналу - внутренней конверсии (конверсионных электронов). Приводятся энергетические спектры возможных оже-электронов, испущенных в результате различных оже-переходов на атомных

(а) (б)

Рис. 3: (а) Теоретически рассчитанные спектры конверсионных (темные столбцы) и оже- (светлые столбцы) электронов изотопа 57Ре; (б) экспериментально измеренный спектр вторичных электронов изотопа 57Ре в интервале времени 80-120 не после создания плазмы, статистика - от 4000 до 6500 реализаций на точку по энергии

В главе также приводится исторический обзор экспериментов по возбуждению низкоэнергетических ядерных состояний в плазме лазерного импульса. По итогам расчетов, приведенных в главе, выбирается наиболее перспективный (с точки зрения эффективности возбуждения и легкости регистрации распада) изотоп энергия первого возбужденного уровня - 14,4 кэВ, время жизни -98 не). С учетом измеренных характеристик излучения плазмы, а также геометрии экспериментальной установки, оценка на эффективность фотовозбуждения на внешней мишени для этого изотопа составила 0,2 ядра на лазерный выстрел.

В третьей главе приводится оригинальная методика регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы лазерного импульса умеренной интенсивности, а также определяются границы ее примени-

мости. Для этого описывается экспериментальная установка, отличающаяся от использованной ранее присутствием второй мишени, на которую воздействовало излучение плазмы. Мишень представляла собой кремниевую подложку с напыленным слоем изотопа 57Рс (толщина напыления - 20 нм, содержание в напыленном слое 57Ре ~98%). Объясняется алгоритм обработки и анализа экспериментальных данных, включающий фильтрацию снятых с детектора спектрометра сигналов, применяемую для устранения наводок и уменьшения искажающего влияния переколебания регистрирующей схемы, вызванного приходом на детектор мощного переотраженного электронного излучения плазмы. Затем исследуется статистика экспериментальных данных, что делает возможным построение доверительных интервалов в результирующих спектрах. Далее приводятся результаты эксперимента по регистрации распада низколежащего состояния с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 не изотопа 57Ре, проведенного по предложенной методике. В зарегистрированных спектрах вторичных электронов выделяются три компонента (см. Рис. 3 (б)).

Первый, нерезонансный, объясняется существенно неупругой ударной ионизацией атомов второй мишени налетающими ионами из плазмы. Он присутствует во временных диапазонах 140-190 и 530-740 не после создания плазмы, соответствующих прилету на вторую мишень основного количества ионов Н+ и С+, 0+, 1-е2' соответственно. Второй, резонансный, объясняется конверсионным распадом возбужденного ядерного состояния и наблюдается на временах <120 не после создания плазмы, когда ионы еще не попадают на вторую мишень. Третий, также резонансный, является следствием оже-процессов, заполняющих вакансии на К-оболочках атомов Ре, созданных в результате ударной ионизации, либо конверсии (поэтому он наблюдается в указанных выше временных интервалах). Приводится подробное обоснование того, что второй компонент не может быть объяснен никакими атомными процессами и потому должен быть приписан распаду возбужденного ядерного состояния (сравн. Рис. 3 (а) и (б)). Основной аргумент состоит в том, что чисто атомные процессы (переходы между атомными оболочками) не могут быть причиной появления вторичных электронов с дискретной энергией, превышающей 7,1 кэВ - энергию связи самой глубокой оболочки для атома Ре. Мы же наблюдаем максимумы в

электронных спектрах на энергиях 7,2 и 13,6 кэВ. Оценка числа возбужденных 57г

на второй мишени ядер ге, учитывающая геометрию экспериментальной установки и временной период регистрации, дает 1±0,5, что согласуется со сделанной в Главе II оценкой (0,2).

Для выявления основного источника возбуждения ядер приводится результат дополнительного эксперимента, в котором для предотвращения возбуждения электронами перед второй мишенью была установлена лавсановая

пленка толщииой 20 мкм. Пленка задерживала электроны и ионы, летящие из плазмы с поверхности первой мишени, и пропускала только кванты жесткого рентгеновского излучения (для обоснования этого приводятся расчеты характерных тормозных путей). Конверсионные пики на электронных спектрах остались (см. Рис. 4), количество возбужденных ядер оценено в 0,9±0,3. Делается вывод, что в проводимых экспериментах фотопоглощение является основным механизмом возбуждения изотопа 57Ге, в то время как роль неупругого электронного рассеяния неочевидна.

Энергия, кэВ

Рис. 4: Спектр вторичных электронов в интервале времени 30-120 не после создания плазмы, статистика - от 4000 до 5000 реализаций на точку по энергии. Между мишенями помещена пленка из лавсана

Использование дополнительной внешней мишени в рассматриваемой в настоящей диссертационной работе методике регистрации электронных спектров с временным разрешением является ключевой идеей, так как это позволяет значительно подавить поток частиц из плазмы, выделив на его фоне слабый сигнал от вторичных процессов, происходящих на дополнительной мишени. В свете регистрации распада возбужденных низкоэнергстичных ядерных состояний такая схема эксперимента имеет как плюсы, так и минусы по сравнению с прямой регистрацией частиц из плазмы. Баланс между ними на основе полученных экспериментальных результатов работы по обеим схемам подведен в конце главы. Показано, что в задаче о регистрации распада 14,4 кэВ состояния изотопа 57Ре со временем жизни 98 не, возбужденного рентгеновским излучением плазмы, схема регистрации вторичных электронов с использованием дополнительной мишени в ~4 раза эффективнее, чем прямая регистрация частиц из плазмы (где эффективность понимается как произведение отношения коли-

чества зарегистрированных конверсионных электронов к числу распадов на геометрический фактор уменьшения потока излучения плазмы).

В результатах и выводах приводятся основные результаты диссертационной работы, а также делаются выводы по ним.

III. Результаты и выводы

Плазма, образовывающаяся при взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности (энергия - 1,5 мДж, длительность -55 фс, диаметр пятна фокусировки 3,5 мкм, интенсивность ~1017 Вт/см2) с поверхностью твердотельной мишени из Ре, была охарактеризована как источник рентгеновского излучения, а также потоков электронов и ионов. Температура рентгеновского излучения была измерена с помощью метода поглотителей и составила 12±4 кэВ, что согласуется с теоретической оценкой в 14 кэВ. Конверсия лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения составила 10"7. Температура «горячего» электронного компонента прямыми измерениями спектра была оценена в 10±2 кэВ, что согласуется с теоретической оценкой в 14кэВ (механизм ускорения - резонансное поглощение), а также с температурой рентгеновского излучения. Доля «горячих» электронов от их общего числа составила =4%, конверсия энергии лазерного излучения в энергию зарегистрированных электронов оказалась ~2%.

Исследование ионных потоков из плазмы показало наличие в них как ионов материала мишени (1;е' '-Ре8', С|+-С4+), так и примесных ионов (0|+, Н+), адсорбированных на поверхности мишени из воздуха и паров масла, с энергиями вплоть до нескольких десятков кэВ. Доля ионов мишени с энергией выше 2 кэВ составила >50%, для энергий выше 10 кэВ - практически 100%. Наблюдаемый эффект очистки мишени связан с наличием короткого предымпульса, опережавшего основной лазерный импульс на 10 не (контраст по интенсивности ~106), который приводил к испарению поверхностного слоя с примесными ионами. В результате этого ионы мишени эффективно ускорялись амбиполярным полем до средней энергии на заряд, составившей 10±2 кэВ, что совпадает со средней энергией «горячего» электронного компонента. Примесные ионы ускорялись малым количеством «горячих» электронов вне пределов максимума ам-биполярного поля, средняя энергия их составила ~1 кэВ. Также были зарегистрированы отрицательные ионы О1" с энергиями до 12 кэВ со средней энергией 2±1 кэВ, образующиеся при перезарядке положительно заряженных ионов и нейтралов плазмы в процессе их пролета до детектора на молекулах остаточного газа.

На примере стабильных изотопов, имеющих ядерное состояние с энергией менее 20 кэВ (57Ре, 73Сс, 83Кг, 169Тт, шТа, 18705, 201 Не), были исследованы

особенности возбуждения и регистрации произошедшего распада низкоэнергетических ядерных уровней как в объеме плазмы лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см2, так и с помощью ее излучения па внешней мишени (в приближении плазмы как абсолютно черного тела). Для случая возбуждения в объеме плазмы были оценены эффективности основных механизмов возбуждения (фотовозбуждение, обратная внутренняя электронная конверсия и неупругий электронный удар). Количество возбужденных ядер по этим оценками составило вплоть до 1,5-103 на выстрел (l870s, фотовозбуждение). Эффективности этих же механизмов были также оценены для случая возбуждения на внешней мишени (в геометрии, соответствующей нашей экспериментальной установке). Количество возбужденных ядер по этим оценками составило вплоть до 0,2 на выстрел (l870s, фотовозбуждение). Выявлены основные факторы, обуславливающие специфику возбуждения па внешней мишени - падение плотности всех компонент излучения плазмы и их разнесение по времени, приводящие, в частности, к полному подавлению ОВЭК на внешней мишени. Теоретически обосновано отсутствие влияния неоднородных уширений (в частности, из-за эффекта Доплера) ядерного перехода па эффективность фотовозбуждения. Для исследуемых изотопов рассчитаны спектры конверсионных и оже-электронов. Пока-

СП Т"! 07 1 С 1

зано, что для легких изотопов ( Fe, Ge, Кг) и Та существуют конверсионные линии, регистрация которых будет говорить о произошедшем распаде ядерного уровня. Для тяжелых изотопов (l69Tm, IS7Os, 20lHg) все конверсионные линии перекрываются с оже-линиями, поэтому для регистрации ядерного распада предложено использовать селекцию по времени образования электронов.

Была развита методика, включающая систему автоматизации эксперимента и алгоритмы обработки экспериментальных данных, обеспечивающая регистрацию электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы лазерного импульса умеренной интенсивности в диапазонах 1-40 кэВ по энергии и 50 - 15000 не после создания плазмы по времени. С помощью этой методики исследовались спектры вторичных электронов, выбитых из второй мишени (57Fe) излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью ~10'7 Вт/см2, сформированной на поверхности первой. В зарегистрированных спектрах наблюдалось три компонента.

Первый, нерезонансный, связан с существенной (почти полной) передачей энергии от налетающего иона к выбиваемому электрону. Он наиболее выражен во временных интервалах 140-190 и 530-740 не после создания плазмы, соответствующих прилету на вторую мишень основного количества ионов Н+ и С+, 0+, Fe2+ соответственно. Дважды дифференцированное сечение такого процесса оценено в 10~4барн/эВ-стер. Проведено сопоставление с единственной

существующей моделью ударной ионизации (моделью Рудда), не ограниченной в применении для столь высокой доли передаваемой энергии. Сопоставление показало количественное расхождение эксперимента с теорией, однако дало качественную картину происходящего - высокая доля передаваемой энергии связана с увеличением эффективной массы выбиваемого электрона, обусловленного сильной связью с ядром. Полученные результаты могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

Второй, резонансный, компонент (максимумы с энергиями 7,2 и 13,6 кэВ) является следствием конверсионного распада 14,4 кэВ уровня изотопа 57Ре и наблюдается на временах <120 не после создания плазмы. Он исчезал при замене мишени с 57Ре на 56Ре, у которого отсутствует низколежащий ядерный уровень. Отношение амплитуд максимумов составило 2,4±0,9, что совпадает с теоретически рассчитанным (=2). Количество возбужденных ядер на второй мишени оценено в 1±0,5. Для выяснения механизма возбуждения между мишенями была помещена пленка лавсана, поглощавшая корпускулярное и пропускавшая рентгеновское излучение плазмы. Сигнал от конверсионных электронов остался, количество возбужденных ядер на второй мишени было оценено как 0,9±0,3. Таким образом, основным механизмом возбуждения ядер можно считать фотопоглощение, однако роль неупругого электронного рассеяния требует дальнейших исследований.

Третий, также резонансный, компонент связан с оже-переходом, возникающим при заполнении К-оболочки, когда вакансия на ней образуется либо за счет ударной ионизации ионами (максимум на энергии 5,7 кэВ наблюдался на временах 140-190 и 530-740 не после создания плазмы, соответствующих прилету на вторую мишень ионов Н+, С+, 0+, Ре2+), либо за счет конверсии (такой же максимум наблюдался на временах 90-120 не, до прилета на вторую мишень даже быстрых протонов). Зарегистрированные в последнем временном интервале оже-переходы являлись еще одним подтверждением произошедшего конверсионного распада ядерного состояния.

Полученное в экспериментах количество возбужденных ядер по порядку совпадает с выполненными в приближении плазмы как абсолютно черного тела теоретическими оценками по механизму фотопоглощения (0,2 ядра на лазерный выстрел). Однако попытка расчета эффективности фотопоглощения, основанная на экспериментальных оценках светимости плазмы, приводит к значительному (на несколько порядков) расхождению теории с экспериментом, причем теория дает заниженное значение. Это говорит о неполноте существующих на настоящий момент моделей возбуждения низколежащих ядерных состояний и необходимости их развития.

Таким образом, по диссертационной работе можно сделать следующие

выводы.

1. Была разработана методика регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности, а также определены границы ее применимости.

2. С помощью разработанной методики зарегистрированы максимумы в электронном спектре 57Ре после воздействия па него излучения плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см2. Максимумы па энергии 7,2 и 13,6 кэВ, возникающие на временах <120 не после создания плазмы, интерпретированы как результат внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния изотопа 57Ре с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 не. Максимум на энергии 5,7 кэВ, возникающий в это же время, а также в интервалах 140-190 и 530-740 не после создания плазмы, интерпретирован как результат оже-перехода при заполнении вакансии на К-оболочке, появляющейся в нервом случае из-за внутренней электронной конверсии на эту оболочку, а во втором - как результат ударной ионизации ионами плазмы.

3. Показано, что основной вклад в максимумы в электронном спектре, соответствующие распаду ядерного состояния изотопа 57Ре, обеспечивает фотопоглощение рентгеновского излучения плазмы.

4. Измерена энергетическая зависимость и оценено абсолютное значение (10 4 барн/эВ-стер) дифференциального сечения ионизации К-оболочки атома Ре протонами с передачей более половины энергии налетающих частиц к выбиваемым электронам при энергиях первых от 10 до 18 кэВ. Полученные результаты по существенно неупругой ударной ионизации могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

5. Показано, что наличие малоинтенсивного (~10п Вт/см2) короткого предым-пульса, опережающего основной фемтосекундный импульс на 10 не, обеспечивает подавление ускорения ионов водорода и кислорода из поверхностного слоя мишени и эффективное ускорение многозарядных ионов основного ее материала горячими электронами плазмы.

IV. Список работ, опубликованных но теме диссертации

1. Головин Г.В., Савельев А. Б., Урюпина Д. С., Волков Р. В. Внутренняя электронная конверсия изомерного состояния с энергией 14.4 кэВ ядра 57Ре,

возбуждаемого излучением плазмы мощного фемтосекундного лазерного импульса // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 3. С. 222.

2. Golovin G., Uryupina D., Volkov R., and Savel'ev A. Secondary Processes Induced by Femtosecond Laser Plasma X-Ray and Corpuscular Emission in External Target. //FIO'lO Book of abstracts, October 24-28, 2010, Rochester, NY, USA, JTuA18

3. Golovin G., Shulyapov S. Decay of 14.4 keV 57Fe nuclear state excited with help of plasma created by the femtosecond laser pulse. //Technical Digest on CD-ROM of the International Conference on Coherent and Nonlinear Optics "ICONO/LAT-2010", August 23 - 26, 2010, Kazan, Russia, YSTuE18

4. Golovin G., Uryupina D., Volkov R., and Savel'ev A. Registration of 14.4 keV 57Fe nuclear state excitation induced with the help of plasma created by the powerful femtosecond laser pulse. //SUSSP-66 Book of Abstracts, August 11-21, 2010, Edinburgh, UK, p.16

5. Golovin G., Uryupina D., Volkov R., and Savel'ev A. Nuclear excitation induced by Femtosecond Laser Plasma X-Ray and Corpuscular Emission in External Target. // IONS'8 Book of abstracts, 21-25 June, 2010, Moscow, Russia, p.40

6. Головин Г.В., Савельев А. Б., Урюпина Д. С., Волков Р. В., Марьин Б.В. Наблюдение высокоэнергетичных электронов при облучении поверхности металлической мишени протонами со средней энергией 25 кэВ // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. № 10. С. 584-588.

7. Golovin G., Uryupina D., Volkov R., and Savel'ev A. Registration of 14.4 keV 57Fe conversional decay after nuclei excitation induced with the help of plasma crcated by the powerful femtosecond laser pulse // Light at Extreme Intensities, Opportunities and Techological Issues of the ExtTeme Light Infrastructure: LEI 2009 / под ред. D. Dumitras. Brasov (Romania): AIP, 2010. C. 86-91.

8. Головин Г. В., Савельев А. Б., Урюпина Д. С., Волков Р. В. Регистрация электронов с энергией до 15 кэВ при облучении поверхности мишени ионами с энергией менее 100 кэВ, ускоряемых в лазерной плазме: ионизация глубоких оболочек и возбуждение ядерных уровней. // Тезисы докладов 7-го российского симпозиума «Проблемы физики ультракоротких процессов в силыюнеравновесных средах», 23 июля - 1 августа, 2009, Новый Афон, Абхазия, с. 22.

9. Головин Г. В., Савельев А. Б., Михеев П. М., Урюпина Д. С. Регистрация конверсионного распада ядер Fe57, возбужденных излучением плазмы мощного фемтосекундного лазерного импульса. // Тезисы докладов IV-ой международной конференции «ОПТИКА-2007», 15-19 октября, 2007, Санкт-Петербург, Россия, с. 20.

10. Головин Г. В. Регистрация конверсионного распада ядер железа, возбужденных излучением плазмы мощного фемтосекундного лазерного импульса. // Тезисы докладов XlV-ой международной конференции «Ломоносов», 1114 апреля, 2007, Москва, Россия, с. 26.

Подписано в печать 11.04.2011 г. Печать лазерная цифровая Тираж 100 экз.

Типография Aegis-Print 115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Тел.: 8 (495) 785-00-38, 8 (926) 850-53-16 www.autoref.ae-print.ru

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. Диагностика плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности.

§1.1 Картина взаимодействия фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности с поверхностью твердотельной мишени.

1.1.1. Формирование «теплового» электронного компонента плазмы.

1.1.2. Формирование «горячего» электронного компонента плазмы.

1.1.3. Генерация рентгеновского излучения.

1.1.4. Ускорение ионов.

§ 1.2 Экспериментальная установка.

1.2.1. Обзор экспериментальной установки.

1.2.2. Лазерная система на ТкЗаррЫге.

1.2.3. Диагностика лазерного излучения.

1.2.4. Электростатический спектрометр.

1.2.5. Обзор программной части экспериментальной установки.

§ 1.3 Оценка температуры рентгеновского излучения плазмы.

§1.4 Определение эффективности преобразования лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения.

§ 1.5 Измерение температуры «горячего» электронного компонента.

§1.6 Измерение ионных спектров.

Выводы к Главе 1.

ГЛАВА II. Эффективность возбуждения низколежащих ядерных уровней и определение характеристик продуктов их релаксации.

§2.1 История экспериментов по возбуждению низкоэнергетических ядерных состояний в плазме лазерного импульса.

§2.2 Механизмы возбуждения ядер.

2.5.1. Фотовозбуждение.

2.5.2. Возбуждение через обратную внутреннюю электронную конверсию.

2.5.3. Возбуждение через переходы на атомных оболочках.

2.5.4. Возбуждение неупругим электронным ударом.

2.5.5. Сводка рассчитанного количества возбужденных ядер.

§2.3 Каналы распада возбужденных ядерных состояний.

§2.4 Расчет спектров конверсионных электронов.

Выводы к Главе II.

ГЛАВА III. Возбуждение низколежащих ядерных уровней на внешней мишени, инициированное при помощи плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности.

§3.1 Обзор экспериментальной установки.

§3.2 Методика обработки результатов по регистрации конверсионных электронов.

§3.3 Статистический анализ результатов.

§3.4 Регистрация энергетических спектров вторичных электронов, выбитых ионным излучением плазмы ФЛИ.

3.4.1. Анализ электронных токов.

3.4.2. Существенно неупругая ударная ионизация внутренних оболочек.

3.4.3. Оже-процессы.

3.4.4. Сопоставление с результатами эксперимента по прямой регистрации отрицательных частиц из плазмы.

§3.5 Регистрация энергетических спектров вторичных электронов, выбитых рентгеновским и электронным излучением плазмы ФЛИ.

3.5.1. Рентгеновское и электронное излучения вместе.

3.5.2. Только рентгеновское излучение.

§3.6 Сопоставление методик регистрации вторичных электронов с использованием и без использования внешней мишени.

Выводы к Главе III.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

Актуальность темы

Прогресс в области лазерных технологий в последние десятилетия (в частности, появление технологии усиления чирпированных импульсов [1]) привел к тому, что исследователям стали доступны сверхмощные лазерные системы «настольного» типа, способные генерировать.импульсы с энергией до нескольких десятков Дж и длительностью вплоть до десяти фс. При фокусировке интенсивность такого излучения достигав 10" Вт/см" [2], а соответствующая напряженность поля значительно превосходи т внутриатомную (~109 В/см). Значительная доля энергии лазерного импульса в этом режиме тратится на ускорение электронов вещества, способных достигать энергий в 1 ГэВ. В свою очередь, существование таких электронов приводит к ускорению протонов, нейтронов и тяжелых ионов, а также к генерации рентгеновских квантов с энергиями, сопоставимыми с предельными для современных ускорителей [3]. При этом характерный масштаб ускоряющего градиента для лазерно-плазменных установок более чем в 1000 раз превышает таковой для традиционных ускорителей, что приводит к соответствующему уменьшению конечного размера установок и сопряженных с экспериментами затрат.

Таким образом, плазма сверхмощного фемтосекундного лазерного импульса (плазма ФЛИ) является крайне привлекательным инструментом во множестве задач ядерной физики: лазерный термоядерный синтез [4-6] (в том числе быстрый поджиг [7-10]). инициирование ядерных реакций 111-17], разделение изотопов [18; 19], создание инверсной населенности на ядерных переходах [11; 20-22]. Как импульсный источник рентгеновского, электронного и ионного излучений высокой яркости, такая плазма может применяться для диагностики быстропротекающих процессов рентгеновскими методами [2327], фемтосекупдной рентгеновской кристаллографии |28], рентгеновской и ВУФ лию-графии [29; 30], получения изображений в рентгеновском диапазоне для медицины и материаловедения [31; 32], ионной имплантации [33; 34], импульсной нейтронной диагностики [35], протонной терапии [36-38].

В области не рекордных, но зато коммерчески широко освоенных умеренных ин-тенсивностеи

10,5-1017 Вт/см2), плазма фемтосекундного лазерного импульса представляет особый интерес для низкоэнергетической ядерной физики. Благодаря таким механизмам. как поглощение энергии лазерного импульса, резонансное поглощение [39-42], аномальный скин-эффект [43] и нагрев на границе вакуум-плазма [44-46]. энергия электронного. ионного и рентгеновского излучения плазмы достигает десятков кэВ. Соответс1вснно, становится возможным прямое возбуждение и исследование свойств ядерных состояний, энергия которых лежит в этих пределах.

В настоящий момент построены модели и оценены эффективности основных механизмов, характерных для такого способа возбуждения: неупругого электронного удара [47-49], обратной внутренней электронной конверсии [50; 51], возбуждения за счет переходов на атомных оболочках [52], фотопоглощения рентгеновского излучения плазмы [19; 21; 53-55] и др. В то же время экспериментальные подтверждения возбуждения ядерных переходов в плазме ФЛИ сталкиваются с серьезными трудностями, о чем свидетельствуе: большое число попыток с негативными результатами [56-64]. Трудности эти обусловлены, прежде всего, низкой эффективностью процессов возбуждения и. как следствие, малым выходом возбужденных ядер, а также сложностью отделения продуктов распада ядерных состояний от мощного собственного излучения плазмы. Единственным успешным способом такой селекции до сих пор была селекция по времени. Действительно, время жизни плазмы ФЛИ лежит в пределах 1-10 пс [65], в то время как время жизни низколежащих ядерных состояний обычно больше 1 не. Сигнал от распада ядерных состояний значительно запаздывает по отношению к излучению плазмы и может быть, следовательно, выделен. В работе [54] таким образом был зарегистрирован распад ядерного состояния изо

1ЯI юна ' Та с энергией 6,238 кэВ и временем жизни 6,05 мке, что является одним из немногих имеющихся на сегодняшний день подтверждений возможности возбуждения низкоэнергетических ядерных переходов в плазме ФЛИ. Необходимо, однако, заметить, что отношение сигнал/шум в этой работе было достаточно низким, что вкупе с неудачными попытками других научных групп повторить данный эксперимент [61-64] спровоцировало вопросы о достоверности полученного результата

В подавляющем большинстве работ в качестве продуктов распада низколежащих ядерных состояний пытались регистрировать кванты гамма-излучения. В то же время известно [19], что основным каналом распада таких состояний является конверсионный канал, в результате которого энергия возбуждения ядра передается одному из электронов внутренних атомных оболочек, отрывая его от атома. Регистрация характеристических конверсионных электронов - технически сложный процесс, связанный с необходимостью измерения электронных спектров с высоким временным разрешением в режиме счета единичных электронов.

Описанная выше селекция продуктов ядерного распада по времени существенно

IX1 затруднена, если время жизни ядерного состояния не так велико, как у Та. В этом случае электронная и ионная компоненты излучения плазмы и вторичные продукты их взаимодействия с мишенью и стенками камеры мешают регистрации «ядерного» сигнала.

Возможное решение проблемы - возбуждение не в объеме плазмы, а на внешней мишени под воздействием ее излучения. В экспериментах по этой схеме регистрирующая аппаратура будет фиксировать лишь незначительную рассеянную часть плазменного излучения. Так как прямое воздействие' лазерного излучения на исследуемый изотоп отсутствует, в процессе эксперимента он не расходуется, что также является преимуществом при работе с редкими элементами. Недостатком же данной схемы является очевидное падение плотности всех компонент излучения плазмы.

Поток корпускулярного излучения плазмы ФЛИ может инициировать не только ядерные, но и экзотические атомные процессы, затрудняющие регистрацию ядерного возбуждения. Одним из них является существенно неупругая ударная ионизация, при которой налетающий ион передает большую часть своей энергии выбиваемому электрону [66]. Экзотичность состоит в том, что в предельном случае свободного электрона эта часть должна быть порядка отношения масс электрона и иона; в имеющихся на текущий момен г экспериментальных исследованиях она действительно не превышает 10"' |67|. Такой процесс представляет интерес и для прикладной физики (например, при расчете радиационных повреждений в биологических тканях или других материалах, создании измеряющей радиацию аппаратуры, при исследовании явлений, происходящих в верхних слоях атмосферы), и для фундаментальной, как проверка моделей ударной ионизации в предельных и асимптотических случаях.

Цели диссертационной работы

1. Разработать методику регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивное!и, а также определить границы ее применимости.

57 ~

2. Провести регистрацию и интерпретацию электронных спектров " Ре в области > 20 кэВ, соответствующей внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния этого изотопа с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 не.

Научная новизна

1. Зарегистрированы максимумы в электронном спектре 57Ре после воздействия на него излучения плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см2. Максимумы на энергии 13,6 и 7,2 кэВ, возникающие на временах <120 не после создания плазмы, интерпретированы как результат внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния изотопа 57Ре с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 не. Максимум на энергии 5,7 кэВ, возникающий в это же время, а также в интервалах 140-190 и 530-740 пс после создания плазмы, интерпретирован как результат оже-перехода при заполнении вакансии на К-оболочке, появляющейся в первом случае из-за вну тренней электронной конверсии на эту оболочку, а во втором -как результат ударной ионизации ионами плазмы. Показано, что основной вклад в максимумы в электронном спектре, соответствующие распаду ядерного состояния изотопа 57Ре, обеспечивает фотопоглощение рентгеновского излучения плазмы.

2. Измерена энергетическая зависимость и оценено абсолютное значение (10 4 барн/эВ-стер) дифференциального сечения ионизации К-оболочки атома Ре протонами с передачей более половины энергии налетающих частиц к выбиваемым электронам при энергиях первых от 10 до 18 кэВ.

I 1 1

3. Показано, что наличие малоинтенсивного (-10" Вт/см') короткого предымпульса. опережающего основной фемтосекундный импульс на 10 не, обеспечивает эффективное ускорение многозарядных ионов основного материала мишени горячими электронами плазмы и подавление ускорения ионов водорода и кислорода.

Практическая ценность

1. Разработана методика регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности, определены границы ее применимости.

2. Зарегистрирован спектр вторичных электронов, выбитых из поверхности мишени из 571'с рентгеновским и электронным излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см2, с максимумами на энергиях, соответствующих конверсионным и сопутствующим оже-переходам при релаксации первого возбужденного состояния этого изотопа. Анализ спектра продемонстрировал неполноту существующих на настоящий момент моделей возбуждения низколежащих ядерных состояний и необходимость их развития.

3. Полученные результаты по существенно неупругой ударной ионизации могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

Защищаемые положения

1. Испарение поверхностного слоя поглощающей мишени коротким предымпульсом. имеющим наносекундную задержку относительно мощного фемтосекундного лазерного импульса, приводит к эффективному удалению протонов из поверхностного слоя и преимущественному ускорению ионов основного материала твердотельной мишени.

2. При воздействии на твердотельную мишень излучением плазмы, создаваемой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 10'7 Вт/см2, ток вторичных электронов больших энергий определяется, в первую очередь, глубоко неупругим рассеянием ионов, а также сопутствующими оже-процессами в электронной подсистеме. При этом может происходить передача до 50% энергии от налетающей частицы к выбиваемому электрону.

3. При облучении мишени, содержащей изотоп э7Ре, излучением плазмы, создавае

17 ** мой фемтосекундным лазерным импульсом с интенсивностью порядка 10 Вт/см", в электронном спектре наблюдаются максимумы, соответствующие внутренней электронной конверсии при распаде первого возбужденного уровня (14,4 кэВ, 98 не) этого изотопа, а также сопутствующим ей оже-процессам. Основным фактором, приводящим к появлению этих максимумов, является рентгеновское излучение плазмы.

Апробация работы и публикации

Основные результаты исследований, представленных в диссертационной работе, докладывались автором на следующих научных конференциях: XlV-ая международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов» (Москва. Россия, 2007), IV-ая международная конференция молодых ученых и специалистов «ОПТИКА-2007» (Санкт-Петербург, Россия, 2007), 7-ой российский симпозиум «Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах» (Новый Афон, Абхазия, 2009). международная конференция "Light at Extreme Intensities, LEI-2009" (Брашов, Румыния, 2009), 8-ая международная студенческая конференция «International OSA Network of Students, IONS-8» (Москва, Россия, 2010), международная школа по сверхбыстрой нелинейной оптике «66th Scottish Universities Summer School in Physics, SUSSP-66» (Эдинбург. Шотландия, 2010), международная конференция «Frontiers in Optics 2010/Laser Science XXVI» (Рочестер, США, 2010). Также диссертант является соавтором докладов, представленных на научных конференциях: русско-французско-немецкий симпозиум по лазерной физике (Нижний Новгород, Россия, 2009), международная конференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT-2010 (Казань, Россия, 2010).

По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 2 статьи в отечественных научных журналах (из списка ВАК России) , 1 статья в сборнике трудов конференции и 7 тезисов докладов.

Личный вклад автора

Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены автором, либо при его непосредственном участии. Автором осуществлялись модификации экспериментальной установки, ее автоматизация, проведение экспериментов, разработка алгоритмов и обработка экспериментальных данных, а также интерпретация полученных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Работа изложена на 115 страницах, включает 59 рисунков, 10 таблиц и список литературы (общее число ссылок 183).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Плазма, образовывающаяся при. взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности (энергия - 1,5 мДж, длительность - 55 фс, диаметр пятна фокусировки 3,5 мкм, интенсивность ~1017 Вт/см2) с поверхностью твердотельной мишени из Ре, была охарактеризована как источник рентгеновского излучения, а также потоков электронов и ионов. Температура (как параметр экспоненциального распределения) рентгеновского излучения была измерена с помощью метода поглотителей и составила 12±4 кэВ, что согласуется с теоретической оценкой в 14 кэВ. Конверсия лазерной энергии в энергию рентгеновского излучения составила 10" . Температура «горячего» электронного компонента (как параметр распределения Максвелла), полученная прямыми измерениями спектра, была оценена в 10±2 кэВ, что согласуется с теоретической оценкой в 14 кэВ (механизм ускорения - резонансное поглощение), а также с температурой рентгеновского излучения. Доля «горячих» электронов от их общего числа составила ~4%, конверсия энергии лазерного излучения в энергию зарегистрированных электронов оказалась -2%.

Исследование ионных потоков из плазмы показало наличие в них как ионов материала мишени (Ре1+-Ре8+, С1+-С4+), так и примесных ионов (01+, Н+), адсорбированных на поверхности мишени из воздуха и паров масла, с энергиями вплоть до нескольких десятков кэВ. Доля ионов мишени с энергией выше 2 кэВ составила >50%, для энергий выше 10 кэВ - практически > 100%. Наблюдаемый эффект очистки мишени связан с наличием короткого предымпульса; опережающего основной лазерный импульс на 10 не (контраст по интенсивности ~106), который приводит к испарению поверхностного слоя с примесными ионами. В результате этого ионы мишени эффективно ускоряются амбиполярным полем до температуры (как параметра экспоненциального распределения) на заряд, составившей 10±2 кэВ, что совпадает с температурой «горячего» электронного компонента. Примесные ионы ускоряются преимущественно основными до их скоростей, температура их составила кэВ. Также были зарегистрированы отрицательные ионы О1" с энергиями до 12 кэВ и температурой 2±1 кэВ, образующиеся при перезарядке положительно заряженных ионов и нейтралов плазмы в процессе их пролета до детектора на молекулах остаточного газа.

На примере стабильных изотопов, имеющих ядерное состояние с энергией менее 20 кэВ (57Ре, 73ве, 83Кг, 169Тш, 181Та, 187Оз, 201 Р1ё), были исследованы особенности возбуждения и регистрации произошедшего распада низкоэнергетических ядерных уровней как в

17 О объеме плазмы лазерного импульса с интенсивностью 10 Вт/см", так и с помощью ее излучения на внешней мишени (в приближении плазмы как абсолютно черного тела). Для случая возбуждения в объеме плазмы были оценены эффективности основных механизмов возбуждения (фотовозбуждение, обратная внутренняя электронная конверсия и неупругий электронный удар). Количество возбужденных ядер по этим оценками составило вплоть до 1,5Т03 на выстрел (1870з, фотовозбуждение). Эффективности этих же механизмов были также оценены для случая возбуждения на внешней мишени. Количество возбужденных ядер по этим оценками составило вплоть до 0,4 на выстрел (187Оз, фотовозбуждение). Выявлены основные факторы, обуславливающие специфику возбуждения на внешней мишени - падение плотности всех компонент излучения плазмы и их разнесение по времени, приводящие, в частности, к полному подавлению ОВЭК па внешней мишени. Теоретически обосновано отсутствие влияния неоднородных уширений (в частности, из-за эффекта Доплера) ядерного перехода на эффективность фотовозбуждепия. Для исследуемых изотопов рассчитаны спектры конверсионных и оже-электронов. Показано, чю для легких изотопов (з7Ре, 73Се, 83Кг) и ,8|Та существуют конверсионные линии, регистрация которых будет говорить о произошедшем распаде ядерного уровня. Для тяжелых изотопов (169Тпт, 1870з, 201 Пц) все конверсионные линии перекрываются с оже-линиями, поэтому для регис1 рации ядерного распада предложено использовать селекцию по времени образования электронов. Была развита методика, включающая систему автоматизации эксперимента и алгоритмы обработки экспериментальных данных, обеспечивающая регистрацию электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы лазерного импульса умеренной интенсивности в диапазонах 1-40 кэВ по энергии и 50 - 15000 не после создания плазмы по времени. С помощью этой методики исследовались спектры вторичных электронов, выбитых из

57 второй мишени (' Ре) излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интен

17 ^ сивностью -10 Вт/см", сформированной на поверхности первой. В зарегистрированных спектрах наблюдалось три компонента.

Первый, нерезонансный, связан с существенной (почти полной) передачей энергии от налетающего иона к выбиваемому электрону. Дважды дифференцированное сечение такого процесса оценено в Ю-4 барн/эВ * стер. Проведено сопоставление с единственной существующей моделью ударной ионизации (моделью Рудда). не ограниченной в применении для столь высокой доли передаваемой энергии. Сопоставление показало количественное расхождение эксперимента с теорией, однако дало качественную картину происходящего - высокая доля передаваемой энергии связана с увеличением эффективной массы выбиваемого электрона, обусловленного сильной связью с ядром. Полученные результаты могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

Второй, резонансный, компонент (максимумы с энергиями 7,2 и 13,6 кэВ) является следствием конверсионного распада 14,4 кэВ уровня изотопа 57Ре. Эти максимумы исчезали при замене мишени с 57Ре на 5<Те, у которого отсутствует низколежащий ядерный уровень. Отношение амплитуд максимумов составило 2,4±0,9, что совпадает с теоретически рассчитанным (~2). Количество возбужденных ядер на второй мишени оценено в 1±0.5. Для выяснения механизма возбуждения между мишенями была помещена пленка лавсана, поглощавшая корпускулярное и пропускавшая рентгеновское излучение плазмы. Сигнал от конверсионных электронов остался, количество возбужденных ядер на второй мишени было оценено как 0,9±0,3. Таким образом, основным механизмом возбуждения ядер можно считать фотопоглощение, однако роль неупругого электронного рассеяния требует дальнейших исследований.

Третий, также резонансный, компонент связан с оже-переходом, возникающим при заполнении К-оболочки, когда вакансия на ней возникает либо за счет ударной ионизации ионами (максимум на энергии 5,7 кэВ наблюдался на временах 140-190 и 530-740 не после создания плазмы), либо за счет конверсии (такой же максимум наблюдался на временах 90-120 не). Зарегистрированные в последнем временном интервале оже-переходы являлись еще одним подтверждением произошедшего конверсионного распада ядерного состояния.

Полученное в экспериментах количество возбужденных ядер по порядку совпадает с выполненными в приближении плазмы как абсолютно черного тела теоретическими оценками по механизму фотопоглощения (0,2 ядра на лазерный выстрел). Однако попытка расчета эффективности фотопоглощения, основанная на экспериментальных оценках светимости плазмы, приводит к значительному (на несколько порядков) расхождению теории с экспериментом, причем теория дает заниженное значение. Это говорит о неполноте существующих на настоящий момент моделей возбуждения низколежащих ядерных состояний и необходимости их развития.

Таким образом, по диссертационной работе можно сделать следующие выводы.

1. Была разработана методика регистрации электронных спектров в режиме счета одиночных электронов с временным разрешением при облучении внешней мишени излучением плазмы фемтосекундного лазерного импульса умеренной интенсивности, а также определены границы ее применимости.

2. С помощью разработанной методики зарегистрированы максимумы в электронном

5 7 спектре Ре после воздействия на него излучения плазмы фемтосекундного лазерного импульса с интенсивностью 1017 Вт/см2. Максимумы на энергии 13,6 и 7,2 кэВ, возникающие на временах <120 не после создания плазмы, интерпретированы как результат внутренней электронной конверсии при распаде возбужденного состояния изотопа 57Ре с энергией 14,4 кэВ и временем жизни 98 не. Максимум на энергии 5,7 кэВ, возникающий в это же время, а также в интервалах 140-190 и 530740 не после создания плазмы, интерпретирован как результат оже-перехода при заполнении вакансии на К-оболочке, появляющейся в первом случае из-за внутренней электронной конверсии на эту оболочку, а во втором - как результат ударной ионизации ионами плазмы.

3. Показано, что основной вклад в максимумы в электронном спектре, соответствующие распаду ядерного состояния изотопа 57Ре, обеспечивает фотопоглощение рентгеновского излучения плазмы.

4. Измерена энергетическая зависимость и оценено абсолютное значение (10 4 барн/эВ-стер) дифференциального сечения ионизации К-оболочки атома Ре протонами с передачей более половины энергии налетающих частиц к выбиваемым электронам при энергиях первых от 10 до 18 кэВ. Полученные результаты по существенно неупругой ударной ионизации могут быть использованы для тестирования теорий ударной ионизации при экстремальных долях энергии, передаваемой от налетающего иона к выбиваемому электрону.

11 2

5. Показано, что наличие малоинтенсивного (—10 Вт/см ) короткого предымпульса, опережающего основной фемтосекундный импульс на 10 не, обеспечивает эффективное ускорение многозарядных ионов основного материала мишени горячими электронами плазмы и подавление ускорения ионов водорода и кислорода.

1. Strickland D., Mourou G. Compression of amplified chirped optical pulses // Optics Communications. 1985. T. 56. № 3. C. 219-221.

2. Yanovsky V. и др. Ultra-high intensity- 300-TW laser at 0.1 Hz repetition rate // Optics Express. 2008. T. 16. №3. C. 2109.

3. Ledingham K.W.D., Galster W. Laser-driven particle and photon beams and some applications // New Journal of Physics. 2010. T. 12. № 4. C. 45005.

4. Басов Н.Г., Лебо И.Г., Розанов В.Б. Физика лазерного термоядерного синтеза. М.:1. Знание, 1988.

5. Korobkin V., Romanovsky М. Laser thermonuclear fusion with force confinement of hotplasma// Physical Review E. 1994. T. 49. № 3. C. 2316-2322.

6. Cowan Т.Е. и др. Photonuclear Fission from High Energy Electrons from Ultraintcnse Laser

7. Solid Interactions // Physical Review Letters. 2000. T. 84. № 5. C. 903 LP 906.

8. Tabak M. и др. Ignition and high gain with ultrapowerful lasers // Physics of Plasmas. 1994.1. Т. 1. № 5. C. 1626-1634.

9. Tabak M. и др. Review of progress in Fast Ignition // Physics of Plasmas. 2005. T. 12. № 5.1. C. 57305-57308.

10. Basko M.M. New developments in the theory of ICF targets, and fast ignition with heavy ions

11. Plasma Physics and Controlled Fusion. 2003. T. 45. № 12A. С. A125-A132.

12. Bychenkov V.Y. и др. Fast ignitor concept with light ions // Plasma Physics Reports. 2001. T. 27. № 12. C. 1017-1020.

13. Аскарьян Г.А. Вспышки фотоядерных реакций при воздействии мощных ультракоротких световых импульсов на вещество // Письма в ЖЭТФ. 1988. Т. 48. № 4. С. 179.

14. Воуег К., Luk Т., Rhodes С. Possibility of optically induced nuclear fission // Physical Review Letters. 1988. T. 60. № 7. C. 557-560.

15. Takabe II. Laser Nuclear Physics. Introduction to Laser Nuclcar Physics // Journal of Plasma and Fusion Research. 2001. T. 77. № 11. C. 1097-1104.

16. Yoneda H. Laser Nuclear Physics. Recent Research Work on Ultra-High-Power Laser Plasma Aiming at Nuclear Physics // Journal of Plasma and Fusion Research. 2001. T. 77. №11. C. 1105-1114.

17. Habs D. Laser acceleration of electrons and ions and intense secondary particle generation // Progress in Particle and Nuclear Physics. 2001. T. 46. № 1. C. 375-377.

18. Norreys P.A., Krushelnick K.M., Zepf M. PW lasers: matter in extreme laser fields // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2004. T. 46. № 12В. С. B13-B21.

19. Salamin Y.I. и др. Relativistic high-power laser-matter interactions // Physics Reports. 2006. T. 427. № 2-3. C. 41-155.

20. Izawa Y., Yamanaka C. Production of 235Um by nuclear excitation by electron transition in a laser produced uranium plasma // Physics Letters В. 1979. 'Г. 88. № 1 -2. C. 59-61.

21. Андреев А.В. и др. Инициирование низкоэнергетических ядерных переходов в лазерной плазме // препринт №IBRAE-2002-22. 2002.

22. Легохов B.C. К проблеме у-лазера на ядерных переходах // ЖЭТФ. 1973. Т. 64. С. 1555-1567.

23. Андреев А.В., Гордиенко В.М., Савельев-Трофимов А.Б. Ядерные процессы в высокотемпературной плазме, индуцируемой сверхкоротким лазерным импульсом // Квантовая электроника. 2001. Т. 31. № 11. С. 941-956.

24. Ривлин JT.A. Общие критерии осущсспшмосш ядерного гамма-лазерного эксперименiа // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. № 7. С. 587-592.

25. Chen L.X. и др. Capturing a photoexcited molecular structure through time-domain x-ray absorption fine structure. // Science (New York, N.Y.). 2001. T. 292. № 5515. C. 262-4.

26. Rischel С. и др. Femtosecond time-resolved X-ray diffraction from laser-heated organic films // Nature. 1997. T. 390. № 6659. C. 490-492.

27. Groot J. de и др. Target optimization of a water-window liquid-jet laser-plasma source // Journal of Applied Physics. 2003. T. 94. № 6. C. 3717.

28. Jansson P.A.C., Vogt U., Hertz H.M. Liquid-nitrogen-jet laser-plasma source for compact soft x-ray microscopy // Review of Scientific Instruments. 2005. T. 76. № 4. C. 043503.

29. Wieland M. и др. EUV and fast ion emission from cryogenic liquid jet target laser-generated plasma. : Springer Berlin / Heidelberg, 2001.

30. Rousse A., Rischel C., Gauthier J.-C. Femtosecond x-ray crystallography // Reviews of Modern Physics. 2001. T. 73. № 1. C. 17-31.

31. Dtisterer S. и др. Optimization of EUV radiation yield from laser-produced plasma // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2001. T. 73. № 7. C. 693-698.

32. Hayden P. и др. 13.5 nm extreme ultraviolet emission from tin based laser produced plasma sources // Journal of Applied Physics. 2006. T. 99. № 9. C. 093302.

33. Kutzner J. и др. Efficient high-repetition-rate fs-laser based X-ray source // Applied Physics B: Lasers and Optics. 2004. T. 78. № 7-8. C. 949-955.

34. Andreev А. и др. Enhancement of x-ray line emission from plasmas produced by short high-intensity laser double pulses // Physical Review E. 2002. T. 65. № 2.

35. Laska L. и др. Laser induced direct implantation of ions // Czechoslovak Journal of Physics. 2000. T. 50. №S3. C. 81-90.

36. Волков P.B. и др. Имплантация высокоэнергетичных ионов под действием фемтосе-кундного лазерного излучения // Квантовая электроника. 2005. Т. 35. № 33. С. 33-37.

37. Petrov G.M., Davis J., Velikovich A.L. Neutron production from high-intensity laser-cluster induced fusion reactions // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2006. T. 48. № 12. C. 1721-1739.

38. Fritzler S. и др. Proton beams generated with high-intensity lasers: Applications to medical isotope production // Applied Physics Letters. 2003. T. 83. № 15. C. 3039.

39. Malka V. и др. Practicability of protontherapy using compact laser systems // Medical Physics. 2004. T. 31. №6. C. 1587.

40. Ledingham K.W.D., Galster W., Sauerbrey R. Laser-driven proton oncology a unique new cancer therapy? // The British journal of radiology. 2007. T. 80. № 959. C. 855-8.

41. Андреев A.A. и др. Генерация рен п еновско-го излучения и быстрых частиц высокоинтенсивными лазерными импульсами // Известия АН, серия физическая. 1999. № 63. С. 1237-1252.

42. Meyerhofer D.D. и др. Resonance absorption in high-intensity contrast, picosecond laserplasma interactions // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1993. T. 5. № 7. C. 2584-2588.

43. Forslund D.W. и др. Theory and simulation of resonant absorption in a hot plasma // Physical Review A. 1975. T. 11. № 2. C. 679 LP 683.

44. Forslund D.W., Kindel J.M., Lee K. Theory of Hot-Electron Spectra at High Laser Intensity // Physical Review Letters. 1977. T. 39. № 5. C. 284 LP 288.

45. Андреев A.A. и др. Нагрев плотной плазмы сверхкоротким лазерным импульсом в режиме аномального скин-эффекта // ЖЭТФ. 1992. Т. 101. № 6. С. 1808.

46. Gibbon Р., Förster Е. Short-pulse laser plasma interactions // Plasma Physics and Controlled Fusion. 1996. T. 38. № 6. C. 769.

47. Gibbon P., Bell A.R. Collisionless absorption in sharp-edged plasmas // Physical Review Letters. 1992. T. 68. № 10. C. 1535 LP 1538.

48. Chen L.M. и др. Hot electron generation via vacuum heating process in femtosecond lasersolid interactions // Physics of Plasmas. 2001. T. 8. № 6. C. 2925-2929.

49. Гулькаров И.С. Исследование ядер электронами. М.: Атомиздат, 1977.

50. Айзенберг И., Грайнер В. Механизмы возбуждения ядра. М.: Атомиздат, 1979.

51. Ахиезер А.И. Ситенко А.Г., Тартаковский В.К. Электродинамика ядер. Киев: Наукова думка. 1989.

52. Гольданский В.И., Намиот В.А. О возбуждении изомерных ядерных уровней лазерным излучением по механизму обратной внутренней электронной конверсии // Письма в ЖЭТФ. 1976. Т. 23. № 9. С. 495.

53. Гольданский В.И., Намиот В.А. О возбуждении изомерных ядерных уровнейлазерпым излучением по механизму обратной внутренней электронной конверсии // Ядерная физика. 1981. Т. 33. № 2. С. 319-322.

54. Morita М. Nuclear Excitation by Electron Transition and Its Application to Uranium 235 Separation // Progress of Theoretical Physics. 1973. T. 49. № 5. C. 1574-1586.

55. Haight R.C., Baldwin G.C. Assessment of a method proposed for finding transfer levels for isomeric deexcitations // AIP Conference Proceedings. 1986. T. 146. № 1. C. 58-59.

56. Андреев А.В. и др. Возбуждение и распад низколежащих ядерных состояний в плотной плазме субпикосекундного лазерного импульса // ЖЭТФ. 2000. Т. 118. № 6. С. 1343.

57. Андреев А.В. и др. Возбуждение ядер в горячей плотной плазме: к возможности экспериментальных исследований с 201 Hg // Письма в ЖЭТФ. 1997. Т. 66. № 5. С. 331 -335.

58. Болынов JI.A., Арутюнян Р.В., Баранов В.Ю. Возбуждение ядер урана 235 в горячей плазме, создаваемой электронным пучком // Препринт ИАЭ-5087/6, М.: Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова. 1990. С. 8.

59. Большов J1.A. и др. Сечение возбуждения изомера 235U в плазме, создаваемой электронным пучком // Ядерная физика. 1991. Т. 53. № 1. С. 36-40.

60. Malka G. и др. Resonant nuclear excitation with high-energy lasers // Charged Particle Detection, Diagnostics, and Imaging / под ред. О. Delage, E. Munro, J.A. Rouse. : SPIE, 2001. C. 58-62.

61. Claverie G. и др. Search for nuclear excitation by electronic transition in 235U // Physical Review C. 2004. T. 70. № 4. C. 44303.

62. Bounds J.A., Dyer P. Search for nuclear excitation by laser-driven electron motion // Physical Review C. 1992. T. 46. № 3. C. 852.

63. Granja С. и др. Search for low-energy nuclear transitions in laser-produced plasma // Czechoslovak Journal of Physics. 2006. T. 56. № 0. С. B478-B484.

64. Gobet F., et al. Particle characterization for the evaluation of the 181 m Та excitation yield in millijoule laser induced plasmas // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 2008. T. 41. № 14. C. 145701.

65. Renner О. и др. Low-energy nuclear transitions in subrelativistic laser-generated plasmas // Laser and Particle Beams. 2008. T. 26. № 02. C. 249-257.

66. Gobet F. и др. Absolute energy distribution of hard x rays produced in the interaction of a kilohertz femtosecond laser with tantalum targets // Review of Scientific Instruments. 2006. T. 77. № 9. C. 93302.

67. Platonenko V.T. High-temperature near-surface plasma produced by ultrashort laser pulses // Laser Physics. 1992. T. 2. № 852.

68. Головин Г.В. и др. Наблюдение высокоэнергетичных электронов при облучении поверхности металлической мишени протонами со средней энергией 25 кэВ // Письма в ЖЭТФ. 2009. Т. 89. № 10. С. 584-588.

69. Rudd М. и др. Electron production in proton collisions with atoms and moleculcs: energy distributions // Reviews of Modern Physics. 1992. T. 64. № 2. C. 441-490.

70. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Теория поля. М.: Физматлит, 2006.

71. Kruer W.L., Estabrook К. Laser light absorption due to self-generated magnetic fields // Physics of Fluids. 1977. T. 20. № 10. C. 1688.

72. Гамалий Е.Г., Тихончук В.Т. О воздействии мощных ультракоротких импульсов света на вещество // Письма в ЖЭТФ. 1988. № 48. С. 413-415.

73. Спитцер Л. Физика полностью ионизованного газа. М.: Мир, 1965.

74. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1987.

75. Коротеев Н.И., Шумай И.Л. Физика мощного лазерного излучения. М.: Наука. 1991.

76. Giulietti D., Gizzi L. X-ray emission from laser-produced plasmas // RIVISTA DEL NUOVO CIMENTO. 1998. T. 21. № 10. C. 1-93.

77. Brunei F. Not-so-resonant, resonant absorption // Physical Review Letters. 1987. T. 59. № 1. C. 52 LP 55.

78. Gamaly E.G. Ultrashort powerful laser matter interaction: Physical problems, models, and computations // Laser and Particle Beams. 1994. T. 12. № 02. C. 185-208.

79. Андреев А.А., Мак А.А., Яшин B.E. Генерация и применение сверхсильных световых полей // Квантовая электроника. 1997. № 24. С. 99-113.

80. Kruer W.L., Estabrook К. J х В heating by very intense laser light // Physics of Fluids. 1985. T. 28. № l.C. 430-432.

81. Wilks S.C. и др. Absorption of ultra-intense laser pulses // Physical Review Letters. 1992. T. 69. №9. C. 1383 LP 1386.

82. Yu W. и др. Model for fast electrons in ultrashort-pulse laser interaction with solid targets // Physical Review E. 1998. T. 58. № 2. C. 2456-2460.

83. Ruhl H. и др. Collimated Electron Jets by Intense Laser-Beam-Plasma Surface Interaction under Oblique Incidence // Physical Review Letters. 1999. T. 82. № 4. C. 743-746.

84. Rax J.M. Compton harmonic resonances, stochastic instabilities, quasilinear diffusion, and collisionless damping with ultra-high-intensity laser waves // Physics of Fluids B: Plasma Physics. 1992. T. 4. № 12. C. 3962.

85. Amiranoff F. и др. Observation of Laser Wakefield Acceleration of Electrons // Physical Review Letters. 1998. T. 81. № 5. C. 995-998.

86. Tajima T., Dawson J. Laser Electron Accelerator // Physical Review Letters. 1979. T. 43. № 4. C. 267-270.

87. F Amiranoff. Fast electron production in ultra-short high-intensity laser-plasma interaction and its consequences // Measurement Science and Technology. 2001. T. 12. № 11. С. 1795.

88. Umstadter D. Relativistic laser plasma interactions // Journal of Physics D: Applied Physics. 2003. T. 36. № 8. C. R151-R165.

89. Варанавичюс А. и др. Зависимость выхода жесткого рентгеновского излучения из плотной плазмы от длины волны греющего сверхкороткого лазерного импульса // Квантовая электроника. 2000. № 30. С. 523-528.

90. Hatchett S.P. и др. Electron, photon, and ion beams from the relativistic interaction of Peta-watt laser pulses with solid targets // Physics of Plasmas. 2000. T. 7. № 5. C. 2076-2082.

91. Schnurer M. и др. Hard x-ray emission from intense short pulse laser plasmas // Physics of Plasmas. 1995. T. 2. № 8. C. 3106-3110.

92. Wharton K.B. и др. Experimental Measurements of Hot Electrons Generated by Ultraintense10*19 W/cmA2) Laser-Plasma Interactions on Solid-Density Targets // Physical Review Letters. 1998. T. 81. № 4. C. 822 LP 825.

93. Волков P.В. и др. Генерация жесткого рентгеновского излучения при облучении пористого кремния сверхинтенсивными фемтосекундными лазерными импульсами // Квантовая электроника. 1998. Т. 25. № 1. С. 3—4.

94. Волков Р.В. и др. Управление свойствами и диагностика фемтосскундной плотной плазмы с использованием модифицированных мишеней // Квантовая электроника. 1997. Т. 24. № 12. С. 1114-1126.

95. Sjogren А. и др. High-repetition-rate, hard x-ray radiation from a laser-produced plasma: Photon yield and application considerations // Review of Scientific instruments. 2003. T. 74. №4. C. 2300-2311.

96. Hagedorn M. и др. High-repetition-rate hard X-ray generation with sub-millijoule femtosecond laser pulses // Applied Physics B: Lasers and Optics. T. 77. № 1. C. 49-57.

97. Silva L.O. и др. Proton Shock Acceleration in Laser-Plasma Interactions // Physical Review Letters. 2004. T. 92. № 1. C. 15002.

98. Sentoku Y. и др. High energy proton acceleration in interaction of short laser pulse with dense plasma target // Physics of Plasmas. 2003. T. 10. № 5. C. 2009-2015.

99. Denavit J. Absorption of high-intensity subpicosecond lasers on solid density targets // Physical Review Letters. 1992. T. 69. № 21. C. 3052 LP 3055.

100. Badziak J. Production of ultrahigh ion current densities at skin-layer subrelativistic laserplasma interaction // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2004. T. 46. № 12В. С. B541.

101. Ditmire Т. и др. Nuclear fusion from explosions of femtosecond laser-heated deuterium clusters //Nature. 1999. T. 398. № 6727. C. 489-492.

102. Гуревич А.В., Парийская Jl.В., Питаевский Л.В. Автомодельное движение разреженной плазмы // ЖЭТФ. 1965. № 48. С. 647-654.

103. Borghesi М. и др. Fast Ion Generation by High-Intensity Laser Irradiation of Solid Targets and Applications // FUSION SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2006. T. 49. № 3. C. 412439.

104. Sentoku Y. и др. High-energy ion generation in interaction, of short laser pulse with high-density plasma//Applied Physics B: Lasers and Optics. 2002. T. 74. № 3. C. 207-215.

105. Волков P.В. и др. Формирование ионного тока высокотемпературной фемтосекунд-ной лазерной плазмы на поверхности мишени, содержащей примесный слой // Квантовая электроника. 2003. № 33. С. 981-986.

106. Hegelich М. и др. MeV Ion Jets from Short-Pulse-Laser Interaction with Thin Foils // Physical Review Letters. 2002. T. 89. № 8. C. 85002.

107. Begay F., Forslund D.W. Acceleration of multi-species ions in COsub 2. laser-produced plasmas: Experiments and theory // Physics of Fluids. 1982. T. 25. № 9. C. 1675-1685.

108. Dinger R., Rohr K., Weber H. Dynamics of recontamination of laser-cleaned metallic surfaces in laser-produced plasma experiments // Journal of Physics D: Applied Physics. 1984. T. 17. №8. C. 1707.

109. Allen M. и др. Direct Experimental Evidence of Back-Surface Ion Acceleration from Laser-Irradiated Gold Foils // Physical Review Letters. 2004. T. 93. № 26. C. 265004.

110. Медведев M.H. Сцинтилляционные детекторы. M.: Атомиздат, 1977.

111. Ахманов С.А., Выслоух В.А., Чиркин А.С. Оптика фемтосекундных лазерных импульсов. М.: Наука, 1988.

112. Iaconis С., Walmsley I.A. Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses // Opt. Lett. 1998. T. 23. № 10. C. 792-794.

113. Gordienko V.M. и др. Experimental characterization of hot electron production under femtosecond laser plasma interaction at moderate intensities // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2002. T. 44. № 12. C. 2555.

114. Hubbell J.H., Seltzer S.M. Tables of x-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 keV to 20 meV for elements z = 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest // 1995. C. Medium: P; Size: 116 p.

115. Чутко О.В. Квазирезонансное фотовозбуждение и конверсионный распад низкоэнергетических ядерных состояний в горячей плазме фемтосекундного лазерного импульса // 2004.

116. Holzer G. и др. K-al,2 and K-bl,3 x-ray emission lines of the 3d transition metals // Phys. Rev. A. 1997. T. 56. № 6. C. 4554-4568.

117. Zhavoronkov N. и др. Ultra-short efficient laser-driven hard X-ray source operated at a kHz repetition rate // Applied Physics B: Lasers and Optics. T. 79. № 6. C. 663-667.

118. Лачко И.М. Диагностика ионного тока горячей плотной плазмы, сформированной фемтосекундным лазерным импульсом: роль примесного слоя // 2006.

119. Смирнов Б.М. Отрицательные ионы. М.: Атомиздат, 1973.

120. Tallents G.J. An experimental study of recombination in a laser-produced plasma // Plasma Physics. 1980. T. 22. № 7. C. 709.

121. Летохов B.C. Накачка ядерных уровней рентгеновским излучением лазерной плазмы // Квантовая электроника. 1973. Т. 4. № 16. С. 125-127.

122. Arutyunian R.V. и др. Interaction of intense laser radiation with matter: excitation of atomic nuclei in hot plasma; decay of isomeric nuclei in intense external field // Therm.Phys.Rev. (Sov.Tech.Rev.B). 1992. T. 4. № 2. C. 1-65.

123. Ткаля E.B. Вероятность безрадиационного возбуждения ядер в атомных переходах // ЖЭТФ. 1992. № 102. С. 379-396.

124. Tkalya E.V. Nuclear excitation in atomic transitions (NEET process analysis) // Nucl.Phys. A. 1992. № 539. C. 209-222.

125. Ткаля E.B. О теоретической интерпретации экспериментальных результатов по возбуждению изомера 235mU (76,8 эВ) в плазме // Письма в ЖЭТФ. 1991. № 53. С. 441443.

126. Андреев А.В. и др. Возбуждение ядер тантала-181 в высокотемпературной фемтосе-кундной лазерной плазме // Письма в ЖЭТФ. 1999. Т. 69. № 5. С. 371-376.

127. Андреев А.А. и др. Определение радиационных сечений низкоэнергетических переходов изомерных ядер по наблюдению лазерно-индуцированной гамма-флюоресценции //ЖЭТФ. 2001. Т. 121. № 5. С. 1004.

128. Afonin V., Kakshin A., Mazunin A. Experimental study of the excitation of rhodium isomer in a plasma produced by a picosecond laser pulse // Plasma Physics Reports. 2010. T. 36. № 3. C. 250-255.

129. Kondev F. Nuclear Data Sheets for A = 201 // Nuclear Data Sheets. 2007. T. 108. № 2. C. 365-454.

130. Basunia M.S. Nuclear Data Sheets for A = 187 // Nuclear Data Sheets. 2009. Т. 110. № 5. C. 999-1238.

131. Wu S. Nuclear Data Sheets for A = 181 // Nuclear Data Sheets. 2005. Т. 106. № 3. C. 367600.

132. Baglin C. Nuclear Data Sheets for A = 169 // Nuclear Data Sheets. 2008. T. 109. № 9. C. 2033-2256.

133. Wu S. Nuclear Data Sheets for A = 83 // Nuclear Data Sheets. 2001. T. 92. № 4. С. 136.

134. Balraj S. Nuclear Data Sheets for A = 73 // Nuclear Data Sheets. 2004. T. 101. № 2. C. 193323.

135. Bhat M. Nuclear Data Sheets for A = 57 // Nuclcar Data Sheets. 1998. T. 85. № 3. C. 415536.

136. Drescher M. и др. Time-resolved atomic inner-shell spectroscopy // Nature. 2002. T. 419. № 6909. C. 803-807.

137. Wang W. и др. Angular and energy distribution of fast electrons emitted from a solid surface irradiated by femtosecond laser pulses in various conditions // Physics of Plasmas. 2010. T. 17. № 2. C. 023108-8.

138. Letokhov V., Yukov E. Excitation of Isomeric Low-Lying Levels of Heavy Nuclei in a Laser-Produced Plasma // Laser Physics. 1994. T. 4. № 2. C. 382-386.

139. Cohen R.L., Miller G.L., West K.W. Nuclear Resonance Excitation by Synchrotron Radiation // Physical Review Letters. 1978. T. 41. № 6. C. 381 LP 384.

140. Kibedi Т. и др. Evaluation of theoretical conversion coefficients using Brlcc // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2008. T. 589. № 2. C. 202-229.

141. Band I.M. и др. Dirac-Fock Internal Conversion Coefficients // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 2002. T. 81. № 1-2. C. 1-334.

142. Sevier K.D. Low Energy Electron Spectrometry. New York: Wiley-Interscience, 1972.

143. Larkins F. Semiempirical Auger-electron energies for elements 10<Z<100 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1977. T. 20. № 4. C. 311-387.

144. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: Физматлит, 2006.

145. Маркин Н.С. Основы теории обработки результатов измерений. М.: Издательство стандартов, 1991.

146. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика. М.: Финансы и статистика, 1983.

147. Ватутин В.А. и др. Теория вероятности и математическая статистика в задачах. М.: Дрофа, 2003.

148. Junde Н. Nuclear Data Sheets for A = 56 // Nuclear Data Sheets. 1999. T. 86. № 2. C. 315424.

149. Фогель Я.М. и др. О применимости адиабатической гипотезы Месси к процессам двойной перезарядки //ЖЭТФ. 1958. Т. 35. С. 565-573.

150. Risley J., Geballe R. Absolute HA{-} detachment cross sections // Physical Review A. 1974. T. 9. № 6. C. 2485-2495.

151. Williams J. Cross Sections for Double Electron Capture by 2-50-keV Protons Incident upon Hydrogen and the Inert Gases // Physical Review. 1966. T. 150. № 1. C. 7-10.

152. McClure G. Double-Electron Capture by Protons in H2 Gas // Physical Review. 1963. T. 132. №4. C. 1636-1637.

153. Фогель Я.М. и др. Захват и потеря электрона при столкновениях быстрых атомов водорода с молекулами газов // ЖЭТФ. 1959. Т. 34. С. 579-592.

154. Пилипенко Д.В., Фогель Я.М. Захват и потеря электрона при прохождении быстрых атомов водорода в молекулярных газах // ЖЭТФ. 1962. Т. 42. С. 936-943.

155. Фогель Я.М., Митин Р.В. Образование отрицательных ионов водорода при столкновениях протонов с молекулами газов // ЖЭТФ. 1956. Т. 30. С. 450-457.

156. Фогель Я.М., Анкудинов В.А., Слабосгшцкий Р.Е. Потеря двух электронов при однократных столкновениях отрицательных ионов водорода с молекулами газов // ЖЭТФ. 1957. Т. 32. С. 453-462.

157. Sticr P., Barnett С. Charge Exchange Cross Sections of Hydrogen Ions in Gases // Physical Review. 1956. T. 103. № 4. C. 896-907.

158. Rudd M.E., Gregoire D., Crooks J.B. Comparison of Experimental and Theoretical Values of Cross Sections for Electron Production by Proton Impact // Physical Review A. 1971. T. 3. № 5. C. 1635 LP 1640.

159. Vriens L. Binary-encounter proton-atom collision theory // Proceedings of the Physical Society. 1967. T. 90. № 4. C. 935.

160. Inokuti M. Inelastic Collisions of Fast Charged Particles with Atoms and Molecules The Bethe Theory Revisited // Reviews of Modern Physics. 1971. T. 43. № 3. C. 297 LP - 347.

161. Gryzinacuteski M. Classical Theory of Electronic and Ionic Inelastic Collisions // Physical Review. 1959. Т. 115. № 2. C. 374 LP 383.

162. Reinhold C.O., Olson R.E. Classical two-center effects in ejected-electron spectra from p+, p-, and He2+-He collisions at intermediate energies // Physical Review A. 1989. T. 39. № 8. C. 3861 LP- 3870.

163. Abrines R., Percival I.C. Classical theory of charge transfer and ionization of hydrogen atoms by protons // Proceedings of the Physical Society. 1966. T. 88. № 4. C. 861.

164. Ландау Л.Д., Лившиц E.M. Квантовая механика. Нерелятивистская теория. М.: Физматлит, 2001.

165. Mukoyama Т., Lin C.-D., Fritsch W. Calculations of the energy distribution of electrons ejected in ion-atom collisions using pseudostates // Physical Review A. 1985. T. 32. № 4. C. 2490 LP 2493.

166. Rudd M.E. и др. Electron production in proton collisions: total cross sections // Reviews of Modern Physics. 1985. T. 57. № 4. C. 965 LP 994.

167. Glauber R.J. Lectures in Theoretical Physics, Vol. I. New York: Interscience, 1959.

168. Franco V. Diffraction Theory of Scattering by Hydrogen Atoms // Physical Review Letters. 1968. T. 20. № И. C. 709 LP 712.

169. McGuire J.H. Ionization of atomic hydrogen by bare ions with charges 1 to 6 in the Glauber approximation // Physical Review A. 1982. T. 26. № 1. C. 143 LP 147.

170. Ryufuku H. Ionization, excitation, and charge transfer for impacts of H+,Li3+, B5+, C6+, and Si 14+ ions on atomic hydrogen // Physical Review A. 1982. T. 25. № 2. C. 720 LP -736.

171. Fainstein P.D., Ponce V.IL, Rivarola R.D. Electron emission from multielectronic atoms by ion impact at intermediate and high energies // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 1989. T. 22. № 8. C. 1207.

172. Fainstein P.D., Ponce V.H., Rivarola R.D. Two-centre effects in ionization by ion impact // Journal of Physics B: Atomic, Molecular and Optical Physics. 1991. T. 24. № 14. C. 3091.

173. Miller J.H. и др. Differential cross sections for ionization of water vapor by high-velocity bare ions and electrons//The Journal of Chemical Physics. 1987. T. 86. Jvlb 1. C. 157-162.

174. Inokuti M. и др. Analytic representation of secondary-electron spectra // The Journal of Chemical Physics. 1987. T. 87. № 12. C. 6967-6972.

175. Kim Y.K. Energy Distribution of Secondary Electrons I. Consistency of Experimental Data // Radiation Research. 1975. T. 61. № 1. C. 21-35.

176. Kim Y.K. Energy Distribution of Secondary Electrons: II. Normalization and Extrapolation of Experimental Data // Radiation Research. 1975. T. 64. № 2. C. 205-216.

177. Rudd M.E. Singly Differential Cross-Sections for Producing Secondary Electrons from Hydrogen Gas by keV to MeV Proton Collisions // Radiation Research. 1987. T. 109. № 1. C. 1-11.

178. Rudd M.E. Differential cross sections for secondary electron production by proton impact // Physical Review A. 1988. T. 38. № 12. C. 6129 LP 6137.

179. Бобыль А., Карманенко С. Физико-химические основы технологии полупроводников. Пучковые и плазменные процессы в планарной технологии. СПб.: Издательство Политехнического Университета, 2005.

180. Chen М.Н., Crasemann В., Mark Н. Relativistic radiationless transition probabilities for atomic K- and L-shells // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1979. T. 24. № 1. C. 13-37.

181. Головин Г.В. и др. Внутренняя электронная конверсия изомерного состояния с энергией 14.4 кэВ ядра 57Fe, возбуждаемого излучением плазмы мощного фемтосекунд-ного лазерного импульса // Квантовая электроника. 2011. Т. 41. № 3. С. 222.

182. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М.: Издательство Московского университета, 1998.