2
Ь
Оглавление
Введение 5
Глава 1 Приборы и методики измерения 19
1.1 Измерение характеристик лазерного излучения........................... 19
1.1.1 Измерение коэффициента усиления слабого сигнала................. 23
1.2 Измерение электронной концентрации и экспозиционных доз, создаваемых импульсной рентгеновской пушкой ............................................. 24
1.3 Время-пролетная методика измерений параметров плазмы ................. 27
1.3.1 Анализатор энергетического спектра ионов........................ 28
1.3.2 Коллектор заряженных частиц..................................... 31
\ Глава 2 Разработка и исследование импульсных СО2-лазеров для
генерации мощных коротких импульсов 33
2.1 Формирование самостоятельного разряда в смеси СОг/Иг/Нс атмосферного и сверхатмосфериого давления................................................. 34
2.1.1 Схемы с формированием импульса напряжения дополнительным контуром ................................................................ 36
2.1.2 Возбуждение разряда в большом объёме среды атмосферного давления
с предыонизацией рентгеновским излучением. Усилительный модуль "Скат"
46
2.2 Характеристики разработанных СОг-лазеров.............................. 52
2.2.1 Задающий генератор ‘'Модуль ЗГ"................................. 52
2.2.2 Многомодовый генератор "КАТРАН"................................. 74
2.2.3 Широкоапертурный СО2 лазерный модуль импульсно-периодического действия "СКАТ"....................................................... 77
Глава 3 Формирование мощных импульсов С02-лазера в линейке
усилителей 81
3.1 Формирование импульса излучения с помощью электро-оптического затвора и
линейки усилителей. Установка ТИР-1................................... 85
з
3.2 Формирование импульсов в цепочке нелинейных поглощающих и усиливающих сред........................................................................ 90
3.2.1 Экспериментальные условия и описание оптической схемы .............. 91
3.2.2 Проблемы самовозбуждения усилительной линейки и
повторного импульса.................................................. 96
3.2.3 Энергия насыщения усилительной среды и просветление нелинейных
фильтров............................................................ 101
3.2.4 Формирование временных и энергетических характеристик импульса
излучения........................................................... 104
3.2.5 Теоретические модели и результаты расчета.......................... 111
3.3 Физические процессы, сопровождающие формирование мощных импульсов
СОг лазера................................................................ 127
3.3.1 Влияние когерентных эффектов на формирование временного профиля
импульса лазера в усилителе......................................... 129
3.3.2 Влияние самофокусировки излучения в ячейке SFe на формирование
импульса............................................................ 131
3.3.3 Преобразование излучения СОг лазера в коротковолновую область
спектра в нелинейных кристаллах..................................... 138
Глава 4 Исследования лазерной плазмы, создаваемой импульсами
излучения СО2 лазера 141
4.1 Результаты исследования плазмы с помощью импульсов длительностью
г сґ2 не при плотности мощности на облучаемых мишенях до 5 • 1014 Вт/см2 . 142
4.1.1 Исследование угловых характеристик рассеяния излучения основной
частоты............................................................. 143
4.1.2 Исследование спектра и формы импульса рассеянного плазмой излучения на основной частоте.................................................... 146
4.1.3 Измерение профилей температуры и электронной концентрации в за-
критической области по спектрам многозарядных ионов................. 150
4.2 Результаты исследования плазмы, создаваемой импульсами варьируемой в интервале т ~ 15-г80 не длительности............................................. 155
4.2.1 Облучение мишени и схема время-пролетных измерений.................. 156
4.2.2 Исследование эволюции ионного состава лазерной плазмы при ее разлстсібі
4.2.3 Характеристики ионной компоненты плазмы различных элементов при
острой фокусировке излучения q = 9 • 1013 Вт/см2 ................... 166
4
4.2.4 Характеристики ионной компоненты плазмы при плотности
мощности <7 = 3 • 1013 Вт/см2................................ 170
4.2.5 Характеристики ионной компоненты плазмы свинцовой мишени при плотности мощности д = (3 -г 9) • ДО10 Вт/см2...................... 177
4.3 Обобщение и обсуждение результатов. Эффективность лазерно-плазменного
генератора высокозарядных ионов.................................... 179
4.3.1 Сравнение с результатами численного моделирования нагрева и разлета
плазмы....................................................... 190
Глава 5 Лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов 202
Заключение 212
Литература 217
I
Введение
Объект исследования и актуальность темы. В последние годы в лазерной физике определился значительный прогресс, выраженный в фундаментальных разработках различных лазерных устройств и систем, предназначенных для генерации мощных и сверхмощных импульсов. Интенсивное развитие получили и прикладные задачи лазерной физики, такие как исследования взаимодействия излучения с плазмой. В настоящее время актуальной является реализация научных идей в области научно-технических применений. С этой точки зрения особенно перспективно, наряду с проведением научного исследования, завершение работы изготовлением опытных образцов оборудования и получение результатов внедрения в конкретную прикладную задачу. Ценность таких НИР состоит, с одной стороны, в объективном подтверждении надежности полученных физических результатов, которые положены в основу разработки, а с другой, в полезности и технического результата работы, представляющего собой прототип соответствующего устройства.
Одним из перспективных направлений лазерно-плазменных технологий является генерация сильноточных пучков высокозарядиых ионов. В качестве примера применения таких пучков можно привести следующие:
- источник высокозарядных ионов тяжелых элементов в форинжскторах ускорителей частиц;
- источник кластерных ионов и молекул, свойства которых активно исследуются в последнее время;
- источник пучков высокоиоиизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, данные необходимы в таких областях науки и техники как термоядерный синтез, физика ионосферы, астрофизика и собственно исследование самой лазерной плазмы;
- создание тонких, однородных пленок, например, для формирования тонкой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок;
- ионная имплантация с целью легирования полупроводников или изменения свойств поверхности материалов;
6
- формирование пучков ионов с определенным зарядовым состоянием с целью создания активной среды для рентгеновских лазеров.
Использование лазерного излучения для концентрации энергии в малых объемах, как было показано в рамках фундаментальных исследований в ФИАН, ВНИИЭФ, ИИИФА, МИФИ, ИАЭ им. И.В.Курчатова и других лабораториях мира, позволяет создать высокотемпературную плотную плазму (Те > 1 кэВ), которая, расширяясь в вакуум, представляет собой мощный поток заряженных частиц, занимающих малый объем в фазовом пространстве. Последующее разделение зарядов позволяет получать импульсный источник ионов рекордной яркости, превосходящий псе имеющиеся к настоящему времени. На рисунке 0.1 схематически изображены основные зоны, образующиеся в лазерной плазме, создаваемой мощным импульсом при фокусировке излучения на мишень. Область I - это окрестность критической плотности плазмы, вблизи которой поглощается основная часть энергии лазерного излучения. В области I существенна теплопроводность, поэтому, как показано на рисунке, харак-
Рис. 0.1. Изображение основных зон в лазерной плазме вблизи мишени.
терный размер этой области больше диаметра пятна фокусировки: О > с1/. В этой области происходит ионизация плазмы до максимального уровня. Следует отметить, что, как правило, время пролета иона через горячую зону I меньше или сравнимо с характерным временем
7
ионизации, поэтому стационарное значение ионного состава плазмы, соответствующее максимальной температуре, не достигается. Это особенно характерно для плазмы СОг лазера из-за низкой величины критической плотности для длинноволнового излучения. Что касается температуры плазмы в области критической плотности, то максимальное ее значение возрастает с ростом длины волны греющего излучения при фиксированных значениях других параметров лазерного импульса. В области II охлаждение плазмы за счет газодинамического разлета преобладает над нагревом, что приводит к рекомбинации ионов. По той же причине низкой плотности плазмы в зоне поглощения для СОг лазера рекомбинация при охлаждении плазмы в зоне II идет значительно медленнее, однако существенно меньше и исходное число ионов. В области III давление плазмы становится слишком мало, чтобы влиять на динамику разлета. Поэтому область III - это області» инерционного разлета. Несмотря на малую величину температуры электронов, рекомбинация ионов не идет до конца, т.е. до нейтральных атомов, а останавливается в результате подогрева электронной компоненты в процессе трехчастичной рекомбинации, т.е. степень ионизации плазмы, как принято говорить, "замораживается". Это явление и позволяет, в сущности, проводить экстракцию ионов на значительных (до нескольких метров) расстояниях от мишени. Суммируя сказанное с точки зрения выбора длины волны излучения для лазерно-плазменного генератора ионов, можно полагать, что для получения заданного числа частиц и их кратности ионизации принципиальной разницы между излучением с длиной волны 10.6 мкм и, например, 1.06 мкм нет. Выбор СОг -лазера в качестве драйвера для лазерно-плазменного генератора (ЛПГ) был продиктован, главным образом, его техническими преимуществами при создании мощных, частотных лазерных систем на момент начала работы. Лазерно-плазменный генератор высокоионизоваииых атомов и ядер является одновременно и источником коротковолнового излучения, использование которого для развития технологий производства микроэлектроники (фотолитография с помощью УФ излучения жесткой части спектра) в настоящее время интенсивно исследуется.
Исследования по генерации потоков ионов из лазерной плазмы, велись с 60-х годов |1-5] в качестве одной из диагностик лазерной плазмы. Целенаправленные же исследования по применению ионного потока лазерной плазмы из легких элементов при плотности мощности лазерного излучения / « 109 -г Ю12 Вт/см2 с использование N4 и СОг лазеров систематически проводились в ОИЯИ (Дубна), где СОг лазер был впервые применен в лазерном источнике ионов на форинжекторе синхрофазотрона [6-13], МИФИ (в том числе совместно с ИОФАН) (Москва) (14-48), ГНЦ РФ ИТЭФ (Москва) (49-53], и Мюнхенском Техническом университете (Германия) (54-56). Предметом создания лазерного источника многозарядных ионов тяжелых элементов со средним зарядом ионов Z > 20 являются исследования, проно-
8
димые при плотности мощности / « Ю13 *г 10“ Вт/см2 с использованием N(1, СОг и йодных лазеров в Институте физики и лазерного микросинтеза (Варшава, Польша), Институте физики (Прага, Чехия) |57-71], ЦЕРН (Женева Швейцария) [72-82) и ГНЦ РФ (Троицк) (см. по тексту диссертации).
Несмотря на достаточную широту исследований в этой области, имеющихся в литературе данных к началу данной работы было недостаточно для инженерно-физические разработки мощного источника высокононизованных частиц из лазерной плазмы. Имеющиеся до начала работы данные носили, в основном, общий характер сведений о плазме различных элементов и не были направлены на повышение эффективности самого источника ионов. В частности, актуальным для такой инженерно-физической разработки было получение данных о влиянии параметров лазерного импульса и условий облучения мишени (длительности излучения, диаметра пятна фокусировки, плотности мощности ) па эффективность лазерно-плазменного генератора высокононизованных частиц (количество частиц заданной кратности ионизации, стабильность характеристик). В данной работе такая задача решалась на примере создания высокоэффективного источника частиц для тяжелоиоииого инжектора в ускорители ЦЕРН [72] и ИТЭФ [53]. В первом случае необходимо производить пучки ионов РЬ25+ током в 10 мА и дтительностыо около 5 мке с частотой повторения 1 Гц, совпадающей с тактовой частотой ускорителя. Требуемые параметры лазера для тяжелононного инжектора ИТЭФ еще более высоки, поскольку генерируемые ионы должны обладать ионизационным состоянием близким к Не-подобному иону и более высоким средним током. Учитывая существенно более высокую яркость таких источников в сравнении с ранее приводимыми в литературе лазерными источниками ионов и более совершенные их технические характеристики, обоснованно назвать такие устройства лазерно-плазменными генераторами (ЛПГ) высокононизованных ионов.
Одним из важных разделов в поставленной программе разработки являлась сама лазерная система импульсно-периодического действия, способная генерировать импульсы необходимой мощности, стабильности и т.п. По условиям исследования она, очевидно, должна была обладать известной гибкостью с точки зрения изменения ее выходных характеристик для согласованной настройки параметров ионной компоненты плазмы. Оказалось, что использование в ЛПГ лазерного излучателя в режиме свободной генерации не позволяет решить проблему по ряд}' причин физического и технического свойства, описанных в диссертации: низкое качество пространственно-временных характеристик излучения, недостаточная эффективность экстракции излучения из среды СОг лазера, неуправляемая и большая длительность импульса излучения и, соответственно, низкая удельная мощность излучения,
9
хаотическое изменение интенсивности импульса вследствие самосинхронизации мод, недостаточно высокая воспроизводимость параметров в долговременном режиме и т.п. Все эти недостатки не позволяют успешно применить лазер такого типа в тяжелоиониом инжекторе, где требования к лазерному драйверу достаточно жестки. Высокое качество пространственно-временных характеристик и, одновременно, высокая эффективность устройства достигаются, как известно, в генератор-усилительной схеме формирования короткого импульса. Однако существующие на этот момент лазерные схемы, подобные используемой и в нашей лаборатории (раздел 3.1), сложны для работы в импульсно-периодическом режиме и недостаточно надежны при высоких ресурсах наработки.
Вместе с тем, теоретическое обоснование физических способов формирования мощных импульсов в усилительной и поглощающей среде, которые более просты технически, было дано в 60-х, 70-х годах прошлого столетия [83-94) на основе двухуровневой модели. Результатом явилось развитие лазерной техники укорочения импульсов для твердотельных лазеров. В частности, была реализована схема, где нелинейный поглотитель используется для сокращения длительности импульса, а усилитель компенсирует потери, которые в этом случае существенны. В отличие от таковой, возможно реализовать схему формирования импульса в цепочке нелинейного поглотителя и усилителя, где компрессия импульса происходит в процессе усиления. Возможность такой компрессии была показана расчетно-теоретически B.C. Летоховым для импульсов специальной формы. Экспериментальные и теоретические работы по систематическому исследованию распространения света в цепочке нелинейных резонансных сред поглотителя и усилителя отсутствовали для СОг лазеров до начала настоящей работы. Однако именно такой способ генерации мощного импульса СОг лазера для ЛПГ представляется наиболее привлекательным и актуален в данной разработке, также как и дня применений в спектроскопии, лазерохимин, зондировании атмосферы, нелинейных преобразователях света и т.п.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы явилось исследование плазмы, создаваемой СОг лазерными импульсами высокой мощности, для эффективной генерации высокозарядных ионов, разработка сильноточного источника тяжелых ионов. В соответствии с целью исследования были поставлены следующие задачи:
- исследование характеристик лазеров, работающими па базе самостоятельного разряда, и разработка импульсных СО2 лазерных модулей с высокими удельными характеристиками;
- исследование различных физических способов и лазсро-оптических схем для генерации мощного импульса СОг лазера с высоким качеством пространственно-временных
10
характеристик;
- исследование физических процессов, сопровождающих распространение импульсов излучения высокой мощности в резонансных поглощающих и усиливающих средах;
- исследование особенностей взаимодействия импульсов СО2 лазера с создаваемой ими плазмой в широком интервале плотности мощности на мишени;
- измерение параметров плазмы различных элементов, нагреваемой импульсами СО2 лазера при различных плотностях мощности излучения на мишени;
- определение зависимости характеристик ионной компоненты плазмы от параметров импульса излучения СО2 лазера и определение оптимальных условий облучения для получения ионов заданной кратности ионизации и потоком частиц;
- разработка и испытание лазерно-плазменного генератора ионов РЬ25+ импульсно-нериодического действия;
Научная новизна:
1. Впервые получены зависимости характеристик самостоятельного разряда атмосферного давления в смеси СОг/Нг/Не от содержания СО2 при высоких (>1 ГВт/л) уровнях электрической мощности, вложенной в разряд;
2. Замечено, что при удельной мощности вклада электрической энергии >1 МВт/см3 в однородный самостоятельный разряд атмосферного давления смесей с высоким содержанием СОг происходит нарушение оптической однородности активной среды, которое может эффективно использоваться для подавления ,,хвоста,,излучеиия СО2 лазера в режиме свободной генерации.
3. Получен рекордный удельный лазерный выход 145 МВт/л для импульсного СОг генератора, основанного на самостоятельном разряде атмосферного давлення;
4. Найдены условия надежно воспроизводимой одночастотной генерации в лазерном генераторе, построенном по гибридной схеме;
5. Исследованы характеристики насыщения нелинейных поглощающих ячеек с гексафторидом серы в широком интервале параметров СО2 лазерного импульса и определены условия их применимости для целей формирования короткого импульса;
11
6. Впервые получено сокращение длительности импульса С02 лазера до ~10 не при его распространении в резонансных средах нелинейного поглотителя и усилителя, экспериментально получены условия эффективной компрессии импульса и увеличения его интенсивности на выходе трехпроходового телескопического усилителя;
7. Экспериментально исследованы искажения пространственной формы пучка С02 лазера из-за самофокусировки в ЯГе, ограничивающие предельные характеристики нелинейной схемы формирования импульсов;
8. Обнаружено и исследовано влияние когерентного эффекта переходной оптической нутации на форму импульса излучения С02 лазера, распространяющегося в усилителе;
9. Различными экспериментальными методами показано, что эффект деформации профиля плотности плазмы под действием импульсов С02 лазера сильно влияет на характеристики плазмы при лазерных потоках > 1 • 1014 Вт/см2;
10. Получены подробные экспериментальные данные о характеристиках ионной компоненты плазмы тяжелых элементов (на примере свинца): потоках частиц в заданный телесный угол, их зарядовом составе, энергетических спектрах разлета. Такие данные обобщены для плотностей мощности С02 лазера на мишени в интервале q = 1*1012'т"б*1014 Вт/см2 для импульсов излучения различной формы и длительности, а также разных размерах пятна фокусировки.
12
Научная и практическая ценность.
1. Разработан СОг лазерный задающий генератор "Катран”, позволяющий излучать импульсы длительностью 30 нс на полувысоте и обладающий удельной выходной пиковой мощностью в 145 МВт с литра активного объема в режиме свободной генерации:
2. Создан одномодовый одночастотный СОг генератор импульсно-периодического действия с высоким качеством пространственно-временных характеристик, позволяющим эффективно использовать его в лазерно-оптических схемах формирования мощных импульсов;
3. Создан широкоапертурный СОг усилитель импульсно-периодического действия с активным объемом ~ 40 литров и полным усилением до Ь 2^4;
4. Создана лазерная установка, состоящая из задающего генератора, поглощающих ячеек с 8Рб и усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы СОг лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в импульсно-периодическом режиме с частотой 1 Гц;
5. Получено эффективное преобразование импульса С02 лазера длительностью 2 не во вторую гармонику с внутренней эффективностью по энергии ^80% в нелинейном кристалле ZnGeP2 при плотности мощности ~1 ГВт/см2;
6. Получены данные о кратности ионизации, плотности тока ионов и их энергетических распределениях для различных элементов мишени и различных импульсов излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой СО2 лазером.
7. Показано, что для плазмы, создаваемой СОг лазером с длительностью импульса > 10 нс:
(a) увеличение кратности ионизации плазмы свинцовой мишени достигается увеличением плотности мощности излучения лазера и размера пятна фокусировки, зависимость от длительности импульса- слабая;
(b) увеличение плотности тока ионов в нормальном к поверхности мишени направлении достигается путем сокращения длительности импульса излучения при постоянной энергии излучения с соответствующим сохранением плотности мощности на мишени за счет увеличения размера фокального пятна; средняя кратность ионизации ионов при этом меняется слабо.
13
8. Создан и испытан лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импульспо-периодического действия с выходом частиц за выстрел:
а 2.3-1014 частиц/стерад для РЬ25+ б 7.8-1015 частиц/стерад для А111+
9. Создана установка, позволяющая исследовать лазерную плазму, создаваемую импульсами СОг лазера при плотности мощности излучения до 2 • 1015Вт/см2.
Положения, выносимые на защиту:
1. В самостоятельном разряде в смеси С02/^/Не атмосферного давления напряженность электрического поля Е* в квазистационарной фазе зависит от содержания СОг рсо2 как: £’|кВ/см]~ 14 + 7рСо2-
2. Показано, что при распространении импульса СО2 лазера в цепочке нелинейных сред ЭГб и усилителя достигается шестикратное увеличение мощности лазера в сравнении с аналогичными условиями в режиме свободной генерации за счет компресии импульса; достижение эффекта возможно только при условии определенного согласования параметров импульса задающего генератора, поглощающей ячейки и эффективной длины усиления.
3. Показано, что при распространении излучения СО2 лазера в среде БРс из-за эффекта самофокусировки происходит пространственное искажение пучка, возрастающее с ростом давления ЭРб и интенсивности лазера, приводящее к расслоению пучка на концентрические кольцевые области, что является ограничительным фактором при компрессии импульса в формирующей цепочке поглощающих ячеек и усилителя.
4. Усиление импульса СОг лазера, удовлетворяющего условиям рЕ/їі > 1/тф > 1/Т2, приводит к появлению затухающих осцилляций интенсивности с частотой Раби, что ограничивает возможность сокращения импульса излучения в процессе усиления (тф-длительность фронта импульса, Т2-время релаксации поляризации, /і-дипольиьій момент, ^-напряженность ноля световой волны).
5. При воздействии на нелинейный кристалл Ъ\\Оо?2 импульсами С02 лазера длительностью 2 не при плотности мощности ГВт/см2 эффективность преобразования излучения во вторую гармонику достигает ^80% по энергии.
6. При облучении мишеней импульсами СОг лазера при плотности мощности в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов: низкозарядная и высокозарядная, отличающиеся средними кратностями ионизации, распределением скоростей и угловых характеристик разлета.
7. При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами СО2 лазера длительностью 15 не и плотностью мощности q ^ 1 • 1Ö14 Вт/см2 получена избирательность но кратности ионизации 50% для легких (А111+) и 15% для тяжелых элементов (РЪ25+), обусловленная тем, что ионизационное состояние плазмы не устанавливается для высокозарядиых ионов с потенциалом ионизации >0.5 кэВ.
8. При облучении свинцовой мишени импульсами СО2 лазера длительностью 15 не при диаметре пятна фокусировки ~ 150 мкм зарядность иона максимально представленного в спектре разлета по нормали к мишени зависит от плотности мощности как: ZPb = 2.7 ln q [Вт/см2] - 55.5.
9. При облучении свинцовой мишени импульсами СОг лазера длительностью 15 не при диаметре пятна фокусировки ^ 150 мкм плотность полного ионного тока пропорциональна энергии импульса и слабо зависит от его длительности: так для дрейфового расстояния 1 м j [мА/см2] =1.5 Е [Дж].
10. При облучении мишени импульсами СО2 лазера длительностью 15 не при плотности мощности q = 3 • 1013 Вт/см2 в расширяющейся плазме наблюдается отклонение максимума в угловом распределении ионов некоторых кратностей ионизации от направления нормали к поверхности мишени;
11. В результате проведенных исследований получена мощность импульса излучения СО2 лазера 5 ГВТ в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц;
12. При облучении мишеией импульсами СО2 лазера получен ионный выход за выстрел 7.51013 частиц/стерад для РЬ25+ и 2.61015 частиц/стерад для А111+ при долговременной работе лазерно-плазменного генератора.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих
конференциях:
- XII Европейская конференция но взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва 1978;
15
- Конференция по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, Звепигород-XX, 1983;
- Молодежная конференция по преобразованию энергии, Протвино, 1983;
- 3-є Всесоюзное совещание по высокотемпературной плазме. Дубна, 1983;
- Конференция по проблемам преобразования энергии", Москва, 1983; г., М., 1983,12-13
- XXII Европейская конференция но взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993;
- б-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 1993;
- XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996;
- б-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995;
- 7-я Международная конференция по ионным источникам, Тормина, Италия, 1997;
- 9-я Международная конференция по ионным источникам, Оуклэнд, Калифорния, США, 2001;
- 18-я Международная конференция по линейным ускорителям, ЬШАС-96, Женева, Швейцария, 1996;
- Международная конференция по физике плазмы, Ныо-Орлеан, США, 2000;
- 30-я Ежегодная конференция по аномальному поглощению, Оупгеи-Сити, Мэриленд, США, 2000, ;
- XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000;
- Международная конференция: IV Харитоновские тематические научные чтения, Са-ров, 2002;
- XXVII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 2002;
- ЕРАС-2002 Европейская конференция по ускорению частиц, Париж, 2002;
16
- XXX Звенигородская Конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2003;
- Л N11 ОиЬпа-2003 Международная конференция объединенного института ядерных
исследований, Дубна, 2003;
- ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорению частиц, Люцерна, Швейцария,
2004.
Личное участие автора в научных исследованиях, приведенных в работе, состоит в постановке задачи, выработке программы исследования, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов. В части расчетно-теоретических исследований участие автора осуществлялось при постановке задачи и сравнении результатов расчета с экспериментом, проведении отдельных расчетов.
Содержание работы.
Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и обзора литературы. Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность и новизна, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации диссертационного материала и о степени личного участия автора в работе. Описана структура диссертации и ее содержание.
В первой главе описаны приборы и методики для экспериментальных исследований, используемые в диссертации.
Во второй главе описаны способы возбуждения самостоятельного разряда в смеси СОг/Кг/Не атмосферного и сверхатмосферного давления. Основное внимание уделено способу создания разряда, разработанному при непосредственном участии автора диссертации и основанному на формировании импульса напряжения специальной формы дополнительными электрическими контурами. Способ отличается высокой мощностью вклада и воспроизводимостью характеристик, простотой и надежностью для активных объемов небольшой величины. Описаны характеристики семейства лазерных генераторов, основанных на описанном способе формирования однородного разряда и обладающих высокой пиковой мощностью.
Описана конструкция и характеристики широкоапертурного усилителя, работающего на основе самостоятельного разряда с предыонизацией рентгеновским излучением. Физико-технические решения, полученные ранее в ГНЦ РФ ТРИНИТИ, были заложены в основу конструкции усилителя и преследовали получение высоких лазерных характеристик и импульсно-периодическом режиме в сочетании со стабильностью их воспроизведения.
17
В третьей главе описаны две лазерные схемы формирования мощных импульсов СО2 ) лазера в линейке усилителей, позволяющие существенно улучшить качество лазерного пуч-
ка. Разработанные генераторы основаны на лазерных модулях, описанных в предыдущей главе. В первой схеме, считающейся традиционной, сигнал на входе в усилительную линейку формируется из импульса задающего генератора с помощью электро-оптического затвора. Схема, включающая несколько каскадов усиления, позволяет генерировать импульсы длительностью 2 не и энергией около 100 Дж. Другая схема, разработанная в ГНЦ РФ ТРИНИ-ТИ в рамках данной диссертации, базируется на нелинейных эффектах, сопровождающих распространение импульса света в нелинейных средах поглотителя и усилителя. Она позволяет реализовать условия компрессии импульса за счет самовоздействия излучения в резонансных средах. Простейшая конфигурация установки состоящая из задающего генератора, ячейки с 8Рб и усилительного модуля обеспечивает генерацию более 100 Дж излучения в импульсе длительностью 15 не. Важно, что схема допускает работу в импульсно-периодическом режиме с большим ресурсом наработки.
В главе также описаны исследования нелинейных эффектов, возникающих в поле мощных импульсов СО2 лазера. Одни из таких явлений, как самофокусировка лазерного пучка Ь в ЭГс и оптическая нутация в процессе усиления импульса, ограничивают предельные ин-
тенсивности на выходе схемы формирования. Другие эффекты, возникающие в нелинейных кристаллах ZnGeP2, могут быть использованы для эффективного преобразования частоты импульса СО2 лазера, что существенно расширяет область возможных применений разработанных генераторов.
В четвертой главе представлены исследования плазмы, нагреваемой импульсами СО2 лазера в широком интервале плотностей мощности на мишени: q = (3- 10ю *г 5-1014) Вт/см2. Используемые диагностики включают исследование излучения, рассеянного на основной частоте, излучения плазмы в рентгеновском диапазоне и время-пролетные измерения ионной компоненты плазмы. Полученные данные, с одной стороны, носят общий характер исследования плазмы, создаваемой излучением ССЬ лазера, а с другой содержат детальную информацию об ионных потоках плазмы для широкого диапазона лазерных параметров. Такие исследования с одновременной оптимизацией лазерных характеристик на максимальный ионный выход позволили реализовать высокие эффективности лазерно-нлазменного генератора высокозарядных ионов легких и тяжелых элементов.
Пятая глава посвящена описанию лазерно-плазменного генератора ионов, разработанного совместно с ИТЭФ и предназначенного для внедрения в тяжслоионныс инжекторы ускорителей, в частности, в рамках программы ТВН ИТЭФ.
18
В Заключении сформулированы основные результаты и даны выводы из работы, рассмотрена область возможного дальнейшего применения.
Обзор литературы по рассматриваемому предмету приводится в начале каждой главы диссертации.
Основные результаты диссертации содержатся в 53 работах, опубликованных в соавторстве.
I
19
к
Глава 1. Приборы и методики измерения
В этой главе описаны общепринятые методики измерений параметров лазерного излучения и плазмы, создаваемой импульсами лазера, которые развиты и успешно применялись в процессе выполнения работы. Специальные схемы измерений описаны в соответствующих главах работы по мере изложения материала.
1.1. Измерение характеристик лазерного излучения
і
Рис. 1.2. Осциллограмма импульса излучения СОг лазера, полученная с помощью пироэлектрического детектора и осциллографа ЛОТОС. Период калибровочного сигнала 1 не.
Регистрация формы лазерного импульса проводилось с помощью фотоприёмников, основанных на смещении носителей заряда световым импульсом и кристаллах германия р-типа [95] и пироэлектрических детекторов, работающих в режиме короткого замыкания [96,97]. Первые отличаются простотой изготовления в конструкциях различной приёмной
Рис. 1.1. Эскиз пироэлектрического детектора с высоким временным разрешением. 1-кристалл иЫЬОз; 2-изолятор; 3- металлический корпус; 4-широкополосиый разъём.
20
апертуры и применялись для регистрации импульсов излучения с временным разрешением 6т > 1 не. Лучшее временнбе разрешение обеспечивают детекторы из поляризованного кристалла ІЛОДОз малой емкости.
На рис. 1.1 показана конструкция используемого в работе детектора. Кристалл ниа-бата лития 1 с боковыми электродами имел размеры 5x3x1.5 мм и собственную ёмкость около 2 пФ, так что на нагрузке і?н=50 Ом временнбе разрешение детектора составляло 6т ~ 100 пс. На рис. 1.2 приведена осциллограмма импульса излучения с крутым передним фронтом, полученная с помощью описанного детектора. Чувствительность детектора составляла 5 ~ 2 • 10-7 В/Вт и линейность характеристики до ~5 В, которая проверялась в специальных измерениях (см. результаты на рис. 1.3). Амплитуда сигнала позволяла использовать сверхскоростные осциллографы типа ЛОТОС и СРГ-7 (полоса регистрации ^ 5 ГГц) без промежуточного усилителя, что существенно упрощает схему измерений и обеспечивает надежность результатов. Полученное временнбе разрешение позволило выполнить все нсоб-
Рис. 1.3. Зависимость амплитуды сигнала пироэлектрического детектора от интенсивности импульса излучения длительностью 30 НС, полученная методом калиброванных ослабителей.
Для регистрации импульсов низкой мощности использовался чувствительный детектор ФСГ-22 АЗ на основе фотосопротивления из легированного германия, охлаждаемого жидким азотом. На низкоомной нагрузке Яц=2 Ом детектор имеет временнбе разрешение около 10 не.
Энергия импульсов излучения СОг-лазера измерялась различными детекторами в зависимости от диапазона измерений. В интервалах 0.1 Дж-г1 Дж и 1 Дж-г100 Дж применялись серийные термопарные калориметры с различным порогом чувствительности и батареи таких детекторов. Для импульсов микроджоульиого уровня энергии был разработан пироэлектрический измеритель на основе керамики ЦТС-19. Конструкция такого детектора
ходимые измерения быстропротекающих сигналов.
І, ОТН.ЄД.
21
в комбинации с операционным усилителем позволяла регистрировать импульсы с энергией >100 нДж |98].
Восстановление пространственного профиля лазерного импульса осуществлялось интегрально по времени с помощью метода сенсибилизации фотопленки ИК излучением. Разработанная методика [208.312] использовала фотопленку ФТ-СК или ФТ-101, экспонируемую видимым светом от фотовспышки с определенной задержкой после облучения лазерным импульсом. При определенных уровнях подсветки и режиме проявления фотопленки характеристическая кривая почернения плёнки имеет вид, приведенный на рис. 1.4. Зависимость определялась методом калиброванных ослабителей с помощью импульса излучения наносе-кундной длительности, сформированного после предусилителя схемы, описанной в 3.1. Из характеристической кривой видно, что линейный динамический диапазон измерительной методики составляет ~ (10-г350)*10~3 Дж/см2. Почернение О, отложенное на кривой, отсчитывалось от уровня фоновой подсветки. Пространственное распределение плотности энергии в пучке лазера на установке ТИР, восстановленное таким образом, показано на рис. 1.5.
Рис. 1.4. Характеристическая кривая почернения фотоплёнки ФТ-СК от экспозиции импульса ИК-излучения.
Е, мДж/см'
Пространственное разрешение методики ограничено размерами зерна фотопленки и составляет ~ 10 мкм. Фотография пучка с дифракционной структурой, приведенная на рис. 1.6, качественно характеризует высокое пространственное разрешение методики измерений.
Отдельные измерения пространственного профиля пучка выполнены с помощью ИК-камеры ЗРІШСОіМ.
22
радиус, мм
I
Рис. 1.5. Пространственный профиль лазерного пучка, полученный методом сенсибилизации фотопленки импульсом ИК излучения.
Рис. 1.6. Фотография пространственного профиля лазерного пучка с дифракционной структурой.
23
1.1.1. Измерение коэффициента усиления слабого сигнала
Коэффициент усиления слабого сигнала в лазерных модулях измеряется с помощью пробного лазера, работающего на соответствующей длине волны, и детектора ФСГ-22 АЗ. В качестве пробного лазера может быть использован стандартный перестраиваемый по линиям генерации непрерывный СОг лазер в сочетании с модулятором. В наших измерениях используется пробный лазер на базе трубки низкого давления с импульсным питанием. Схема подобна трубке низкого давления, входящей в состав гибридного задающего генератора, описанного в 2.2.1. Типичный сигнал генерации такого лазера имеет форму, приведенную на рис. 1.7. Пиковая мощность не превышает сотни ватт и удовлетворяет условиям усиления в
І, ОТН.ЄД.
Рис. 1.7. Осциллограмма сигнала пробного СОг лазера.
МКС
режиме слабого сигнала. Коэффициент усиления слабого сигнала до находился по формуле 1.1:
<*,(<) = (1 /Ь) ■ 1п[Щ/10)) (1.1)
где Ь-длина усиления; /(<), /о-интсисивности усиленного и опорного сигналов, соответственно. Опорный сигнал пробного лазера на временном масштабе измерения коэффициента усиления можно считать постоянным (см. рис. 1.7). На рис. 1.8 приведено полученное по описанной методике временное поведение коэффициента усиления слабого сигнала в усилителе, описанном в разделе 3.2.1. Эффективная длина усиления доЬ в модуле достигает 4.2 в смеси газов СОг/Кг/Нс =4/1/5 атмосферного давления при удельном вкладе электрической энергии около 100 Дж/л-атм.
- Київ+380960830922