Лазерная плазма на поздних стадиях разлета: эксперимент, физика, масс-спектрометрия

Данная монография посвящена комплексному исследованию продуктов разлета лазерной плазмы. Изучена динамика формирования энергетических, зарядовых и пространственных спектров атомов, положительно и отрицательно заряженных частиц в лазерном факеле в широком диапазоне плотностей потока излучения. Сопоставляются результаты экспериментов по воздействию излучения от лазерных устройств, генерирующих различные длины волн -- 0,6943 мкм; 1,06 мкм, 11 10,6 мкм.
Экспериментально обнаружен и исследован ряд новых эффектов и закономерностей, позволивших предложить ряд моделей процессов ионизации, рекомбинации и ускорения в лазерной плазме на ранних стадиях развития. Показаны способы управления параметрами пучков частиц лазерной плазмы по количеству, зарядовому составу, геометрии разлета и энергетическому диапазону, что позволило создать ряд источников частиц для ядерно-физических экс-Периментов.

Об авторе
Сильнов Сергей Михайлович – доктор физико-математических наук, профессор. Автор более 150 публикаций. С 1966 по 2003 год работал в МИФИ, прошел путь от техника до главного научного сотрудника.

Введение

Разработка идеи использования сфокусированного на поверхность твердотельной мишени лазерного излучения большой интенсивности для образования и нагрева плазмы /1/ послужила мощным импульсом к зарождению и развитию фактически новой области физики - физики лазерной плазмы. Достижения современной квантовой оптики и лазерной техники стимулировали серьезный исследовательский интерес к изучению как фундаментальных процессов в лазерной плазме, так и решению ряда прикладных задач в том числе и такой важнейшей, как проблема управляемого термоядерного синтеза (УТС). К настоящему времени в результате большой серии экспериментальных и теоретических исследований удалось выявить роль и характер поглошения лазерного излучения в образующейся плазме, механизмов передачи энергии между различными компонентами, основные закономерности кинетики ионизационного состояния и динамики разлета лазерно-плазменного факела. Существенный вклад в экспериментальные исследования внесло, в частности, развитие и применение метода лазерной массспектрометрии /2,3/, позволившего определить зарядовый состав плазмы, закономерности протекания процессов ионизации, ускорения и рекомбинации в лазерной плазме. В результате многочисленных исследований установлено, что лазерная плазма является интенсивным эмиттером заряженных и нейтральных частиц: электронов, ионов и атомов. Проведено детальное изучение механизмов формирования энергетических спектров ионов и нейтралов, а также разработаны и технически реализованы лазерные источники частиц, нашедшие применение в работе ускорителей, циклотронов и масс-спектрометров. По результатам исследований лазерной плазмы совместными усилиями с ОИЯИ (г.Дубна), разработаны и успешно апробированы лазерные источники атомов и ионов для коллективного ускорителя тяжелых ионов (КУТИ), с помощью которого осуществлена загрузка и накопление ионов при инжекции в электронные кольца, в совместных работах МИФИ с ЛЯР ОИЯИ реализованы низкофоновый лазерно-плазменный источник ионов для высокочувствительного масс-спектрометра дня поиска сверхтяжелых элементов в природе и источники для циклотронов, усилиями ИТЭФ разрабатывается лазерный источник многозарядных ионов тяжелых элементов для инерциального термоядерного синтеза, совместно МИФИ и Сумским заводом электронных микроскопов была создана серия промышленных лазерных масс-спектромегров ЭМАЛ-l и ЭМАЛ-2.
Такие свойства лазерной плазмы, как быстрый вклад энергии, нестационарность процессов ионизации и рекомбинации, широкая вариантность начальных условий, существование больших градиентов концентраций и температур создают уникальные возможности для изучения параметров вещества в экстремальных условиях. Быстрое падение плотности и охлаждение лазерно-плазменного сгустка при разлете его в вакуум резко меняет характер ионизирующих процессов. При этом реализуются условия, характерные для образования отрицательно заряженных ионов.
Современная масс - спектрометрия является одним из наиболее тонких и чувствительных методов анализа вещества. Возможности масс-спектрометрического метода во многом определяются способом получения ионов, выбором оптимального способа извлечения и, формирования ионных пучков, а также максимально возможным соответствием свойств сформированного в источнике ионного пучка ионно-оптическим параметрам выбранного масс-спектрометра. Создание нового, современного метода анализа вещества невозможно без детальных исследований процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом, свойств ионной компоненты лазерной плазмы, выбора и создания оптимальных систем формирования ионного пучка, его транспортировки и оптимизации ионно-оптической схемы масс-спектрометра.
В 60-90-х годах была создана физическая
картина процессов взаимодействия лазерного излучения с веществом в широком диапазоне плотностей потока излучения, получены основополагающие результаты о свойствах лазерной плазмы, дана её подробная характеристика как эмиттера ионов, сформулированы требования к различным типам лазерных источников ионов для масс - спектрометрии, а некоторые из них успешно реализованы.
Исследования характеристик лазерного плазменного сгустка можно условно разбить на три направления:
1. Изучение интегральных и локальных характеристик частиц плазменного сгустка за время действия импульса излучения.
2. Динамика развития лазерно-плазменного факела на ранних стадиях разлета за времена сравнимые с воздействием излучения.
3. Изучение "Эмиссионных характеристик различных компонентов сгустка на поздних стадиях разлета.
В то время, как первые два направления дают информацию о совокупности быстропротекающих процессов в ядре и короне лазерно-плазменного факела и служат для построения процессов взаимодействия излучения с веществом, применение методов третьего направления дает возможность количественного анализа компонентного состава плазмы и является существенно необходимым дополнением для первых двух. Кроме того, детальные исследования параметров эмиссии атомных частиц на поздних стадиях разлета лазерной плазмы ориентируются на практическое использование ее в качестве источников частиц: многозарядных положительных ионов, электронов, отрицательно заряженных ионов, нейтральных атомов и кластеров.
Данная монография в основном посвящена описанию лазерной плазмы с использованием всех преимуществ третьего метода, а именно: исследованию продуктов взаимодействия мощного лазерного излучения с веществом на поздних стадиях разлета с построением картины формирования плазменного факела во время действия импульса излучения.