Управление параметрами источника жесткого рентгеновского излучения,

Управление параметрами источника жесткого рентгеновского излучения,
создаваемого мощным лазерным излучением с высокой частотой повторения
импульсов на поверхности расплавленного галлия
Иванов К.А.
Физический
факультет
Московского
государственного
университета
М.В.Ломоносова. 119991, Москва, Ленинские горы. iv_konst_an@rambler.ru
Известно, что плазма, формируемая мощным фемтосекундным лазерным
импульсом, является уникальным источником рентгеновского излучения.
Обычно в подобного рода экспериментах используются твердотельные мишени,
кластеры, струи и т.п. Однако, возможно использовать и поверхность жидкости.
Преимуществом такого типа мишени является отсутствие необходимости
сдвигать мишень после каждого лазерного выстрела. Кроме того, как показали
наши эксперименты, воздействуя на мишень лазерным импульсом
с
предымпульсом, опережающим основной импульс на несколько наносекунд,
можно повысить выход рентгеновского излучения из плазмы на два порядка.
В экспериментах в качестве источника лазерного излучения использовался
лазер на кристалле Ti:Sa (длительность импульса 60фс, длина волны 800нм,
энергия
каждого
импульса
1мДж,
частота
повторения
10Гц,
пиковая
интенсивность – 1017Вт/см2). Выключая ячейку Поккельса на выходе из
регенеративного усилителя мы получали лазерный импульс с предымпульсом,
опережающим основной импульс на 13нс. Амплитуда предымпульса изменялась
в диапазоне от 106, при использовании ячеек Поккельса на выходе и входе
регенеративного усилителя, до значений от 10 до 400. Лазерное излучение имело
либо p-, либо s- поляризацию и фокусировалось на поверхность мишени под
углом 45о. Мишень в виде расплавленного галлия (T=270С) находилась в
вакуумной камере, откаченной до давления 10-2торр. В экспериментах с частотой
повторения импульсов в 1кГц использовалась другая лазерная система на
кристалле Ti:Sa с длиной волны 800нм, длительностью импульса 100фс, энергия
каждого импульса 2мДж, частота повторения от 100 до 1000Гц.
На рис.1. представлена зависимость средней энергии горячих электронов от
контраста лазерного излучения. Видно, что параметры плазмы существенным
образом зависят от контраста лазерного импульса и в то же время не зависят от
поляризации излучения. Средняя энергия горячей электронной компоненты и
выход рентгеновского излучения в спектральный диапазон >6кэВ при значении
контраста ~50 составили 70±10кэВ и (2,7±0,7)10-6мДж соответственно, а при
значении контраста 106 – 17±3кэВ и (4±1)10-7мДж.
Наблюдался также рост интенсивности Кα(9,3кэВ) и Кβ(10,3кэВ) линий
галлия, при ухудшении контраста. Спектр излучения плазмы представлен на
рис.2. Присутствует также и Кα линия меди (8,4 кэВ). Появление этой линии
связано с тем, что кювета, наполненная галлием, выполнена из меди, которая
постепенно смешивается с веществом мишени.
2500
100
Ee, keV
60
Number of quants
p-polarization
s-polarization
solid target, p-pol
80
40
20
0
2000
1500
1000
500
0
10
1
2
10
3
4
5
10
10
10
laser pulse contrast
10
6
Рис.1. Зависимость средней энергии
горячей электронной компоненты от
контраста лазерного излучения
0
10
20
30
energy, keV
40
Рис.2. Спектр излучения плазмы.
Теневое фотографирование облака вещества, образующегося под действием
предымпульса, показало, что при энергии предымпульса в 20мкДж, что
соответствует контрасту лазерного импульса 50, к моменту прихода основного
импульса, размер области плазмы с плотностью ниже критической составляет
порядка 100мкм, а размер области с плотностью выше критической – порядка
10мкм.
Следовательно,
основной
импульс
взаимодействует
с
сильно
модифицированной под воздействием предымпульса поверхностью, что может
приводить к эффектам усиления локального поля. Это также объясняет
независимость параметров плазмы от поляризации лазерного излучения.
Был также проведён эксперимент по исследованию стабильности работы
такого источника при частоте повторения лазерных импульсов 1кГц. Было
показано, что без дополнительной фокусировки такой источник остаётся
стабильным около полуминуты, а при дополнительной фокусировке – до
нескольких часов непрерывной работы.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант # 07-02-00724-а.