книги из ГПНТБ / Рэди, Дж. Действие мощного лазерного излучения

Другой проблемой, требующей дальнейшего рассмотрения, является рекомбинация ионов. В большинстве работ, обсуждав­ шихся выше, были обнаружены лишь однократно ионизованные частицы. Напротив, результаты, полученные методами оптической спектроскопии, указывают на присутствие ионов высокой крат­ ности в течение короткого отрезка времени непосредственно после окончания лазерного импульса. Следует напомнить, что обсуждавшиеся выше результаты были получены на некотором расстоянии от мишени после расширеиия вещества и спустя несколько микросекунд после действия лазерного импульса. При этих условиях могла произойти рекомбинация высоконоиизованиой компоненты. Согласно оценкам [59], время рекомбинации ионов алюминия с энергией 30 эВ в плазменном облаке диаметром 0,05 см приблизительно равно времени расширения. При плот­ ностях плазмы свыше 1018 см-3 коэффициенты рекомбинации, вычисленные для водородоподобиых ионов, оказываются порядка 10-3° дге) Где N e — электронная плотность. Скорость рекомби­ нации многократно ионизованных компонент должна возрастать примерно как 2'3 [60]. Тогда скорость рекомбинации однократно ионизованных атомов будет 1024 см-3-с-1, по крайней мере в на­ чальный момент. Скорость рекомбинации должна быть выше для более высоких плотностей и более высоких кратностей иони­ зации. Очевидно, что при таких условиях существует возможность для рекомбинации плазмы. В частности, можно было бы ожидать,' что к тому времени, когда ионы достигнут коллектора, отстоящего от мишени на несколько сантиметров, ионы высокой кратности уже рекомбинируют. Все измерения, основанные на использова­ нии коллекторов для сбора зарядов и на масс-спектрометрических методах, не свободны от указанного недостатка.

По существу в этих методах делается попытка исследовать процессы, происходящие во время взаимодействия, наблюдая за продуктами реакции через много времени после того, как реак­ ция полностью закончилась. Ценную информацию о температуре,' составе и плотности лазерной плазмы на ранних стадиях ее суще­ ствования дают другие методы диагностики, которые позволяют исследовать взаимодействие в тот момент, когда оно происходит. К этим методам относятся оптическая спектроскопия и оптическая интерферометрия. Полученные таким способом результаты будут подробно описаны ниже.

§ 3. ЭМИССИЯ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ

При больших интенсивностях падающего лазерного излучения материал, испаренный лазерным лучом, может быть почти полностью ионизованным [57]. При более низких интенсив­ ностях вещество ионизовано не полностью. Регистрация ней­

тральных частиц является более сложной задачей, чем обнаруже­ ние ионов. Нейтральные молекулы нельзя ускорить электрическим или магнитным полем, поэтому эксперименты типа описанных выше, в которых использовалась методика сбора зарядов на кол­ лекторе, не дадут никакой информации об образовднии нейтраль­ ных молекул.

В одном из экспериментов испарению подвергали тонкую алю­ миниевую пленку, нанесенную на стеклянную подложку. Интен­ сивность падающего излучения рубинового лазера с модулирован­ ной добротностью составляла примерно 10° Вт/'см2. Стеклянная подложка не повреждалась. Из оценки по толщине пленки и по размеру отверстия в покрытии полное число испаренных атомов на один лазерный импульс оказалось равным 5 • 101С. По величине заряда, собранного на коллекторе, было определено, что при этом образуется 7 ПО14 ионов. Отсюда вытекает, что степень ионизации несколько выше 1%.

Присутствие нейтральных молекул может быть обнаружено путем их ионизации электронным пучком и последующего анализа на масс-спектрометре. Однако такая методика не нашла широкого применения. Одна из трудностей заключается в том, что если материал мишени может конденсироваться (как, например, металл), то вещество осаждается на первой же поверхности, с которой оно соприкасается, и лишь относительно малое количе­ ство его доступно для масс-анализа 1). Ситуация противоположна той, которая имеет место в случае ионов, когда на коллектор с помощью электрического поля можно собрать достаточно боль­ шую долю образовавшихся ионов. При относительно низких интенсивностях лазерного излучения испаренное вещество будет содержать большую долю нейтральных частиц. При интенсивно­ стях падающего лазерного излучения порядка 10—50 МВт/см2 будет происходить десорбция находящихся на поверхности атомов газа, которые можно изучать масс-спектрометрическими методами. Здесь имеется то преимущество, что адсорбированные на поверх­ ности газы не будут конденсироваться на первой же холодной поверхности, с которой они сталкиваются, а будут оставаться в вакуумной системе и могут быть эффективно собраны.

Десорбцию газа под действием рубинового лазера с модули­ руемой добротностью изучали с помощью квадрупольного массспектрометра [61]. Нейтральные газы, удаленные с поверхности вольфрамовой мишени, проходили через электронный пучок, частично ионизовались, а образующиеся ионы ускорялись элек-

J)При достаточно высокой плотности пара его конденсация может происхо­ дить при газодинамическом расширении без участия холодной поверхно­ сти [169]. Анализ этого процесса конденсации в случае испарения металла

ввакуум под действием лазерного излучения проведен в [170]. — Прим. ред.

и мишеныо. Располагая между мишеныо и спектрометром фильтры, прозрачные в ультрафиолетовой области, удалось показать, что первый импульс в цуге обязан своим появлением ультрафиолето­ вому излучению, возникающему одновременно с лазерным импуль­ сом. Фильтр при этом полностью блокировал остальные импульсы

зал, когда мишень была горячей.

После идентификации молекул их энергия была определена по времени пролета. Энергия нейтральных молекул окиси углерода увеличивалась от 14 эВ прп интенсивности лазерного излучения около 10 МВт/см2 почти до 500 эВ при 140 МВт/см2. Энергии порядка 100 эВ сравнимы с энергиями ионов, образующихся при тех же условиях.

Эти результаты интересны для интерпретации взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердого тела. Маловероятно, чтобы нейтральные молекулы нагревались до температур порядка 105 К; в таком случае происходила бы их диссоциация. Возможное объяснение состоит в том, что происходят упругие столкновения

Различие в явлениях, описываемых в этом параграфе и в § 2, и. 4 этой главы, обусловлено тем, что рассматриваются разные диапазоны интенсивностей лазерного излучения и разные плот­ ности числа частиц.

Было проведено большое количество исследований образова­ ния плазмы с использованием различных методов диагностики, включая оптическую интерферометрию, оптическую спектроско­ пию, масс-спектроскопию и аналогичное описанному собирание заряда на коллектор. Эти измерения позволили выяснить множе­ ство новых экспериментальных деталей. Постановка большой части работ была мотивирована возможностью создания высоко­ температурной плазмы, в которой могут происходить термоядер­ ные реакции. В качестве мишеией использовались также частички из таких материалов, как твердый водород и гидрид лития, кото­ рые позволяют получить плазму, особенно подходящую для экзотермических реакций ядерного синтеза. Генерацию нейтронов, связанную, по-видимому, с процессами ядерного синтеза, фактиче­ ски уже наблюдали в лазерной плазме. Однако прогресс в направ­ лении создания практических термоядерных источников энергии с применением лазеров до сих пор шел медленно. Основное вни­ мание мы будем уделять физическим явлениям, наблюдаемым в лазерной плазме.

Для объяснения экспериментально наблюдаемых явлений было выполнено большое количество теоретических работ. В результате возникла достаточно согласованная картина процессов и взаимо­ действий, которые имеют место при падении мощного лазерного луча на металлическую поверхность. Мы опишем сначала экспе­ риментальные измерения, а затем теоретические работы, которые приводят к пониманию процессов нагрева и выброса вещества вследствие поглощения лазерного излучения.

1. Экспериментальные исследования

Имеется два существенно различных типа измерений, которые использовались при экспериментальном исследовании вещества, выброшенного под действием лазерного излучения. Измерения первого типа основаны на сборе вещества на некотором удалении от мишени после того, как взаимодействие излучения с веществом уже произошло. Эта методика была использована при масс-спектрометрических исследованиях и в опытах по сбору зарядов на коллектор. Другой тип измерений предназначается для исследования явлений в тот момент времени, когда они проис­ ходят. Соответствующие методики позволяют изучать вещество в процессе изменения его состояния. Они основаны на использо­ вании оптической спектроскопии и оптической интерферометрии.

процесса выброса испаренного вещества [64]. Временные развертки показали, что эмиссия вещества^под действием излучения лазера с пичковым миллисекундным импульсом происходит в виде струй, выбрасываемых синхронно с пичками. Покадровая съемка демон­ стрирует образование факела у поверхности мишени. Последова­ тельность кадров, показывающих расширение ярко светящейся плазмы, приведена на фиг. 4.19.

В обсуждении, проведенном в гл. 3, мы отмечали, что в режиме миллисекундного лазерного импульса энергия эффективно рас­ ходуется на вынос материала и лишь небольшая ее часть затра­ чивается на нагрев вещества после того, как оно уходит с поверх­ ности. Этот процесс можно рассматривать в основном как обычное испарение при температуре кипения материала. Скорости испа­ ренного вещества в факеле были измерены в работах [65, 66], где получены значения порядка 104 см/с. Эти величины согла­ суются со значениями тепловых скоростей частиц, испаряющихся с нагретой поверхности при нормальной температуре испарения. Как мы увидим, скорость границы испаренного вещества в случае лазера с модулированной добротностью составляет для атомов

в нормальной точке кипения. Проведенные измерения показывают, что явления, вызываемые излучением лазеров с модулированной добротностью и лазеров с обычным импульсом, различны. В случае лазеров с миллисекундным импульсом испарение происходит в нормальной точке кипения вещества х) и поверхность испарения движется в глубь материала со скоростью, приблизительно опре­ деляемой соотношением (3.40). Плотность выброшенного вещества не настолько велика, чтобы оно стало непрозрачным.

В случае мощных лазеров с модулированной добротностью существенную роль начинают играть другие явления. Они часто исследуются при помощи фотографических методов.

Одно из первых наблюдений процесса развития облака испа­ ренного вещества при действии импульса рубинового лазера с модулированной добротностью на мишень из углерода в воздухе проведено в [67]. В этом исследовании использовалась скоростная камера для покадровой съемки с временем экспозиции кадра 10 нс и варьируемой задержкой момента съемки относительно начала)*•

•*) Температура испаренного вещества зависит от интенсивности лазерного излучения и условий расширения пара; она не является константой и не связана непосредственно с температурой кипения нри нормальном дав­ лении. Приведенные выше цифры для энергии испаренных атомов при различных режимах облучения лишний раз показывают ошибочность допущения о том, что температуру на испаряемой поверхности можно положить равной температуре кипения.— Прим. ред.

лазерного импульса. Результаты съемки показывают, что яркий факел эмиссии возникает несколько позже максимума лазерного импульса длительностью 45 нс. Его яркость и протяженность возрастают в течение нескольких наносекунд, достигая максимума приблизительно через 120 нс после начала лазерного импульса. Затем факел довольно медленно угасает, продолжая существовать еще почти в течение микросекунды. Измерения пространственной

методом, согласуются с приведенными выше данными о скоростях, полученными по измерению времени пролета до коллектора зарядов. В дальнейшем мы обсудим связь скорости переднего фронта выброшенного вещества с температурой плазмы.

При изучении плазмы фотографическими методами выявилась сильная анизотропия ее расширения. Этот факт согласуется

срезультатами по измерению углового распределения испущенных ионов. Поток плазмы направлен в основном от поверхности мишени

смаксимальной скоростью в перпендикулярном направлении. Детали картины зависят от условий фокусировки, но на фото­ графиях всегда видно четкое анизотропное расширение от поверх­ ности мишени [69]. Направление движения выброшенного пара не зависит от угла, под которым лазерный луч падает на поверх­ ность.