2. Многозарядные ионы

Исследования выхода многозарядных ионов из лазерной плазмы представляют не только чисто научный, но и практический интерес. Такие исследования позволяют судить о процессе рекомбинации ионов при разлете лазерной плазмы и выбирать оптимальные режимы воздействия лазерного излучения на вещество. Например, при создании лазерных масс-спектрометрических ионных источников присутствие в спектре линий многозарядных ионов нежелательно, в то время как при создании лазерного инжектора ионов для ускорительной техники проблема получения интенсивных пучков многозарядных ионов основная.

Ионные составы лазерной плазмы на поздних стадиях ее разлета и в момент ее образования значительно различаются. После окончания процесса рекомбинации в плазме регистрируется максимальное количество однозарядных ионов, а количество многозарядных монотонно снижается с ростом кратности заряда. С увеличением плотности потока лазерного излучения возрастают доля многозарядных ионов и максимальная кратность заряда. Перечисленные факты иллюстрируются экспериментальными данными, представленными в табл. 2.4. При максимальной плотности потока лазерного излучения q ( ~ 4•10 ¹⁰ Вт/см² ) и максимальном диаметре пятна фокусировки q (1,5•10^-2см) абсолютное количество эмиттируемых плазмой ионов было порядка 6 • 10¹⁴.

Зависимость абсолютного числа эмиттируемых ионов от плотности потока лазерного излучения и диаметра пятна фокусировки определялась выражением N ~q ^0.8 d².

Таблица 2.4. Относительный выход ионов разной зарядости из лазерной плазмы при различной плотности потока лазерного излучения

Ион	q=109Вт/см2			7∙109			1010					4∙1010
	1+	2+		1+	2+	3+	1+		2+	3+	4+	1+		2+	3+	4+	5+
Be	0,96		0,04	0,84	0,16	-		0,78	0,18	0,04	-		0,72	0,20	0,08	-		-
Al	0,95		0,05	0,74	0,17	0,09		0,7	0,19	0,10	0,01		0,66	0,20	0,11	0,03		-
Ti	0,96		0,04	0,67	0,22	0,09		0,6	0,25	0,12	0,03		0,53	0,27	0,13	0,05		0,02
Cu	0,95		0,05	0,72	0,18	0,10		0,69	0,18	0,08	0,05		0,66	0,20	0,08	0,06		-
Nb	0,96		0,04	0,68	0,21	0,11		0,62	0,23	0,12	0,03		0,52	0,26	0,14	0,05		0,03
W	0,94		0,06	0,72	0,19	0,09		0,68	0,21	0,11	-		0,60	0,23	0,14	0,03		-

В диапазоне плотностей потока лазерного излучения 10⁹ – 4∙10¹⁰ Вт/см² для шести элементов (Ве,Аl,Тi,Сu,NЬ и W) определен ионный состав плазмы после окончания процесса рекомбинации. Эти экспериментальные данные позволяют оценить начальную температуру лазерной плазмы. Полагая, что начальная температура плазмы связана с потенциалом ионизации максимальной кратности заряда соотношением Т ≈ (1/5) / (z_max), можно определить зависимость температуры плазмы от интенсивности лазерного излучения. Обработка результатов измерений, представленных в табл. 2.4, дает зависимость Т ~ q^0.5, которая достаточно хорошо согласуется с зависимостью Т~ q^4/9 для квазистационарного газодинамического разлета сгустка лазерной плазмы в вакууме.

Представляют интерес результаты, полученные при исследовании зависимости выхода многозарядных ионов при наличии в лазерной плазме других элементов. В экспериментах использовали образцы чистой меди, спектрального эталона латуни Л-62 (Со–62%; Zn–38%) и спектрального эталона стали типа 280-а с примесью меди 0,1%. Результаты исследований представлены в табл. 2.5. Плотность потока лазерного излучения составляла 5•10⁹ Вт/см ². Из табл. 2.5. видно, что во всех трех случаях вне зависимости от наличия других элементов и концентрации интересующего элемента (Cu) относительный выход многозарядных ионов практически одинаков.

Таблица 2.5. Относительный выход ионов меди при различной концентрации ее в образце

Ион	Вещество
	Чистая медь	Латунь Л-62 (меди 62%)	Сталь 280-а (меди – 0,1%)
Cu+	0,78	0,79	0,73
Cu2+	0,15	0,16	0,21
Cu3+	0,07	0,05	0,06