Регистрация спектров горячей лазерной плазмы в диапазонах 8-10 A и 30-90 A

Лазерная плазма (ЛП) представляет огромный интерес для исследований как источник электромагнитного излучения различных спектральных диапазонов и различных частиц [1]. При воздействии лазерного излучения с плотностью от 10 ¹² Вт/см ² формируется ЛП, для которой характерен большой диапазон изменения, как плотности, так и температуры: плотность меняется от твердотельной плотности до вакуума, температура же варьируется в пределах от единиц эВ до нескольких кэВ. При таких параметрах плазмы, максимум ее излучения лежит в рентгеновском диапазоне длин волн, вследствие чего разработка и совершенствование рентгеновской диагностики плазмы является важным направлением исследований.

Рентгеновское излучение плазмы несет в себе информацию о таких параметрах плазмы, как температура электронной и ионной компонент плазмы, плотность и ионизационный состав плазмы, пространственное распределение температу-

ры и плотности плазмы и их эволюция во времени и пр. Одним из видов рентгеновской диагнос-тики[2] являются спектроскопические методы исследования [3]. Однако рентгеновские спектры многозарядных ионов характеризуются чрезвычайным обилием линий, а регистрация их происходит в ограниченном спектральном интервале. В силу этого при разработке спектрографов и диагностической аппаратуры на их основе требуется решение таких задач, как установление механизмов возбуждения спектров, расчет спектроскопических характеристик многозарядных ионов с точностью, гарантирующей надежную идентификацию экспериментальных данных.

В настоящей работе представлены результаты разработки и создания диагностических каналов на основе рентгеновских спектрографов, и результаты экспериментов по изучения рентгеновских спектров лазерной плазмы твердотельных мишеней в диапазонах 30-90 А и 8-10 А. Анализ линий рентгеновского спектра излучения лазерной плазмы в указанных выше диапазонах позволяет определить электронную плотность и температуру лазерной плазмы, кратность ионизации.

• 2.    ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ КАНАЛЫ

  2.1.    Канал на основе спектрографа скользящего падения (GIS-S)

2.2.    Канал на основе спектрографа по схеме Иоганна 3.    ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

GIS-S представляет собой специально разработанный в отделении Оптики ФИАН компактный ВУФ спектрограф скользящего падения [4]. Для регистрации интегральных по времени спектров использовалась ПЗС-линейка TCD1304A с люминофором на базе P-46 , размер зерна которой составлял 3 мкм, а размер ячейки – 8х200 мкм. Использование внероуландовской схемы регистрации позволило значительно упростить

Рис.1. Схема работы спектрографа GIS-S процедуру установки и юстировки прибора. В используемой схеме спектрограф был съюстирован таким образом, чтобы центральная длина волны составляла X 0 = 80 А. Спектральный интервал, в котором дефокусировка была пренебрежимо мала, был не меньше 50 А.

Спектрограф состоит из цилиндрического корпуса высотой h = 20 см, радиусом R = 14 см, в боковой стенке которого имеется входное отверстие круглого сечения; крышкой спектрографа служит одна из торцевых стенок цилиндра.

В качестве материала кристалла использована слюда ( 2d = 19,84 А). Кристалл изогнут в сагиттальном и меридиональном направлениях по радиусу R = 100 мм. В наших экспериментах расстояние от мишени до кристалла составило l = 520 мм.

Выбор геометрии расположения кристалла относительно источника диктуется условиями эксперимента (необходимостью размещения одновременно нескольких приборов диагностического комплекса вблизи мишени). Расположение источника вне круга фокусировки приводит к некоторому снижению светосилы спектрографа по сравнению со значением, когда источник расположен точно на круге. Но в нашем случае эффекты дефокусировки, связанные с отклонением поверхности кристалла от круга Роуланда несущественны, и разрешающая способность спектрографа в этом случае определяется в основном шириной кривой отражения кристалла.

Эксперименты по воздействию лазерного излучения на вещество выполнялись на установке “Канал-2” [5, 6] ЛВЛИ ФИАН. В качестве греющего излучения использовалось излучение Nd-лазера наносекундной длительности с плотностью потока на мишени 10 ¹³ -10 ¹⁴ Вт/см ² . Лазерному воздействию подвергались твердотельные

Рис. 2. Принцип работы спектрографа по схеме Иоганна:

1 – круг Роуланда, 2 – кристалл слюды, 3 – плоскость регистрации мишени из магния – Mg, карбида бора - B4C, и алюминия – Al.

Наибольшее внимание было уделено получению и идентификации спектров магния, т.к. одной из основных задач была однозначная градуировка спектрографа скользящего падения GIS-S, а резонансные линии магния в диапазоне длин волн l = 40-70 А определяются однозначно. Данный тип мишеней представлял собой металлические фольги толщиной от 100 мкм до 200 мкм.

Приведенные спектры (рис. 3) получены с использованием спектрографа скользящего падения. В спектре, представленном на рис. 3а, удалось однозначно идентифицировать наиболее интенсивные, резонансные линии. Энергия лазерного импульса в данном выстреле равнялась 20 Дж. Восстановленные значения длин волн совпали с табличными значениями [7]. На рис. 3б представлен спектр, идентичный предыдущему, но с большей энергией импульса (E _и = 35 Дж) и, как следствие этого, с большим набором линий. Используя предварительные результаты (рис. 3а), и табличные значения [7], были установлены две серии линий, по 4 в каждой, принадлежащие соответственно [He]- и [Li]-подобным ионам.

По схожим причинам были выбраны мишени, содержащие углерод C – это простота идентификации линий. Мишени из B₄C – бруски, размером 3x2x0.5см. Спектр, полученный в результате выстрела по данному веществу, представлен на рис.4. По полученным данным (рис. 3-4) построен градуировочный график GIS-S (рис. 5), ставящий отсчетам шкалы ПЗС-линейки прибора в соответствие длины волн в ангстремах.

С помощью спектрографа по схеме Иоганна был зарегистрирован спектр [He]-подобных ионов Mg (рис. 6). Зафиксировано наличие диэ-лектронных сателлитов j, k (применяются общепринятые обозначения сателлитов, приведенные, например, в [6]). По отношению интенсивностей линий диэлектронных сателлитов j, k к резонан-

а                                              б

Рис. 4. Спектр плазмы B 4 C в диапазоне 35-70А для энергии импульса 30Дж

Рис. 3. Спектры плазмы Mg в диапазоне 35-80А для энергий импульса 20Дж (а) и 35Дж (б)

GUO G50      700      750      800      850      900      950     1000     1050     1100

Рис. 5. Градуировочный график спектрографа GIS-S

Рис. 6. Спектр плазмы Mg в диапазоне 9.1-9.4 А для энергии импульса 25Дж

она составила 2x10 ¹⁹ см ^-3 . Восстановленные значения электронных температуры и плотности получены усредненными по объему плазмы.

В качестве альтернативной методики определения параметров лазерной плазмы применялся метод восстановления спектра по кривым ослабления [8]. Обработка кривых ослабления излучения, прошедшего сквозь бериллиевые фильтры, осуществлялась по методу минимизации функционала направленных расхождений, описанному в [8]. На рис. 7 представлен спектр алюминиевой мишени при энергии лазерного излучения 20 Дж. В области энергий квантов выше 7 кэВ кривая соответствует максвелловскому спектру при T_e = 400 эВ.

4.    ЗАКЛЮЧЕНИЕ сной линии w оценивается электронная температура. В нашем случае при энергии лазера 25 Дж она составила ~ 180эВ.

Отношение интенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий ( w и y ) позволяет определить электронную плотность; по оценкам

В данной работе разработаны диагностические каналы на основе двух рентгеновских спектрографов. Созданные каналы взаимно дополняют друг друга, поскольку позволяют получать рентгеновские спектры излучения плазмы в двух информа-

Рис. 7. Восстановленный спектр плазмы Al в диапазоне для энергии импульса 25Дж тивных диапазонах длин волн 30-90 A (GIS-S) и 810 A (спектрографапо схеме Иоганна).

В результате серии проведенных экспериментов получены следующие результаты. C помощью спектрографа скользящего падения GIS-S были зарегистрированы ВУФ-спектры мишеней различного состава. Используя сводные данные, была построена градуировочная кривая в основном рабочем диапазоне спектрографа.

С помощью спектрографа, использующего схему Иоганна, были зарегистрированы рентгеновские спектры металлических мишеней. По отношению относительных интенсивностей сателлитных линий j, k и резонансной линии w оценена электронная температура. Её значение составило ~ 180 эВ.

Восстановлены рентгеновские спектры по данным, полученным с помощью метода поглотителей. Оцененная электронная температура ЛП составила ~ 400 эВ.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 12-02-31441).