Генерация многозарядных ионов вольфрама лазерной плазмы в режиме эффекта 'накопления'
Генерация многозарядных ионов вольфрама лазерной плазмы в режиме эффекта «накопления»
Настоящая работа посвящена выявлению роли эффекта «накопления» в оптически непрозрачном твердом теле под действием излучения лазера, с помощью регистрации ионизационного состава плазмы, эмитированных с поверхности твердых тел при многократном облучении. Исследования проводились методами масс-спектрометрии и оптической микроскопии [1, 2]. Это дает возможность рассмотреть влияние эффекта «накопления» на морфологию разрушения и на ионизационный состав плазмы в зависимости от плотности мощности, числа и угла падения излучения лазера. В опытах использовался лазер на основе стекла с Nd3+, энергией - 5.0 Дж и длительностью импульса излучения 50 нс, что дало возможность получить на поверхности мишени плотность мощности излучения qmax = 1012 Вт/см2.
Экспериментально получены данные о влияние эффекта «накопления» на процесс лазерного разрушения W-мишени и об образовании многозарядных ионов при многократном облучении. При этом эффект «накопления» имеет место как в допороговой (q = 108 - 109 Вт/см2), так и в сверхпороговой (q > 1010 Вт/см2) областях плотности мощности излучения лазера, а также зависит от угла падения (α = 180 - 850) излучения лазера на поверхность мишени.
Влияние эффекта «накопления» на лазерное разрушение и образование многозарядных ионов в допороговой и сверхпороговой областях плотности мощности излучения лазера более отчетливо проявляется при скользящем (α = 850) падении излучения лазера на поверхность твердого тела. В допороговой (q = 5 · 108 Вт/см2) области, независимо от угла падения излучения лазера, эффект «накопления» проявляется с пятого выстрела (с первого по четвертый выстрел лазера ионные сигналы не регистрированы) излучения лазера, т.е. на ионизационном составе наблюдается однозарядный W1+ ионный пик слабой интенсивности. С ростом количество выстрелов, например, до десяти W1+ пик сохраняется и растет их интенсивность.
В сверхпороговой области (q > 1010 Вт/см2) эффект «накопления» сильно зависит от угла падения излучения лазера на поверхность мишени. Из-за эффекта «накопления» при многократном облучении мишени скользящим (α = 850) излучением лазера с q = 5 · 1011 Вт/см2 увеличена максимальная кратность заряда ионов W с Zmax = 3 до Zmax = 4. Характерно то, что при последовательном воздействии на одно и то же место импульсов излучения лазера на W-мишень под углом α = 850 уменьшаются как число, так и интенсивность ионных сигналов элементов - примесей. Одновременно возрастают амплитуда сигналов ионов W и кратность его заряда. Например, после первого импульса лазера в ионизационном составе регистрируются спектры ионов примесных элементов O1+, O2+, C1+, N1+, Na1+, K1+, K2+, S1+, Co1+, Co2+, Co3+, а максимальная кратность заряда ионов W не превышает Zmax= 3. После третьего импульса Zmax ионов W доходит до 4, а из примесных элементов регистрируются лишь ионы C и O. При этом размеры (длина и ширина) лазерного разрушения на поверхности W остаются как в допороговой области, однако глубина кратера заметно увеличивается. Анализ морфологии лазерного разрушения показал, что по кругу основной лунки четко выражен рельеф с впадинами и выпуклостями. Края основной лунки несколько возвышаются над плоскостью мишени, что вызвано выбросом металла из лунки и его осаждением на ее краях. Энергетический спектр ионов W1+ образованный в допороговой области благодаря эффекту «накопления» имеет довольно узкий диапазон (50 - 500 эВ) с одним максимумом распределения. В сверхпороговой области, энергетические спектры ионов W и примесей существенно зависят от угла падения излучения на мишень. При скользящем (α = 850) падении излучение лазера, диапазон энергетического распределения значительно меньше, чем при острых (α = 180) углах падения. Например, энергия Emax ионов W1+ и W4+, образующихся при α = 850, не превышает 500 эВ и 1.0 кэВ, соответственно, в то время как при α = 180 Emax этих ионов (W1+ - W6+) достигает ~ 4.0 кэВ.
Приводятся обсуждения полученных результатов. Установлено, что эффект «накопления» с ростом количества импульсов лазера в случае металла W (оптический непрозрачного) уменьшает объем разрушения, количество испаряемого вещества и количество ионизационного состава примесей, увеличивает порог разрушения, лучевую стойкость (из-за лучевой и тепловой закалки вещества) и максимальную кратность заряда материала мишени, а разрушение по характеру переходит от объемного к поверхностному.
спектрометрия ионизированный облучение
Литература
1. Бедилов М.Р., Хаитбаев К. ПТЭ 1996, №6, с. 139.
. Бедилов М.Р., Давлетов И.Ю., Сабитов М.С., Бердиеров Г.Р., Цой Т.Г., Квантовая электрон. 31, 5, 453 (2001).