Особливості процесів утворення іонізованих компонентів лазерної плазми під дією на поверхню випромінювання ексимерного лазера та лазера на парах міді

Особистий внесок полягає в тому, що

– автор приймав безпосередню участь у створенні експериментального комплекса;

– автор разом із співавторами брав участь у постановці і виконанні всіх експериментів, їх обробці та обговоренні;

– автором сформульовані положення, що виносяться на захист.

 

 

У вступі сформульована мета роботи, обгрунтована актуальність теми досліджень, приведені основні положення, які виносяться на захист, визначена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, подана інформація про особистий внесок автора, апробацію та дана коротка анотація дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячено теоретичному обгрунтуванню найважливіших процесів, що проходять при дії на поверхню лазерного випромінювання густиною потужності 5 107 1011 Вт/см2. Розглянуті загальні особливості нагрівання поверхні речовини лазерним випромінюванням. Описані та проаналізовані механізми поглинання лазерного випромінювання поверхнею і розльоту компонент лазерної плазми. Проаналізовані процеси, що приводять до генерації ударних хвиль в конденсованих середовищах і емісії заряджених частинок під дією на поверхню лазерного випромінювання густиною потужності q = 108 1011 Вт/см2. Розглянуто вплив процесів багатофотонної іонізації та іонізації при резонансному поглинанні лазерного випромінювання парою на емісію заряджених і нейтральних частинок. Результати, приведені в розділі, були використані для інтерпретації та обгрунтування отриманих експериментальних даних.

У другому розділі приведений опис експериментального комплексу, що у відповідності з метою роботи був створений для проведення систематичних досліджень взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею. Комплекс включав:

1) ексимерний електророзрядний XeCl – лазер ( 308 нм, E = 0, 05 0, 25 Дж, л = 20 50 нс, fповт = 5 25 Гц) ;

2) ЛПМ з підсилювачем ( 510, 6; 578, 2 нм, E = 1 3 мДж, л = 20 нс, fповт = 5 8 кГц) ;

3) вакуумну камеру взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею;

4) часово-пролітні мас-спектрометри, з зондами для реєстрації іонних та нейтральних компонент;

5) імпульсну систему реєстрації сигналів з виходом на пристрій статистичного накоплення сигналу з виходом на ЕОМ.

Вперше запропонований і реалізований квантовий підсилювач яскравості (КПЯ), створений на базі активного елемента ЛПМ, що дає змогу досліджувати область і динаміку дії лазерного випромінювання на поверхню із збільшенням по яскравості в ~104 разів і часовою роздільною здатністю ~25 нс.

При створенні експериментального комплексу велика увага приділялася підвищенню роздільної здатності системи: мас-спектрометр – електростатичний аналізатор. В результаті за допомогою модифікації поля електростатичного селектора було реалізовано спосіб покращення роздільної сили часово-пролітного мас-спектрометра. При цьому покращується роздільна здатність селектора по енергіях, що суттєво при дослідженні тонкої структури енергетичних спектрів.

У третьому розділі представлено результати досліджень процесів резонансної та нерезонансної дії випромінювання ексимерного XeCl-лазера на поверхню. Передусім для проведення експериментів нами був проведений ряд досліджень по вдосконаленню параметрів розробленого газорозрядного імпульсно-періодичного ексимерного XeCl – лазера, а саме по підвищенню його енергетичних і ресурсних характеристик. Визначено, що при застосуванні як галогеноносія хлориду бору (BCl3) енергія імпульсу збільшується на 20% а ресурс – на 50% в порівнянні з цими ж характеристиками у випадку традиційно застосовуваного хлористого водню HCl. Дослідженням впливу типу галогеноносія на ефективність роботи лазера передувала лазерна мас-спектрометрична діагностика робочих сумішей і стану внутрішньої поверхні активного елементу. Зниження температури робочої суміші з 16 20 С до 0 2 С приводить до збільшення вихідної енергії лазера в 2 рази, а ресурс роботи при цьому досягає ~106 імпульсів.

Досліджено, що причинами покращення характеристик лазера є великі константи швидкостей утворення від'ємного іону Cl- в сумішах BCl3, швидке напрацювання нелетких продуктів в реакціях BCl3 з домішками, а також осадження (виморожування) аерозолей на теплообміннику і, як наслідок, видалення їх з газового контура. Мас-спектрометричний аналіз осаджених компонент показав, що вони в основному складаються з металів та продуктів взаємодії HCl з матеріалами, що застосовуються в камері активного елементу.

В результаті був створений малогабаритний ексимерний лазер з вихідними параметрами випромінювання: 308 нм, E = 0, 25 Дж, л = 20 50 нс, який давав можливість отримувати значення густини потужності сфокусованого лазерного випромінювання q 3 107 5 1010 Вт/см2.

Умови резонансного поглинання лазерного випромінювання компонентами лазерної плазми реалізовуються при дії випромінювання ексимерного XeCl-лазера з довжиною хвилі 308 нм, близької до довжини хвилі переходу в атомі алюмінію 3P1/2 -3D3/2 ( 308, 2 нм). Чисельні розрахунки кінетики атомної пари під дією лазерного випромінювання в такому випадку дають двохгорбий характер концентрації електронів і атомів лазерної плазми. Дослідження даного ефекту може внести ясність у фізику процесів при дії лазерного випромінювання помірної густини на мішені, виявити принципові обмеження роздільної здатності часово-пролітної лазерної мас-спектрометрії, а також сприяти отриманню додаткової інформації про склад поверхні твердого тіла. Крім того, зменшення довжии хвилі нагріваючого випромінювання приводить до зростання ~1/ 3 його коефіцієнта трансформації в енергію ударних хвиль.

Експерименти проводились на установці, опис якої приведено у другому розділі. Як мішені були вибрані спектрально чистий графіт та алюміній (99,