Инверсная населенность на переходах в диапазоне вакуумного ультрафиолета в плазме капиллярного разряда с индуктивным накопителем энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат физико-математических наук Назаренко, Андрей Владимирович

• Назаренко, Андрей Владимирович
• кандидат физико-математических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Назаренко, Андрей Владимирович

Введение.

Глава 1. Создание инверсии населенностей в плазме капиллярных разрядов (обзор литературы).

§1.1 Столкновительная схема инверсии.

§1.2 Рекомбинационная схема инверсии.

Глава 2. Разработка систем быстрого капиллярного разряда на основе плазменноэрозионного и полупроводникового размыкателей.

§2.1 МГД-моделирование плазмы капиллярного разряда.

§2.2 Необходимые параметры импульса тока в капиллярном разряде.

§2.3 Возможные типы размыкателей в схеме с индуктивным накопителем энергии и параллельно подключенной нагрузкой.

§2.4 Установка с плазменным размыкателем тока.

§2.4.1 Описание установки с плазменным размыкателем тока.

§2.4.2 Описание работы PEOS.

§2.4.3 Исследование работы плазменных пушек.

§2.5.Установка с полупроводниковым размыкателем тока.

§2.5.1 Особенности полупроводникового размыкателя.

§2.5.2 Описание установки с полупроводниковым размыкателем тока.

Глава 3. Исследование плазмы капиллярного разряда и обсуждение полученных экспериментальных результатов.

§3.1 Система регистрации.

§3.1.1 Калибровка спектрографа по длинам волн.

§3.2 Перечисление и краткое описание проведенных экспериментов.

§3.3 Результаты экспериментов по столкновительной схеме.

§3.3.1 Сжатие плазмы магнитным полем при малых значениях производной тока.

§3.3.2 Анализ экспериментальных результатов.

§3.3.3 Сжатие плазмы в капилляре с высокими значениями dl/dt (>1012 А/с).

§3.3.4 Анализ экспериментальных результатов.

§3.3.5 Изучение начальной стадии пробоя в капилляре.

§3.4 Результаты экспериментов с профилированным капилляром.

§3.4.1 Анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инверсная населенность на переходах в диапазоне вакуумного ультрафиолета в плазме капиллярного разряда с индуктивным накопителем энергии»

После изобретения лазера в 1960 году, одной из основных проблем физики лазеров стало расширение диапазона доступных длин волн, на которых осуществляется генерация лазерного излучения. Видимый диапазон и прилегающие к нему участки инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов были освоены сравнительно легко, но дальнейшее продвижение в область коротких длин волн (менее 1000 ангстрем) столкнулось с серьезными трудностями как технического, так и принципиального характера. Тем не менее, существует ряд перспективных применений для лазерных источников вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского диапазонов, что стимулирует разработку подобных лазеров.

Ввиду того, что коэффициент поглощения излучения в плазме падает с уменьшением длины волны как А,3, рентгеновские лазеры могут быть эффективно использованы для зондирования плотной плазмы, в том числе, плазмы в термоядерных установках. Также, среди технических применений рентгеновских лазеров весьма перспективным является их использование в микроэлектронной промышленности для целей микролитографии.

Рентгеновская микроскопия и микрохирургия - области, в которых также крайне необходимы яркие и высоко когерентные источники рентгеновского диапазона. Многие исследовательские группы сейчас работают над созданием технологии получения изображений биологических структур. Для этих целей источник должен излучать в диапазоне так называемого "водяного окна", 2.3 нм < Я, < 4.4 нм (между К-краями поглощения углерода и кислорода), когда контрастность углеродосодержащих материалов, находящихся в воде, максимальна.

Длины волн мягкого рентгеновского диапазона соответствуют энергиям переходов десятки-сотни электронвольт, что исключает возможность использования энергетических уровней внешних оболочек нейтральных атомов в качестве систем с инверсной населенностью. Следовательно, для атомных схем инверсии остается возможным использовать либо внутренние оболочки нейтральных атомов, либо внешние оболочки многозарядных ионов. Использованию внутренних оболочек атомов обычно мешает сильное фотоионизационное поглощение коротковолнового лазерного излучения более высоковозбужденными электронными оболочками, а также высокая скорость спонтанного радиационного распада из верхних состояний. Поэтому основной прогресс достигнут с использованием схем получения инверсии населенностей во внешних оболочках многозарядных электронов. Подобные схемы предполагают использование горячей плазмы в качестве активной лазерной среды.

К настоящему моменту теоретически изучено и обосновано значительное количество возможных способов создания инверсии населенностей в плазме многозарядных ионов; существенная часть их была подтверждена экспериментальными наблюдениями. В рамках данной диссертации мы ограничимся рассмотрением двух основных подходов: столкновительной и рекомбинационной схемы.

В работе Кошелева, Жерихина и Летохова [1] было показано, что электронные столкновения могут привести к созданию инверсии в ионах с

9 m основной конфигурацией Is 2s 2р . Верхнее состояние распадается наиболее эффективно в состояние в то время как переход в основное состояние запрещен правилами отбора. Уровень 3s очень быстро опустошается радиационным переходом в основное состояние 2р. Заселение обоих рабочих уровней идет в результате возбуждения электронным ударом, причем анализ атомных констант показывает, что заселение состояния Зр идет w/////////////////m, 2Рп"

-п=5

-п-4 механизм получения инверсии населенностей. значительно эффективнее, чем состояния 3s [2]. Населенности уровней могут быть, получены из решения полных уравнений баланса частицы, включающих все процессы столкновительных и радиационных переходов между этими уровнями (см. рис. 1). В настоящее время существуют численные расчеты с использованием моделей, включающих до 1000 уровней (см., например, [3]).

Ограничение на существование инверсии со стороны высоких электронных плотностей связано с включением состояний 2pm"l3s и 2рт"'3р в термальную зону с больцмановским распределением ионов по возбужденным состояниям.

Другим важным фактором, ограничивающим инверсию с ростом плотности, является самопоглощение на переходе 1-0, так называемое «пленение излучения», увеличивающее населенность нижнего рабочего уровня [4]. Расчеты показали, что

1)

Аналогичный механизм работает в ионах с заполненной М-оболочкой для уровней 4р и 4d. При экспериментах со столкновительной схемой инверсии используется плазма неоно-, никеле- и палладиеподобных ионов. Длина волны, на которой осуществляется усиление обычно заметно больше, чем в случае рекомбинационной схемы, так как главное квантовое число не изменяется при переходе. инверсия достигает максимального значения при №Г » 0. IN*/, где N? = Aw /(v<r34 >.

800

600 o> 400 e>

О) >

200 \

4-\ Ne-lika —«-Ni-Like -a- pd-like

-a

-A

I— 12

14

4 6 8 10

Z (ion charge)

Рис. 2. Длины волн, на которых возможно усиление в неоно-, никеле- и палладиеподобных ионах.

На рисунке 2 приведены длины волн, на которых наблюдались (или ожидаются) эффекты УСИ (усиленного спонтанного излучения) для трех типов ионов: с заполненными р-оболочками - неоноподобных (переход 3s-3p), и с заполненными d-оболочками - никелеподобных (4p-4d) и палладиеподобных (5p-5d). Видно, что ни одна из схем не обладает принципиальным выигрышем в плане продвижения в коротковолновую область. Наиболее значительные результаты были достигнуты в экспериментах с лазерной плазмой в Ливерморской национальной лаборатории в США, где для создания рабочей среды используется гигантский импульс крупнейшего в мире лазера «Nova» [5]. В вышеупомянутых экспериментах были получены значения произведения коэффициента усиления на длину рабочей области (gL) до 7 в плазме никелеподобного вольфрама на длине волны 43.2 А [6], а также наблюдалось существенное усиление линии 4p-4d перехода в никелеподобном золоте (длина волны 35.6 А) [5]. Для неоноподобных ионов, в той же Ливерморской лаборатории было осуществлено усиление на длине волны 100 А в 37-кратно ионизованном серебре [7]. На большом количестве линий, в том числе, в диапазоне «водяного окна» получено значительное усиление вплоть до насыщения [8-10].

Другой схемой инверсии населенностей является рекомбинационная схема. Данная схема особенно эффективна для водородоподобных ионов и ионов с одним электроном сверх заполненной s-оболочки (литиеподобные и т.д.). Как следует из ее названия, эта схема реализуется в сильно переохлажденной плазме, когда электронная температура много меньше ионизационной. В этих условиях, в плазме

Г гее ele>c-troris / J 1 ^ ^ а--

У 1

S— i

Рис. 3. Рекомбинационная схема инверсии населенностей. формируется рекомбинационный поток электронов, переходящих из свободного. состояния в связанное. Основными процессами при этом являются фоторекомбинация: e+Az.,->Az+fia) (2) и трехчастичная рекомбинация: e' + e" + Az+l->e + Az. (3)

При низких плотностях плазмы и высоких температурах свободных электронов преобладает фоторекомбинация, которая заселяет преимущественно основное состояние иона и не создает инверсной населенности между возбужденными состояниями. При высоких плотностях и низких температурах свободных электронов преобладает тройная рекомбинация, которая заселяет преимущественно возбужденные состояния иона. Столкновения со свободными электронами и спонтанные радиационные распады формируют рекомбинационный поток связанных электронов, текущий по уровням иона в его основное состояние. Скорость радиационного распада уровня увеличивается с уменьшением главного квантового числа п. Скорость столкновительного девозбуждения уровня падает с увеличением п. Совокупность указанных факторов может привести к инверсии населенностей уровней с достаточно малыми главными квантовыми числами. Обычно это переходы типа 3-2,4-3, 5-4, 4-2, 53 и т.п. Верхний уровень накачивается рекомбинационным потоком, обусловленным в основном столкновениями со свободными электронами, нижний уровень опустошается спонтанными радиационными переходами на более низколежащие уровни, включая основное состояние.

При постоянной электронной температуре Те с ростом электронной плотности плазмы Ne увеличивается скорость столкновительного девозбуждения верхнего рабочего уровня. В результате при достаточно большой плотности электронов инверсия пропадает. С уменьшением Ne быстро уменьшается рекомбинационный поток, заселяющий уровни, и при достаточно малых Ne инверсия тоже становится малой.

Следовательно, при определенной температуре инверсия на данном переходе возможна только в ограниченном диапазоне плотностей плазмы.

Аналогично, при постоянной электронной плотности, усиление существует только в ограниченном интервале электронных температур, т.к. при достаточно малых Те растет скорость столкновительного девозбуждения верхнего уровня, а при слишком больших - падает рекомбинационный поток.

При практической реализации рекомбинационной схемы ключевую роль играет механизм, обеспечивающий переохлаждение плазмы. Как правило, это адиабатическое охлаждение при разлете плазмы в вакуум, хотя существуют также схемы с излучательным охлаждением, и с охлаждением теплопроводностью (при контакте плазмы со стенками).

Ион 1 у///////////,/

Ион 2

Рис. 3. Получение инверсии методом перезарядки при ион - ионном столкновении.

Наиболее значительные экспериментальные результаты с использованием лазерной плазмы в качестве активной среды были достигнуты в Institute of Laser Engineering в Осаке и в Princeton Plasma Physics Laboratory в США. Наиболее коротких длин волн к настоящему времени удалось достигнуть, используя переходы в водородоподобных натрии (54 А) [11] и фторе (81 А) [12], а также в литиеподобном титане (47 А) [2].

Наиболее полно экспериментально исследованной активной средой с рекомбинационным механизмом инверсии является водородоподобный углерод (3-2 переход, длина волны 18.2 нм). При экспериментах с лазерной накачкой в лаборатории физики плазмы в Принстоне удалось достичь значений gL до 5-7. Энергия импульса излучения в этом случае существенно уступает энергии, достигнутой с помощью столкновительной схемы [13]. Несмотря на вышеприведенные сложности, существует возможность усовершенствования рекомбинационного механизма, путем селективного заселения верхнего рабочего уровня. Процессом, способным обеспечить такое заселение, является перезарядка при ион - ионных столкновениях [14] (см. рис. 3).

Данный процесс описывается уравнением

AZ1+BZ2>A(Z1-1)'+B(Z2+1)+AE (4) здесь А и В обозначают различные типы ионов, a Z1 и Z2 - их заряды. Сечение процесса является резонансным относительно отстройки уровней АЕ и может существенно превышать сечения трехчастичной и фоторекомбинации, достигая 10'15 см2 [15].

Очевидно, что при перезарядке захваченный электрон с наибольшей вероятностью попадает на уровень, наиболее близкий по энергии к исходному. Благодаря такому селективному заселению, при достаточно быстрой накачке можно добиться инверсии населённостей. Одной из задач при поиске эффективной схемы с перезарядкой, является поиск пар ионов, для которых положение верхнего рабочего уровня одного из ионов достаточно хорошо совпадает с основным состоянием другого. С точки зрения практической реализации, наиболее удобно рассматривать пары ионов одного элемента разной кратности. Для эффективного взаимодействия в плазме ионов различных кратностей, необходимы нестационарные условия, например, адиабатический разлет или взаимодействие горячей и холодной плазмы.

Необходимость использования плазмы в качестве активной среды порождает ряд специфических трудностей. Хотя в последнее время достигнуты существенные успехи в создании многослойных зеркал, имеющих сравнительно высокие коэффициенты отражения в ВУФ (вакуумном ультрафиолетовом) и MP (мягком рентгеновском) диапазонах, нерешенной остается проблема защиты поверхности этих зеркал от воздействия горячей плазмы. Более существенно то, что во всех экспериментальных схемах, реализованных к настоящему моменту, время существования инверсии населенностей не превышает единиц наносекунд, что лишает смысла использование многопроходных резонаторов. Без резонатора возможно рассчитывать только на усиление спонтанного излучения в протяженных плазменных структурах (шнурах, слоях). В дальнейшем, при упоминании о лазерных эффектах будут иметься в виду именно эффекты УСИ (усиленного спонтанного излучения).

Другой особенностью, осложняющей работу в коротковолновой области, является необходимость чрезвычайно высоких плотностей мощности энерговклада в активную среду для достижения приемлемого коэффициента усиления. Как показано в работе [4], минимальную величину требуемой мощности можно оценить из затрат на поддержание инверсии, которые компенсируют распад верхнего лазерного уровня: j = XuDuhvuo (5) где Du - суммарная вероятность распада верхнего уровня, Nu - населенность верхнего уровня. В реальных системах затраты на разогрев, динамическое движение и ионизацию составляют величины такого же порядка или даже большие. Проведем численные оценки, предполагая, что все эти дополнительные затраты могут быть минимизированы за счет тщательной отработки механизма создания плазмы.

Предположим, что распад верхнего уровня является полностью радиационным. Тогда величину Du в уравнении (5) можно приближенно заменить на Auo+Aui ~ 2Aui (Последнее равенство справедливо, в частности, для лазерного перехода п = 3 - 2 в водородоподобных ионах): y = 2NuAuthvuo (6)

Заменяя величину NuAui в формуле (6) на коэффициент усиления (умноженный на длину среды L) и используя выражения для коэффициента усиления и сечения вынужденного излучения

G » Nucr3tim (пренебрегая населенностью нижнего уровня) (7)

G - коэффициент усиления, Ацг вероятность спонтанного перехода, astim — сечение вынужденного перехода), получаем

WL l6T(GL)hc\AAul/Aul) У Л'Ло где Xui - длина волны лазерного перехода.

Как видно из выражения (9), плотность мощности имеет резкую зависимость от длины волны. Если предположить, что Хы пропорциональна Хц0, то требуемая для накачки плотность мощности энерговклада пропорциональна X"4

Учет более тонких эффектов, таких как рост эффективной ширины линии по мере продвижения в коротковолновую область (за счет увеличения температуры активной среды и недопплеровских механизмов уширения - ударного и штарковского) может сделать эту степенную зависимость даже более резкой, но эти факторы затруднительно рассмотреть в общем виде, так как они являются специфическими для каждой конкретной схемы инверсии и условий ее экспериментального осуществления.

Наиболее эффективным способом ввода в вещество энергии со сверхвысокой плотностью мощности в настоящий момент является облучение мишени импульсом оптического лазера. Действительно, такой импульс может иметь длительность 10"13 -10"14 с при энергиях в десятки и сотни джоулей, что обеспечивает мощности до Ю-5 Вт (см, например, [17]). При фокусировке такого импульса в объеме со стороной 100 микрон плотность мощности энерговклада составит 1021 Вт/см3, что является избыточной величиной с точки зрения любой мыслимой атомной схемы инверсии. Как правило, в экспериментах по созданию рентгеновских лазеров на основе лазерной плазмы используются импульсы существенно меньшей мощности, фокусируемые в больший объем, что, тем не менее, позволяет достичь высоких коэффициентов усиления вплоть до длин волн «водяного окна», т.е. 2-4 нм [18].

Использование в качестве способа ввода энергии в среду импульсного электрического разряда, на первый взгляд, представляется менее перспективным. Действительно, минимальная длительность такого разряда при сколько-нибудь существенной энергетике - порядка 10"7 секунды. Даже при запасенной энергии 100 кДж это дает пиковую мощность 1012 Вт - на три порядка меньше, чем у лазера. Если оценить минимально возможные размеры разрядного канала как 0.1x0.1x10 мм, то получаем оценку на предельную плотность мощности энерговклада 1016 Вт/см3 - в 100 тысяч раз меньше, чем в случае сверхмощного лазерного импульса. Поэтому минимальные длины волн, для которых сообщалось о наблюдении эффектов УСИ - это линии 18.2 нм в водородоподобном углероде (2-3 переход) [19], и 13.2 нм в никелеподобном кадмии [20], но эти эксперименты не получили дальнейшего развития в связи с низким коэффициентом усиления в плазме. Тем не менее, следует упомянуть как минимум два преимущества разрядной накачки плазмы: существенно более высокая суммарная энергия, вкладываемая в вещество, позволяет, при прочих равных условиях, получить существенно больший энергетический выход по сравнению с лазерной накачкой (сообщалось о получении энергий импульса порядка миллиджоуля [21]). Второе преимущество заключается в отсутствии такого громоздкого и дорогостоящего элемента как лазер накачки, что позволяет сделать рентгеновский лазер доступным настольным прибором.

Следует также упомянуть альтернативные подходы к созданию источника когерентного рентгеновского излучения: лазер на свободных электронах [22] и генерацию гармоник высоких порядков с помощью мощных импульсов лазерного излучения видимого и ИК-диапазонов [22]. Первый из указанных подходов предполагает использование в качестве активной среды пучка свободных электронов высоких энергий, помещенного в пространственно - периодическое магнитное поле. Второй - генерацию сверхвысоких (до ~ 100-й) гармоник при фокусировке фемтосекундного лазерного пучка в веществе за счет нелинейных оптических эффектов. Оба подхода также весьма эффективны с точки зрения продвижения в область коротких длин волн, но обладают теми же недостатками, что и традиционная лазерная накачка: низкая энергетика и необходимость дорогостоящей системы накачки (синхротрон или линейный ускоритель в одном случае, фемтосекундная лазерная система в другом).

Из многочисленных разновидностей разрядной плазмы, наиболее подходящей для получения эффектов УСИ является плазма капиллярных разрядов, возникающая при разряде сквозь тонкий (0.1-10 мм) и длинный (1-30 см) канал. Важными свойствами плазмы, образующейся при подобном разряде, являются: а) большое отношение длина/диаметр (до 1000). Благодаря ему плазма остается оптически тонкой в поперечном направлении, что позволяет избежать пленения излучения на переходе из нижнего рабочего уровня в основное состояние б) благодаря высокой скорости формирования столбика горячей плазмы за счет схлопывания ударной волны (см. ниже, Глава 2 и [72]), в нем не успевают развиться неустойчивости. Результатом является высокая стабильность и однородность плазменного столба при длинах вплоть до десятков сантиметров. [19]

Плотность плазмы капиллярных разрядов обычно находится в пределах Ю18-Ю20 см"3, температура может превышать 200 электронвольт.

Поэтому плазма капиллярного разряда в настоящее время считается наиболее интересным и перспективным объектом для получения инверсии населенностей при помощи электрического разряда, и ее исследованием занимается значительное число научных коллективов (см. Главу 1).

Целью данной работы являлось создание экспериментальной установки на основе индуктивного накопителя энергии для исследования быстрых капиллярных разрядов. Коммутация тока в такой системе должна осуществляться при помощи быстрого размыкателя токовой цепи. При этом предполагалось применение разработанной системы для получения инверсии населенностей в аргоновой плазме (3s-3p переход в неоноподобном аргоне), а также выяснение возможностей использования других схем создания инверсии населенностей.

Структура работы. Данная диссертация состоит из пяти частей и двух приложений:

Во введении содержится краткое описание проблематики коротковолновых лазеров, наиболее распространенных схем создания инверсии населенностей в диапазоне вакуумного ультрафиолета, основных сложностей, возникающих при продвижении в область малых длин волн и способов создания плазмы.

Первая глава целиком посвящена литературному обзору. Рассмотрены публикации основных исследовательских групп, занимающихся разработкой источников коротковолнового УСИ на основе капиллярных разрядов. Перечислены основные результаты работ, описано современное состояние разработок в данной области.

Вторая глава содержит подробное описание разработанных в лаборатории спектроскопии плазмы экспериментальных установок, способов их оптимизации и достигнутых параметров импульса тока. Приведены и описаны схемы драйверов тока с индуктивным накопителем энергии и параллельной нагрузкой. Описана разработка, принципы функционирования и особенности эксплуатации быстрых размыкателей тока плазменно-эрозионного и полупроводникового типа.

Глава третья посвящена изложению и анализу экспериментальных результатов, полученных при помощи драйверов тока, описанных в главе 2. Глава содержит подробное описание использованной экспериментальной техники и результаты экспериментов по диагностике плазмы при помощи микроканального детектора, осевых и внеосевых обскурограмм, углового распределения интенсивности излучения и спектров плазмы капиллярного разряда. Приведены результаты расшифровки полученных спектров, относящиеся к разным стадиям развития разряда и различным начальным условиям в капилляре (значительная часть материалов вынесена в приложение).

В заключении суммируются основные результаты работы. Защищаемые положения:

1) Впервые система с индуктивным накопителем и размыкателем тока применена для создания быстрых капиллярных разрядов (максимальный ток до 50 кА, скорость нарастания тока до 1-2* 1012 А/с). Сконструированы и оптимизированы разрядные системы с плазменно-эрозионным и полупроводниковым размыкателями.

2) Исследована динамика пространственного распределения свечения плазмы быстрых капиллярных разрядов с временным разрешением 10 не и пространственным разрешением порядка 50 мкм, а также динамика спектров в области вакуумного ультрафиолета с временным разрешением 10 не. Были использованы капилляры из AI2O3 с внутренним диаметром 1-6 мм и с аргоновым наполнением в диапазоне давлений 0.1-3 Торр.

3) Обнаружены эффекты УСИ на 3p-3s переходе в неоноподобном аргоне (длина волны 468 А), выражающиеся в пространственной концентрации излучения и аномально высокой интенсивности соответствующей спектральной линии. Обнаружены эффекты УСИ на 3p-3s переходе в неоноподобном аргоне (длина волны 468 А), выражающиеся в пространственной концентрации излучения и аномально высокой интенсивности соответствующей спектральной линии.

Оценка коэффициента усиления в плазме капиллярного разряда дает приблизительное значение G ~ 0.35 см-1

4) Исследована начальная стадия пробоя капилляра. Показано, что инициирование разряда происходит по одному или нескольким каналам вдоль внутренней стенки капилляра в зависимости от давления газа в капилляре.

5) Предложен и реализован метод получения аксиально-периодической плазменной структуры при разряде в капилляре с профилированной внутренней стенкой. Подобные объекты могут служить основой для получения инверсии в области вакуумного ультрафиолета на основе механизма перезарядки.

Публикации. По результатам исследований, изложенным в данной диссертации, были опубликованы следующие статьи:

1. P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, А. V. Nazarenko, D. A. Glushkov, R. V. Fedoseev, Yu. V. Sidelnikov, К. N. Koshelev, Fast capillary discharge driven by inductive storage with plasma erosion opening switch - J. Phys IV France 11 (2001), Pr2-119.

2. Назаренко А. В., Анциферов П. С., Дорохин Л. А., Кошелев К. Н., Сидельников Ю. В, Формирователь импульса тока для капиллярного разряда на основе полупроводникового размыкателя. ПТЭ, 2003, №1 с. 60-63

3. А. В. Назаренко, П. С Анциферов, Л. А. Дорохин, К. Н. Кошелев Развитие разряда в микрокапилляре с полупроводниковым генератором тока. Физика Плазмы, 2004, том 30, №3, стр. 1-6

4. P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, К. N. Koshelev and А. V. Nazarenko Axially inhomogeneous plasma in fast discharges for creation of population inversion in soft x-ray region. J. Phys. D: Appl. Phys. 37 2527-2530 (2004)

5. P. S. Antsiferov, S. S. Churilov, L. A. Dorokhin, K. N. Koshelev, A. V. Nazarenko and Yu. V. Sidelnikov. Analysis of high resolution Ar IX spectrum, excited in fast capillary discharge. Physica Scripta, Vol. 62, 127-131 (2000)

6. Ryabtsev A.N., Antsiferov P.S., Nazarenko A.V., Churilov S.S., Brillet Wan-U.L., Wyart J.-F. Analysis of the spectrum of the Pd I-like xenon (Xe EX) and extended interpretation of the Sb VI, Те VII and I VIII spectra. - J.Physique IV, 2001, v. 11, No.2, p.317-319.

7. Soto L., Esaulov A., Moreno J., Silva P., Sylvester G., Zambra M., Nazarenko A., and Clausse A. Transient electrical discharges in small devices. Physics of Plasmas. 2001. V. 8. №. 5. P. 2572

8. Soto L., Silva P., Sylvester G., Moreno J., Esaulov A., Nazarenko A. Fast capillary discharge: plasma dynamics and VUV spectroscopy diagnostics. - Rev.Mex.Fisica, 2002, v.48, p. 142-144.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Назаренко, Андрей Владимирович

Заключение.

В рамках настоящей работы были разработаны несколько типов токовых драйверов на основе индуктивного накопителя, которые были применены для исследования быстрых капиллярных разрядов. Оптимизированный вариант драйвера на основе размыкателя с распадом плазмы позволял формировать импульсы тока до 30 кА

I ? со скоростью нарастания свыше 10 А/с на капиллярной нагрузке с длиной капилляра до 10 см. С целью повышения стабильности и воспроизводимости работы, плазменный размыкатель в дальнейшем был заменен полупроводниковым. Разработанная в лаборатории спектроскопии плазмы система регистрации излучения позволила провести исследование динамики плазмы и ее ВУФ-спектров характеристик с высоким временным разрешением, результатом чего стало обнаружение эффектов усиленного спонтанного излучения в неоноподобном аргоне. Основным проявлением эффекта УСИ является зафиксированная аномально высокая интенсивность линии 468.5 А (см. Рис 46). В пользу того, что аномально высокая интенсивность данной линии обусловлена именно эффектами УСИ, говорят также следующие факторы: а) особенности структуры линии 468.8 А на фотографиях спектра указывают на то, что излучение на этой линии обладает существенно меньшей угловой расходимостью, чем излучение на других длинах волн. Эта особенность может возникнуть в результате лазерных эффектов. б) жёсткая корреляция по временным параметрам между появлением линии в спектре и возникновением особенности на внеосевых обскурограммах. На осевых обскурограммах к этому моменту относится возникновение ярко светящегося компактного столба, диаметр которого оценивается в 0.1-0.2 мм.

Численная оценка коэффициента усиления в плазме капиллярного разряда дает значение ~ 0.35 см"1

Экспериментальные результаты находятся в соответстви с результатами. математического моделирования [72] и предыдущими экспериментами Роккка, которые выявили ключевую роль ударной волны для создания инверсии в капиллярном разряде. По-видимому, термализация ударной волны на оси капилляра является единственным процессом в разряде, протекающим достаточно быстро, чтобы обеспечить неравновесные условия в плазме, при которых коэффициент усиления является существенным.

Подтверждена необходимость соблюдения ряда условий для возникновения ударной волны в капиллярном разряде, таких как наличие предварительно ионизованной рабочей среды и высокое значение производной тока. Полученные результаты удалось успешно применить для формирования периодических плазменных структур, что в свою очередь открывает широкие перспективы для исследования альтернативных механизмов создания инверсии населенностей, таких как рекомбинационный механизм и резонансная перезарядка.

В заключение данной диссертационной работы автор хотел бы выразить свою признательность: П. С. Анциферову и К.Н. Кошелеву за опыт и основные навыки экспериментальной работы, приобретенные под их руководством в течение последних восьми лет, помощь и поддержку в работе над диссертацией, ценные замечания и критику. JI.A. Дорохину, И.В. Луговенко и А.Е. Мачулко за разработку и изготовление системы регистрации излучения в диапазоне вакуумного ультрафиолета, позволившей получить основные экспериментальные результаты. Заведующему Лабораторией импульсной техники Института электрофизики УрО РАН С.Н. Рукину за ценные советы при разработке полупроводникового размыкателя тока, а также всему коллективу лаборатории спектроскопии плазмы за поддержку и уникальную атмосферу, позволяющую творчески и эффективно трудиться в интересной и актуальной области науки - физике плазмы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Назаренко, Андрей Владимирович, 2005 год

1. Жерихин А.Н., Кошелев К.Н., Летохов B.C. Об усилении в области далекого вакуумного ультрафиолета на переходах многозарядных ионов.// Квантовая электроника. 1976.-t.3.-No.1.-C.152-156

2. Y Fisher, T.R. Boehly, D.K. Bradley, J.A. Delettrez, D. Harding, D.D. Meyerhofer Shinethrough" Experiments Using 50-ps Laser Pulses in Laser Interaction and Related

3. Plasma Phenomena, ed. by H. Hora and G. H. Miley (Plenum Press, NY, 1991), Vol. 9, p. 323.

4. M.D. Rosen, P.L. Hagelstein, D.L. Matthews, E.M. Campbell, B.L. Whitten, B. MacGowan, R.E. Turner and R.W. Lee. Exploding-foil technique for achieving a soft X-Ray laser. Phys. Rev. Lett., 1985, 54, N2, pp. 106-109

5. Р.Элтон. Рентгеновские лазеры. Москва, «Мир» 1994

6. Charles Н. Skinner. Review of soft x-ray lasers and their applications. Phys. Fluids B, vol.3 No. 8(1991)

7. Demonstration of x-ray amplifiers near the carbon К edge. B. J. MacGowan, S. Maxon, L. B. Da Silvaf D. J. Fields, C. J. Keane, D. L. Matthews, A. L. Osterheld, J. H. Scofield, G. Shimkaveg, and G. F. Stone. Phys. Rev. Lett. 65,420 (1990)

8. X-Ray Lasers 2000 7th International Conference on X-Ray Lasers, Saint-Malo, France, June 19-23; Journal de Physique IV (Proceedings) Vol. 11, Pr 2, July 2001, Edited by: G. Jamelot, C. MOller, A. Klisnick

9. Y.Kato et al.'Observation of Gain at 54.2 A on Balmer-Alpha Transition of Hydrogenlike Sodium" Appl. Phys. В vol.50,247(1990).

10. Soft X-ray recombination laser research at the Institute of Laser Engineering Herman, P.R.; Tachi, Т.; Shihoyama, K.; Shiraga, H.; Kato, Y. IEEE Tran. Plasma Sci. PS-16, 520(1988)

11. Hiroyuki Dai do. Review of soft x-ray laser researches and developments. Rep. Prog. Phys. 65 (2002) pp. 1513-1576

12. Виноградов A.B, Собельман И.И., ЖЭТФ, 63,2113 (1972)

13. H.-J. Kunze, K.N. Koshelev, C. Steden, D. Uskov, H.T. Wieschebrink Lasing Mechanism in a capillary discharge, Phys. Lett. A 193 (1994) pp. 183-187 .

14. Боровский, Галкин Лазерная Физика: Рентгеновские лазеры, ультракороткие-импульсы, мощные лазерные системы. М. ИздАТ, 1996

15. Gregory L. Tietbohl, Perry М. Bell et al Engineering the petawatt laser into Nova, SPIE Proceedings Vol. 3264, pp. 65-76,1998,

16. J.J.Rocca, O.D.Cortazar, B.T.Szapiro et al. Study of fast capillary discharge plasma columns for soft-x-ray amplifiers /SPffi UV Lasers II.-1993.-T.201

17. J.J. Rocca, "Table Top Soft-X Lasers," (Invited Review Paper), Review Scientific Instruments 70,3788, (1999)

18. David Attwood. Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation: Principles and Applications, Cambridge University press 20041. Литература к Главе 1:

19. D.-E. KimJD.-S. Kim, A.L. Osterheld. Characteristics of populations and gains in neon-like argon. Journ. Appl. Phys., Vol.84, num.11, pp. 5862-5866

20. J.L.A. Chilla and J.J. Rocca Beam Optics of gain-guided soft x-rays in cylindrical plasmas. JOSA B, vol.13, No 12 (1996), pp. 2841-2851

21. M.C. Marconi, J. L. Chilla, C.H. Moreno, B.R. Benware and J.J. Rocca " Measurement of the Spatial Coherence Buildup in a Discharge Pumped Table-Top Soft X-Ray Laser". Phys. Rev. Lett. 79,2799, (1997)

22. B.R. Benware, C.D. Macchietto, C.H. Moreno and J.J. Rocca, "Demonstration of a high average power tabletop soft x-ray laser", Phys. Rev. Lett. 81,5804, (1998)

23. C.D. Macchietto, B.R. Benware and J.J. Rocca, "Generation of MilliJoule-level Soft X-RayLaser Pulses at 4Hz Repetition Rate in a Highly Saturated Table-Top Capillary Discharge Amplifier," Optics Lett. 24,1115-1117, (1999)

24. Yanwei Liu, M. Seminario, F.G. Tomasel, С Chang, J.J. Rocca and D.T. Attwood "Spatial coherence measurement of a high average power table-top soft x-ray laser" J.Phys. IV France 11 (2001)

25. C.H. Moreno, M.C. Marconi, V.N. Shlyaptsev and J.J. Rocca, "Shadowgrams of a dense microcapillary plasma obtained with a table-top soft x-ray laser", IEEE Transactions on Plasma Science, 27, 6, (1999)

26. C.H. Moreno, M.C.Marconi, K. Kanizay, J.J. Rocca, Yu. A. Uspenskii, A.V. Vinogradov and Yu.A.Pershin, "Soft x-ray laser interferometry of a pinch discharge using a table-top laser",Phys. Rev. E 60,911, (1999)

27. J.J.Rocca, O.D.CortazarJF.G. Thomasel and B.T.Szapiro "Efficient Generation of Highly Ionized Calcium and Titanium Plasma Columns for Collisionally Excited Soft X-Ray Lasers in a Fast Capillary Discharge" Phys.Rev.E vol.48 num.4 (1993)

28. J.J. Gonzalez, M. Frati, J.J. Rocca, V.N. Shlyaptsev and A.L. Osterheld, "High power density capillary discharge plasma columns for shorter wavelengths discharge-pumped soft x-ray lasers"; Physical Review E, 65,026404, (2002)

29. K.Kola6ek, V.BohaCek, J.Schmidt, P.Sunka, J.Ullschmied, M.Ripa: Axial Emission of the Fast Capillary Discharge in the Visible and Soft X-Ray Region Journal of Technical Physics 39 (1998), Special Suppl., 161-165

30. Korea, June 2-5, 2003, ШЕЕ Conference Record-Abstracts, ШЕЕ Catalog Number. 03CH37470, ISBN: 0-7803-7911-Х,

31. Gohta Nimmi, Yasushi Hayashi, Akitoshi Okino, Masato Watanabe, Eiki Hotta: Development of Soft X-ray Laser Using Capillary Discharge, Journal of Plasma and Fusion Research, Vol. 77, No. 12,2001, p. 1239-1248

32. G.Tomasetti, A Ritucci, L. Palladino, L. Reale, O. Consorte, S.V. Kukhlevsky, F. Flora, I. Zs. Kozma, L.Mezi, J. Kaiser, O. Samek, M. Liska, Czech J. of Phys., 52, 1 (2002)

33. G.Tomasetti, A Ritucci, L. Palladino, L. Reale, S.V. Kukhlevsky, F. Flora, L.Mezi, J. Kaiser, A. Faenov and T. Pikuz, Eur. Phys. J. D, 19,73-77 (2002)

34. R.A. Nemirovsky, A. Ben-Kish, M. Shuker, A. Ron, Effect of Neutral Atoms on a Capillary Discharge Z-pinch. Phys. Rev. Lett., 82, pp 3436-3439 (1999)

35. A. Ben-Kish, A. Fisher, E. Cheifetz, J.L. Schwob, Extreme ultraviolet-vacuum ultraviolet spectrum detection using image plates. Rev. Sci. Inst., 71,2651, (2000)

36. A.Ben-Kish, MShuker., R.Nemirovsky, A. Fisher, A. Ron, J.L. Schwob, Plasma Dynamics in Capillary Discharge Soft X-Ray Lasers. Phys. Rev. Lett., 87,015002, (2001)

37. A.Ben-Kish, M.Shuker., R.Nemirovsky, A. Fisher, A. Ron, J.L. Schwob, Parametric investigation of capillary discharge experiment for collisional excitation x-ray lasers SPIE 3776, 166(1999)

38. A. Ben-Kish, Ph.D. thesis, Technion, Haifa, Israel

39. C. Steden and H.-J. Kunze. Observation of gain at 18.22 nm in the carbon plasma of a capillary discharge Phys. Lett. 151,534-537 (1990)

40. A. Hildebrand, A. Ruhrmann, S. Maurmann, H.-J. Kunze. Amplified spontaneous emission on the J= 2-Я, 3p-3s transition of neonlike argon in a capillary discharge. Phys. Lett. A 221, 335-338 (1996)

41. J.J.Rocca, D.C.Beethe, D.Voorhees. Proposal for soft-xray and XUV lasers in a capillary discharges //Optics letters.-1988.-T.13.-No.7.-C.565-567

42. S. S. Ellwi, L .Juschkin, S. Ferri, H.-J. Kunze, K. N. Koshelev and E. Louis. X-ray lasing as a result of an induced instability in an ablative capillary discharge. J. Phys. D: Appl. Phys. 34,336-339 (2001)

43. K. N. Koshelev, H.-J. Kunze. Population inversion in a discharge plasma with neck-type instabilities. Quantum Electronics 27,164-167 (1997)

44. S. S. Ellwi, Z. Andreic, S. Pleslic and H.-J. Kunze. Probing of the active layers in a capillary discharge soft X-ray laser at 18.22 nm. Phys. Lett. A 292, 125-128 (2001)

45. F. Ruhl, L. Aschke, H.-J. Kunze. Selective population of the n = 3 level of hydrogen-like carbon in two colliding laser-produced plasmas. Phys. Lett. A 225, 107-112 (1997)

46. H.-J. Kunze, S. S. Ellwi, Z. Andreid. Lasing in an ablative capillary discharge with structured return conductor. Phys. Lett. A 334,37-41 (2005)

47. L. Aschke, PhD thesis, Ruhr-Universitat, Bochum, 1999

48. Интенсивный источник ВУФ-излучения на основе плазмы капиллярного разряда. И.И. Собельман, А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев, JI.B. Найт, Р.С. Турли. Квантовая электроника, 33, №1 (2003), стр. 3-6

49. Soto L., Esaulov A., Moreno J., Silva P., Sylvester G., Zambra M., Nazarenko A., and Clausse A. Transient electrical discharges in small devices. Physics of Plasmas. 2001. V. 8. №. 5. P. 2572

50. Soto L., Silva P., Sylvester G., Moreno J., Esaulov A., Nazarenko A. Fast capillary discharge: plasma dynamics and VUV spectroscopy diagnostics. Rev.Mex.Fisica, 2002, v.48, p. 142-144.

51. Shevelko A.P., Knight L.V., Yakushev O.F., Proc SPIE Int. Soc. Opt. Eng., 4144, 68 (2000),

52. Шевелько А.П., Якушев О.Ф. Поверхность, 4, 66 (2001)

53. Шевелько А.П. Квантовая Электроника, 23, №8, с. 748 (1996) Абсолютные измерения в ВУФ области спектра с помощью люминесцентного детектора1. Литература к Главе 2:

54. Н.А. Боброва, С.В. Буланов, Т.Л. Разинкова, П.В. Сасоров. Динамика пинчевого разряда в тонком канале /Физика Плазмы, 1996, том 22, №5, с. 387-402

55. Н.А. Боброва, С.В. Буланов, Р. Поцоли, T.JI. Разинкова, П.В. Сасоров, Д. Фарина. МГД-моделирование плазмы капиллярных разрядов./Физика Плазмы, 1998, том 24, №1, с. 3-8

56. J.J. Rocca, В. Szapiro, D. Cortazar, F. Tomasel, J. Meyer, J. Hung and K. Floyd, "Fast Discharge Excitation of small scale soft x-ray lasers", Procc. of the 3rd Int. Colloquium on X-ray Lasers, Schliersee, Germany 1992

57. К.Шенбах, М.Кристиансен, Шефер Г. Размыкатели для индуктивных накопителей энергии //ТИИЭР.-1984.-Т.7

58. Ю.А.Котов, Г.А.Месяц, С.Н.Рукин, А.Л.Филатов. Твердотельный прерыватель тока для генерирования мощных наносекундных импульсов.//Доклады Академии Наук, 1993, Т.ЗЗО, №3, с.315-317

59. С.А.Дарзнек, С.К.Любутин, С.НРукин, Б.Г.Славиковский, С.Н.Цыранов. SOS-диоды: наносекундные прерыватели сверхплотных токов.// «Электротехника» 1999 г. № 4 с.20-28

60. RJ.Commisso et al., The plasma erosion opening switch. Opening Switches, edited by A. Guenther, T.Martin, M. Kristiansen, pp. 149-176, Plenum Press-, New York, 1987.

61. Дарзнек С.А., Месяц Г.А., Рукин C.H. Динамика электронно-дырочной плазмы в полупроводниковых прерывателях сверхплотных токов.// ЖТФ, 1997г., Т. 67, вып. 10, с. 64-70

62. Э.Конуэлл. Кинетические свойства полупроводников в сильных электрических полях.//1970, М., «Мир»

63. Еремин С.А., Мокеев О.К, Носов Ю.Р. Полупроводниковые диоды с накоплением заряда. Москва, Сов. Радио, 1966

64. Тучкевич В.М., Грехов И.В. Новые принципы коммутации больших мощностей полупроводниковыми приборами. //Л., «Наука» 1988г.

65. Месяц Г. А. Словиковский Б.Г. Рукин С.Н. Любутин С.К. Repetitive short pulse SOS-generators //In Proc.: XII Int. ШЕЕ Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999 - V. 2 - P. 1226 - 1229

66. Назаренко A.B., Анциферов П.С., Дорохин Л.А., Кошелев К.Н., Сидельников Ю.В, Формирователь импульса тока для капиллярного разряда на основе полупроводникового размыкателя. ПТЭ, 2003, №1, с. 60-63

67. С.Н. Рукин, Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока, ПТЭ, 1999, №4, с 5-361. Литература к Главе 3:

68. R.Kelly. Atomic and Ionic Emission Lines below 2000 Angstroms.// Naval Research Laboratory Washington D.C. 1973

69. P. S. Antsiferov, S. S. Churilov, L. A. Dorokhin, K. N. Koshelev, A. V. Nazarenko and Yu. V. Sidelnikov. Analysis of high resolution Ar IX spectrum, excited in fast capillary discharge. Physica Scripta, Vol. 62, 127-131 (2000)

70. Yu.V. Sopkin, L.A. Dorokhin, K.N. Koshelev and Yu.V. Sidelnikov Dynamics of sausage instabilities of a gas-puff Z-pinch. Physics Letters A, vol. 152 (1991), N3,4 pp. 215217

71. Диагностика'плазмы под ред. Р.Хаддлстоуна и С.Леонарда. //Мир (Москва) 1967, §2.1

72. Л.А.Вайнштейн, И.И.Собельман, Е.А.Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линий //"Наука"-1979

73. London R.A, Beam optics of exploding foil plasma x-ray lasers. Phys. Fluids 31(1988), pp. 184-191

74. Modal analysis of x-ray laser coherence. London R.A., Strauss M. and Rosen M.D. Phys. Rev. Lett. 65 (1990) pp. 563-566

75. Гаспарян П. Д., Стариков Ф.А., Старостин А.Н., Проблема угловой расходимости и пространственной когерентности излучения рентгеновского лазера (Обзоры актуальных проблем) Успехи Физических Наук, т. 168, в. 8 (1998) с. 843-876

76. Guiding of High Intensity Laser Pulses in Straight and Curved Plasma Channel Experiments. Y. Ehrlich, C. Cohen, A. Zigler, J. Krall, P. Sprangle, and E. Esarey Phys. Rev. Lett., 1996 v. 77(20) pp. 4186-4189

77. Spence D.J. and Hooker S.M. Investigation of a hydrogen plasma waveguide. Phys. Rev. E. 2001. V. 63, P. 015401(R)

78. Борисов B.M., Высикайло Ф.И., Христофоров О.Б. Исследованиеоднородного сильноточного скользящего разряда. Теплофизика Высоких Температур, 1983, т. 21, №5-6, стр. 844-851

79. Борисов В.Ю., Борисов В.М., Высикайло Ф.И., Христофоров О.Б. Исследование условий формирования однородного сильноточного скользящего разряда. Теплофизика Высоких Температур, 1984, т. 22, №4, стр. 661-666

80. Красюк И.К., Липатов Н.И., Пашинин П.П., Формирование импульса УФ излучения в плазме поверхностного разряда фронтом ударной электромагитной волны. Квантовая Электроника, 1976, т.3,11, с. 2384-2391,

81. А.А. Авдиенко. Поверхностный пробой твердых диэлектриков в вакууме, стимулированный ультрамягким рентгеновским излучением. Журнал Технической Физики, 1979, т.49,6, с. 1248-1253

82. Kunze H.-J., Ellwi S.S., Andreic Z., Proc. of the 1st Kairo Conference on Plasma Physics and Appl., Oct. 2003, Edited by H. Heggazy and H.-J. Kunze

83. P.S. Antsiferov, L.A. Dorokhin, A.V. Nazarenko, L.A. Mednikov Axially inhomogeneous plasma in fast discharges for creation of population inversion in soft x-ray region. J.Phys.D: Appl. Phys., 37, (2004) pp. 2527-2530.