CC BY
8
108
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 2
Повышение выхода жестких рентгеновских квантов при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения на хром-форстерите с кластерами Хе
А. П. Голубев1, В. М. Гордиенко,£\ М.С. Джиджоев', И. А. Макаров1, Д. Н. Трубников26
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова. ' Физический факультет, кафедра общей физики и волновых процессов. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. I, стр. 2.
E-mail: "[email protected]. 2 Химический факультет, кафедра физической химии.
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. I, стр. 3. E-mail: ь [email protected].
Проведены эксперименты по взаимодействию фемтосекундного лазерного излучения (1240 нм, 140 фс, 10,ь Вт/см2) с кластерным пучком Хе в бинарной смеси Xe-Ne. Получено сужение кластерного пучка Хе и увеличение выхода рентгеновских квантов в области около 4 кэВ при формировании кластеров Хе в присутствии легкого носителя Ne. Эффективность генерации рентгеновского излучения составила порядка 10^8.
PACS: 52.38., 36.40.
Ключевые слова: кластеры, кластерная плазма, рентгеновское излучение, фемтоеекундное лазерное излучение.
Статья поступила 03.10.2008, подписана в печать 25.11.2008.
Воздействие фемтосекундного лазерного импульса сверхвысокой интенсивности (/ > 10,ь Вт/см2) на кластеры позволяет формировать плазму, обладающую уникальными свойствами. Образующаяся наноразмерная плазма твердотельной плотности представляет собой эффективный источник рентгеновского излучения, гармоник лазерного излучения, высокоэнергетических ионов и нейтронов [1].
В проблеме повышения эффективности взаимодействия лазерного излучения с кластерной струей наряду с параметрами фемтосекундной установки определяющую роль играет концентрация больших (10ь атомов) кластеров. В большинстве экспериментов типичная средняя плотность кластеров в области взаимодействия составляет 109 — 1010 см^3. При этом среднее расстояние между кластерами оказывается порядка 10 мкм и сравнимо с диаметром фокальной перетяжки. Поэтому для получения высоких абсолютных выходов используют большой объем перетяжки. Число методов управления параметрами кластерного пучка мало и обычно ограничивается применением сверхвысоких давлений либо охлаждением сопла до криогенных температур. Практическая реализация этих методов в ряде случаев затруднена. В работах [2, 3] для повышения концентрации кластеров в приосевой области предложено использовать смесь тяжелых и легких атомов — смесь молекул азота с гелием [3], при этом получено существенное возрастание выхода рентгеновского излучения в мягкой области спектра.
Целью настоящей работы являлось исследование влияния легкого газа-носителя Ые на параметры кластерного пучка Хе в интересах увеличения выхода рентгеновских фотонов при воздействии на кластерный пучок сверхинтенсивного (/~ 10,ь Вт/см2) фемтосекундного излучения лазера на хром-форстерите.
Генерация рентгеновского излучения исследовалась на экспериментальной установке, схема которой представлена на рис. 1. Узловым элементом установки для создания кластерных пучков является сопловой блок, включающий быстродействующий импульсный клапан, стеклянное коническое сопло с диаметром критического
кччччччч^ 7
2 ,3
i Т
J
'Х.
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — излучение лазерной системы на кристалле Cnfosterit, 2 — диафрагма, 3 — объектив F = 6 см, 4 — вакуумная камера, 5 — кластерный пучок (распространяется перпендикулярно плоскости рисунка), 6 — бериллиевый фильтр, 7 — рентгеновский ФЭУ со сцинтиллятором Nal
сечения 500 мкм, углом полураскрытия порядка 5° и длиной 30 мм. В экспериментах был использован клапан на основе биморфной керамики, разработанный в лаборатории молекулярных пучков химического факультета МГУ. Были определены условия, обеспечивающие моноимпульсный режим работы сопла. Давление в камере поддерживалось на уровне 10^3 торр. Клапан работал как в однократном режиме, так и с частотой 10 Гц.
Для оценки размера кластеров, которые можно получить на используемой установке, использовалась эмпирическая формула О. Хагена [4], характеризующая кластеризацию через параметр Хагена Г = T(ko, d, а,ро, То), где ko — константа, зависящая от типа газа (&о = 5500 для Хе), d — диаметр критического сечения сопла (в мкм), а — угол полураскрытия сопла (5°), ро — давление в камере высокого давления (торр), То — температура газа в камере высокого давления. Параметр Хагена позволяет оценить число атомов N в кластере: N = 100(171000)'8 [5]. Оценку концентрации кластеров можно сделать исходя из размера кластера, расчетной концентрации атомов газа и данных о параметре сухости — количестве газа, испытывающего кластеризацию. Численные решения системы газодинамических и кинетических уравнений показывают [6], что кластеризации подвергается 10-20% от общего числа частиц. Расчеты
ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ. ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА
109
показали, что в условиях эксперимента (при давлении 2-16 атм и температуре 293 К) возможно получение кластеров размером 101-10ь атомов при концентрации 109-Ю10 см^3.
Диагностика кластерного пучка Хе осуществлялась методом рэлеевского рассеяния излучения эксимерного ХеС1-лазера (308 нм, 10 мДж, 30 не). Зондирование производилось на расстоянии 10 мм от среза сопла. В результате получена степенная зависимость сигнала рэлеевского рассеяния от давления ксенона рд с показателем 2.7 в диапазоне 2-6 атм, сменяющаяся линейной в области давлений 6-16 атм.
В экспериментах для диагностики кластерного пучка использовался быстродействующий пироэлектрический приемник (ПЭП) МГ32 [7]. Отклик ПЭП на пучок атомарного газа является положительным и отражает временной профиль газового потока. При падении на ПЭП кластерного пучка сигнал становится отрицательным (рис. 2). Регистрируемое ПЭП формирование кластеров Хе начинается уже при давлении рд = 1.8±0.2 атм и хорошо коррелирует со значением, полученным из экспериментов по рэлеевскому рассеянию.
Для достижения условий генерации рентгеновского излучения (необходимая интенсивность лазерного излучения порядка 10,ь Вт/см2) применялся специальный объектив с фокусным расстоянием F = 6 см. Измеренный диаметр перетяжки составил 5 мкм, а объем перетяжки, оцененный по формулам для гауссовского пучка, был 30 мкм3. Регистрация рентгеновского излучения осуществлялась ФЭУ со сцинтиллятором Nal и полосовым фильтром из бериллия, отсекающим излучение с энергией меньше 2 кэВ. Геометрический фактор приема был около 5 • 10"3.
Основные эксперименты выполнены со смесью Хе с легким газом-носителем Ne. Нами было впервые проведено исследование пространственного распределения концентрации кластеров по выходу рентгеновского излучения для смеси Xe-Ne в соотношении 2 : 1 (суммарное давление 15 атм). При постоянной мощности лазерного излучения фокальная перетяжка сканировалось вдоль пути распространения пучка с шагом 500 мкм (рис. 3). Видно, что в смеси с неоном полуширина распределения сужается от 3.2 до 2 мм, а интенсивность на оси возрастает в 1.7 раза. Ассиметричная форма кривой рас-
600 800 1000 U мке
600 800 1000
t, мке
Рис. 2. Вид сигнала ПЭП, характеризующий газовую струю: а — расширение Ые при давлении ро = 3 атм, б
расширение Хе при давлении ро = 3 атм
V, отн. ед.
V, отн. ед.
1 2 AF, мм
1 2 AF, мм
Рис. 3. Выход (V) рентгеновского излучения по сечению кластерного пучка, АР — смещение фокусирующего объектива: а — давление Хе ро = 10 атм, б — смесь Хе-Ые (1:2), давление ро = 15 атм
110
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2009. № 2
пределения вызвана качеством изготовления конического сопла.
В эксперименте получено, что число излученных рентгеновских фотонов с энергией около 4 кэВ (La-линия Хе) с учетом геометрического фактора составило величину порядка 104. Значение спектральной яркости, рассчитанное как В = Np^/(tS ДП Av/v), где t ~ 1 пс — время излучения рентгеновских фотонов, 5 ~ 400 мкм2 — площадь источника излучения, ДП = 4тт — телесный угол, Av/v^Q.2 — спектральный диапазон, оказалось порядка 1013 фотон/(с-мкм2-ср). Эффективность выхода рентгеновского излучения 10^8. Однако прямое сравнение эффективности с литературными данными [8] затруднительно в силу разных условий экспериментов. Ввиду использования режима жесткой фокусировки, при котором величина перетяжки мала, для эффективной генерации рентгеновского излучения представляется целесообразным сравнить эффективности, нормированные на объем перетяжки. В этом случае полученные значения оказываются в 2-3 раза меньше, что можно объяснить наличием косых скачков уплотнения по течению газовой струи.
Таким образом, в работе показано, что наличие легкого газа-носителя в смеси с тяжелым газом, испытывающим кластеризацию, ведет к сужению кластерного пучка, увеличению концентрации кластеров на оси и к соот-
ветствующему увеличению выхода рентгеновского излучения. В дальнейшем представляет интерес исследование процессов кластеризации, возбуждения кластеров и генерации рентгеновского излучения в смеси легких атомов и многоатомных молекул.
Авторы выражают благодарность Ф. И. Паначеву за техническую поддержку работы.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 08-02-90259).
Списож литературы
1. Крайнее В.П., Смирнов Б.М., Смирнов М.Б. // УФН. 2007. 177. С. 953.
2. Ditmire Т., Donnelly Т., Rubenchik A.M. et al. // Phys. Rev. A. 1996. 53. P. 3379.
3. Namba S.,Hasegawa N.. Nagashima K. et al. // Phys. Rev. A. 2006. 73. P. 013205.
4. Hagena O.F. // Rev. Sci. Instrum. 1992. 63, N 4. P. 2374.
5. Dorchies F. et al. // Phys. Rev. A. 2003. 68. P. 023201.
6. Boldarev A.S. Gasilov V.A., Faenov A.Ya. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2006. 77. P. 083112.
7. Макаров ГЛ. // УФН. 2006. 176, № 2. С. 121.
8. Prigent С., Adoui L., Lamour F. et al. // arxiv.org/pdf/physics /0507042.pdf. 2005.
Enhancement of hard X-ray yield under interaction of Cr:forsterite femtosecond laser radiation with Xe-clusters
A.P. Golubev1, V.M. Gordienkola, M.S. Djidjoev1, I.A. Makarov1, D.N. Trubnikov2''
1 Department of General Physics and Wave Processes, Faculty of Physics;
2 Department of Physical Chemistry, Faculty of Chemistry,
M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia. E-mail: "[email protected], h [email protected].
Experiments on interaction of femtosecond laser radiation (1240 nm, 140 fs, 1016 W/cm2) with Xe-cluster beam in binary mixture Xe-Ne were carried out. Xe-clusters were formed in the presence of light carrier gas Ne and narrowing of Xe-cluster beam and X-ray (about 4 keV) yield enhancement was registered. X-ray generation efficiency appeared to be about 10-8.
PACS: 52.38., 36.40.
Keywords: cluster, cluster plasma, X-ray, femtosecond laser irradiation. Received 3 October 2008.
English version: Moscow University Physics Bulletin 2(2009).
Сведения об авторах
1. Голубев Александр Павлович — аспирант; e-mail: [email protected].
2. Гордиеико Вячеслав Михайлович — д. ф.-м. п., профессор; тел.: 939-53-18, e-mail: [email protected].
3. Джиджоев Мурат Суликоевич — к. ф.-м. и., вед. научи, сотр.; тел.: 939-53-18, e-mail: [email protected].
4. Макаров Иван Андреевич — к. ф.-м. п., инженер; тел.: 939-53-18, e-mail: [email protected].
5. Трубников Дмитрий Николаевич — д. х.н., профессор; тел.: 939-45-60, e-mail: [email protected].
