Способ исследования лазерной плазмы Советский патент 1985 года по МПК H01J3/04 

1 Изобретение относится к физике плазмь и может быть применено на установках на которых исследуется взаимодействие лазерного излучения с веществом. При относительно умеренных интенсивностях лазерного излучения продукты разлета плазменного факела будут содержать большую долю нейтральных частиц. Присутствие нейтральных атомов может быть обна ружено, в частности, путем их иони зации электронным ударом и последу щего анализа на масс-спектрометре. Известен способ измерения энергетического спектра нейтральных частиц с помощью механической развертки во времени потока испаренного вещества. Поток плазмы, расширяю цийся с поверхности JИшeни, диафрагмировался и попадал на вращающийся лавсановый диск, что позволяло иметь его временную разверт ку гп. Однако известный способ имеет ряд недостатков. Достоверно измеряют лишь низкоэнергетическую част спектра, есть трудности в определении абсолютных значений концентраций, известный способ не позволя еТ измерить целый ряд энергетических и угловых характеристик, напри мер изучить динамику формирования угловых и энергетических спектров нейтральных атомов. Наиболее близким техническим ре шением к предлагаемому является способ исследования лазерной плазмы, заключающийся в ударной иониза ции атомов электронным пучком и регистрации образовавшихся ионов Основной недостаток, такого спос ба состоит в том, что эффективност ионизации мала. Причина этого в быстром прохождении нейтральными атомами области ионизации (со скоростями л-Ю - Ю см/с), поэтому мало время взаимодействия с электронами (порядка 1 мкс) и мала область ионизации. Недостатком яв.ляется также то, что исследуются нейтральные атомы,, образующиеся только в режиме неразрушающегося лазерного испарения материала 41, Вт/см). Целью изобретения является расширение возможности анализа нейтральной компоненты лазерной плазмы за счет повышения эффективности ионизации. Поставленная цель достигается тем, что в способе исследования .лазерной плазмы, заключающемся в ударной ионизации атомов электронным пучком и регистрации образующихся ионов, пучок образуют из собственных электронов лазерной плазмы концентрации -10 - 10 см путем разрыва плазмы, вьщеления и ускорения электронов до энергии ионизации. ударной ионизации нейтральной компоненты используют собственные электроны лазерной плазмы, которые имеют большие концентрации, а ионизация идет по пути разлета нейтральных атомов, что увеличивает время ионизации. Даже при относительно умеренных мощностях лазерного Излучения с облучаемого пятна можно снимать большие токи (в особенности большие плотности тока). Однако известно, что энергии направленного движения электронов , в диапазоне плотностей лазерного излучения я- 10 - 5-10 Вт/см составляют -10 эВ, что явно недостаточно для ионизации нейтральных атомов, причем плазма сохраняет квазинейтральность. Поэтому для того, чтобы электроны приобрели необходимую для ионизации энергию, нужно разрушить плазму и ускорить электроны. Экспериментально показано, что при работе лазера б режиме модулированной добротности с энергией Е 0,01-0,03 Дж с длительностью импульса 15 не, с фокусировкой излучения до 2-10 см, при плотности мощности на мишени c{, - 10 Вт/см образуется плазменный факел, содеращий нейтральные атомы, которые составляют до 90% частиц в продуктах азлета в количестве атоов, а количество электронов достигает . Вьщеленные из лазерной плазмы и ускоренные электроны риобретают энергию, необходимую ля эффективной ионизации (50100 Эв), прошивают поток нейтральых атомов по пути разлета. Большие лотности нейтральной и электроной компонент, а также относительно ольшое по сравнению с прототипом время взаимодействия обуславливают эффективную ионизацию. Принципиальным отличием предлага мого способа исследования лазерной плазмы является повьшение эффективности ионизации нейтральной компоненты, по крайней мере, на два-три порядка по сравнению с прототипом, а также проведение анализа нейтраль ных атомов не только в режиме лазер ного испарения материала, но и в режимах образования лазерной плазмы. Пример. Экспериментально по казано, что предлагаемый способ поз воляет определить, например, для V г 10 Вт/см и при Ng-IO см следующие параметры потока атомов в зависимости от материала мишени: N-.-10 - 10 ат/см, длительност С 10-50 МКС, скорость пакетов и -(1-5) -10 см/с, V концентрация 10 - сматомов в струе г NO,Для свинца это соответствует -1 -Ю ат/с ;м , длительность сгустка 20 МКС, скорость Voc концентрация 5-Ю см . Мак симумы энергетических спектров лежат в диапазоне нескольких десятков эВ. Эффективность ионизации .10 На чертеже показано устройство для реализации Предлагаемого способа. Устройство содержит лазер 1, фокусирующий объектив 2, облучаемую мишень 3, ионизатор, состоящий из двух сеточных электродов, сеточный, имеющий размер ячейки меньше радиуса Дебая и находящийся под земляным потенциалом электрод 4 и ускоряющий сеточный электрод 5, а также масс-спектрометрический тракт 6. Использование способа исследования ла-зерной плазмы обеспечивает расширение возможности измерения различных энергетических и угловых характеристик нейтральной компоненты лазерной плазмы, позволяет изучить динамику формирования спектров нейтральньк атомов, дает возможность проводить исследования нейтральной компоненты не только в режимах лазерного испарения материала, но и в режимах образования лазерной плазмы.

СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ, заключающийся в ударной ионизации атомов электронным пучком и регистрации образующихся ионов, отличающийся тем, что, с целью расширения возможностей анализа нейтральной компоненты за счет повьппения эффективности ионизации, пучок образуют из собственных электронов лазерной -3 плазмы концентрации 10 - 10 см путем разрыва плазмы, вьщеления и ускорения электронов до энергий ионизации. .