Способ измерения температуры лазерной плазмы

 

Изобретение относится к физике плазмы, а именно к способам измерения электронной температуры плазмы, создаваемой лазерным излучением на мишенях из проводников. При воздействии лазерного излучения на поверхность твердой мишени, установленной в вакууме, происходит образование плазмы, из которой вследствие более высокой подвижности уходят электроны. В результате на границе плазмы с вакуумом образуется своеобразный плазменный конденсатор. При этом как плазма, так и мишень в начальный момент времени приобретают определенный потенциал V₀ относительно заземленных стенок вакуумной камеры. Таким образом, мишень, использующаяся как источник плазмы, одновременно выполняет функцию зонда, который не вносит никаких возмущений в плазму. Технический результат изобретения: повышение экспрессности измерения электронной температуры лазерной плазмы. 2 ил.

Изобретение относится к физике плазмы, а более конкретно к способам измерения электронной температуры плазмы, создаваемой лазерным излучением на мишенях из проводников.

Известен способ измерения электронной температуры лазерной плазмы методом измерений интенсивности спектральных линий излучения, испускаемого плазмой (в кн. : "Элементарная физика плазмы" Л. А. Арцимовича, М. : Атомиздат, 1969, гл. 6.4, с. 126-129).

Известен также способ измерения электронной температуры лазерной плазмы, включающий создание плазмы лазерным излучением на мишени - метод электрических зондов (Чен Ф. Электрические зонды в кн. : "Диагностика плазмы", под редакцией Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М. : Мир, 1967, с. 94-164), являющийся наиболее близким к заявленному изобретению, т. е. прототипом. Сущность метода заключается в том, что в плазму погружается электрод небольших размеров - зонд и производится измерение тока, идущего на этот электрод при различных значениях подаваемого на него напряжения. В результате строится кривая зондовая характеристика плазмы, по которой и определяется ее электронная температура. Этот способ имеет ряд недостатков, например, зонд может вносить возмущения в исследуемую плазму, а также он не пригоден для экспрессного измерения электронной температуры лазерной плазмы в лазерно-плазменных установках (например, в лазерном источнике ионов).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экспрессности измерения электронной температуры лазерной плазмы.

Это достигается тем, что в способе измерения электронной температуры плазмы, включающем создание плазмы лазерным излучением на мишенях, измеряют величину потенциала, возникающего на мишени при образовании лазерной плазмы в области плотностей потока лазерного излучения потока Q<10/λ² Вт/см², где λ - длина волны лазерного излучения в мкм, и определяют электронную температуру по формуле kT_е= BeV₀, где kT_e - электронная температура плазмы; V₀ - величина потенциала мишени; е - элементарный заряд; В - константа, зависящая от атомного веса материала мишени и величины плотности потока лазерного излучения.

На фиг. 1 изображен один из примеров устройства для осуществления способа измерения электронной температуры плазмы.

Устройство состоит из лазера 1, системы зеркал 2 для ввода излучения лазера в камеру, вакуумной камеры 3, входного окна 4, мишени 5, фокусирующей линзы 6, нагрузочного сопротивления 7 и запоминающего осциллографа 8.

Данный способ осуществляется следующим образом.

При фокусировке лазерного излучения с помощью линзы 6 на поверхность твердой мишени 5 из проводника, установленной в вакуумной камере 3, происходит образование плазмы 9, из которой вследствие более высокой подвижности уходят электроны, в результате чего на границе плазмы с вакуумом образуется своеобразный плазменный конденсатор 10. При этом как плазма, так и мишень в начальный момент времени приобретают определенный потенциал V_о относительно заземленных стенок вакуумной камеры. Таким образом, мишень, использующаяся как источник плазмы, одновременно выполняет функцию зонда, который не вносит никаких возмущений в плазму. Величина V_о определяется параметрами плазмы и может быть найдена из условия равенства электронного и ионного тока через границу плазмы. В предложении максвелловского распределения электронов по скоростям и равенства электронной и ионной температуры (Чен Ф. Электрические зонды в кн. : "Диагностика плазмы", под редакцией Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда, М. : Мир, 1967, с. 94-164), которые достаточно хорошо выполняются для лазерной плазмы при плотностях потока Q<10/λ² Вт/см², где λ - длина волны лазерного излучения в мкм (Krokhin O. N. High temperature and plasma phenomena induced by laser radiation-Proc Intern School Phys. , Caldirda and H. Knoepfel (Eds. ), N. Y. : Acad. Press Inc. , 1971, p. 278-305), величина V_о соответствует плавающему потенциалу плазмы: Φ = kT_e|ln(πm_e/2m_i)|/2e, где m_е, m_i - массы электрона и иона соответственно; е - элементарный заряд.

Принимая B = |2/ln(πm_e/2m_i)| и считая лазерную плазму идеальным проводником, можно считать величину потенциала мишени V_о равной плавающему потенциалу плазмы Φ, получаем kT_e = BeV_о.

Таким образом, измеряя величину V_о на сопротивлении 7, нагруженном на мишень, можно определить температуру лазерной плазмы kT_e за один импульс лазера при плотностях потока Q<10/λ² Вт/см², причем величина нагрузочного сопротивления 7 подбирается по получению максимального сигнала V_о, а величина В при этих плотностях потока слабо зависит от атомного веса мишени и принимается В= 0,2 (Гуревич А. В. , Мещеркин А. П. Ускорение ионов при сферическом расширении плазмы. - Физика плазмы, 1983, т. 9, , с. 995-963. ) Эффект возникновения потенциала на мишени является известным эффектом, но никогда данный скачок потенциала не использовался для определения электронной температуры лазерной плазмы, так как считался побочным явлением. Тем не менее, используя мишень в качестве зонда для плотностей потока Q<10/λ² Вт/см², где λ - длина волны лазерного излучения в мкм, возможно экспрессное измерение температуры лазерной плазмы.

В качестве примера выполнения производилось определение температуры плазмы, создаваемой излучением лазера с длиной волны λ= 10,6 мкм при различных плотности потока лазерного излучения Q≅5•10⁹ Вт/см² на мишенях из тантала и свинца. Плотность потока лазерного излучения в эксперименте менялась с помощью калиброванных фильтров (диаметр пятна фокусировки фиксирован). Мишени устанавливались в вакуумной камере и заземлялись через нагрузочное сопротивление величиной 1 МОм, сигнал с которого подавался на вход осциллографа. При воздействии лазерного излучения на мишень на ней регистрировался потенциал V и по формуле kT_e= BeV, где В= 0,2, определялась электронная температура лазерной плазмы для различных плотностей потока.

На фиг. 2 приведены значения электронной температуры kT_e, полученные с помощью заявляемого способа для двух материалов мишени в зависимости от плотности потока лазерного излучения Q с длиной волны λ= 10,6 мкм в сравнении с данными, полученными по другим методикам (показаны сплошной линией) (Tonnon G. F. Laser sourses for multiply-charged heavy ions IEEE Transactions on Nuclear Science, 1972, V. NS-19, , p. 172-183).

Как видно из фиг. 2, абсолютные значения кТ_е, определенные по данной методике, совпадают в пределах экспериментальной погрешности 30% с результатами измерений кТ_е, полученными с использованием других методик.

В отличие от прототипа, в котором невозможно определить электронную температуру достаточно быстро, поскольку необходимо строить кривую зондовой характеристики плазмы, по которой определяется ее электронная температура (необходимо множество измерений), для предлагаемого способа достаточно одного измерения величины потенциала мишени V_o, по которой и определяется температура кТ_е, что намного повышает экспрессность измерения электронной температуры лазерной плазмы.

Применимость данного способа вне зависимости от плотности потока в диапазоне Q<10/λ² Вт/см², где λ - длина волны лазерного излучения в мкм, расширяет область применения предлагаемого способа измерения кТ_е по сравнению с известными, например, в лазерно-плазменных установках (лазерные источники многозарядных ионов для ускорителей, лазерная масс-спектрометрия и т. д. ).

Для повышения точности измерения кТ_е по данному способу коэффициент В, который вследствие ускорения ионов в двойном слое на границе плазмы может зависеть не только от атомного веса материала мишени, но и от плотности потока (при Q>10¹³/λ² Вт/см²), может быть отнормирован при различных Q с использованием других методик.

Формула изобретения

Способ измерения электронной температуры плазмы, включающий создание плазмы лазерным излучением на мишенях, отличающийся тем, что измеряют величину потенциала, возникающего на мишени при образовании лазерной плазмы в области плотностей потока лазерного излучения потока Q<10/λ² Вт/см², (λ - длина волны лазерного излучения, мкм) и определяют электронную температуру плазмы по формуле kТ_e = ВеV₀, где kТ_e - электронная температура плазмы; V₀ - величина потенциала мишени; е - элементарный заряд; В - константа, зависящая от атомного веса материала мишени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2