Исследование спектра ядер атома Ве с помощью лазерно-ионизационной масс-спектрометрии



С развитием лазерной физики, физической электроники, ядерной и радиационной физики, с применением многозарядных ионов и ядер большой интерес представляют исследования формирования ядер с поверхности твердого тела под действием излучения лазера. Известно, что с помощью излучения лазера с поверхности твердых тел эмитируются электроны, многозарядные ионы, нейтроны, излучения в широком диапазоне спектра. Однако спектры ядер атомов различных элементов слабо изучены. Исследования спектров ядер атомов особенно легких элементов в зависимости от плотности мощности излучения лазера и состава мишени, представляют значительный интерес для понимания физики формирования их спектров и создания лазеров на многозарядных переходах, нелинейно оптических сред. Кроме того, потребность в эффективном источнике многозарядных ионов и ядер значительно возросла из-за интенсивного развития экспериментальных работ по программе тяжелоионного инерциального синтеза.

Для регистрации и исследования спектра ядер Ве был использован твердотельный неодимовый лазер, работающий в моноимпульсном режиме. Лазер имел следующие параметры: E_max=5,0 Дж, _{дл..иим.} = 50 нс, λ=1,06 мкм,q=10⁹10¹² Вт/см², =18⁰ относительно нормали мишени, когда работал в однолучевом режиме. С помощью эксперимента получены экспериментальные данные о спектрах ядер атома Ве в зависимости от параметров излучения лазера и атомной массы мишени. Был установлен ряд особенностей формирования спектра ядер Ве в исследуемом интервале параметров излучения лазера и атомной массы мишени.

Известно, что регистрация и идентификация масс-зарядовых спектров лазерной плазмы способствуют определению интенсивности (количества), длительности, скорости, массы, кратности заряда, энергетического спектра как многозарядных ионов, так и ядер полностью ионизованных атомов твердых тел. Экспериментально получен пакет масс-зарядовых спектров ядер Ве (а также и многозарядных ионов) в широком интервале плотности мощности излучения лазера и атомной массы мишени.

Идентификация полученных масс-зарядовых спектров по массам и кратностям заряда позволила выявить, начиная с определенной плотности мощности излучения лазера, наряду со спектрами многозарядных ионов и спектры ядер Ве⁴⁺ лазерной плазмы. На рис.1 приведены типичные масс-зарядовые спектры многозарядных ионов и ядер Ве, полученных с использованием лазерно-ионизационной масс-спектрометрии при q =10¹¹ Вт/см² для Ве. Здесь отчетливо наблюдаются многозарядные ионы Ве¹⁺- Ве³⁺ лазерной плазмы, а также пучки ядер Ве⁴⁺. Экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуются с расчетными данными. Время пролета многозарядных ионов, расположенных на масс-зарядовым спектре, обратно пропорционально .

Рис. 1.Масс-зарядовые спектры многозарядных ионов и ядер Ве, полученных при q =10¹¹ Вт/см²

Например, при энергии однозарядного иона Ве, равной 440 эВ, время пролета ионов с Z=1–4 равно 13,6; 9,5; 7,9; 6,8 мксек соответственно. Длительности ионного и ядерного пакетов Ве¹⁺ и Ве⁴⁺ равны 0,5 и 0,3 мксек соответственно.

Характерно то, что распределения интенсивности многозарядных ионов Ве подчиняются определенной закономерности, когда они образованы однолучевым излучением лазера.

Таким образом, исследованием масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и ядер атома Ве в интервале плотности мощности излучения лазера q =10⁹10¹² Вт/см² установлено формирование зарядового спектра ядер Ве⁴⁺ лазерной плазмы. Был установлен ряд особенностей в формировании спектра ядер атома Ве, который значительно зависит от плотности мощности излучения лазера и атомной массы мишени.

Изучение масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и ядер атома Ве, полученных в зависимости от плотности мощности излучения лазера, показало, что не только многозарядные ионы, но и пучки ядер и их формирование значительно зависят от плотности мощности излучения лазера. При этом увеличение плотности мощности излучения лазера приводит не только к росту кратности заряда высокозарядных ионов, энергетического диапазона, интенсивности (количества) ионов, но и к формированию спектра ядер атомов элемента. Следовательно, рост q лазера последовательно приводит к образованию и формированию от однозарядного иона до пучка ядер атомов Ве. На рис.2 приведены типичные масс-зарядовые спектры ионов и ядер Ве в зависимости от плотности мощности излучения лазера.

Рис. 2.Масс-зарядовые спектры многозарядных ионов и ядер Ве, полученных в зависимости от плотности мощности лазера, где а-q=10¹¹ Вт/см², б — 510¹⁰ Вт/см²; в-10¹⁰ Вт/см², г-510⁹ Вт/см²

Отсюда видно, что увеличение плотности мощности излучения лазера от q=510⁹ Вт/см² (г) до q=10¹¹ Вт/см² (а) приводит, последовательно, к образованию ионов с кратностью заряда Z=1–4, особенно, пучка ядер Ве⁴⁺ при q =10¹¹ Вт/см². Надо заметить, что увеличение q лазера не только приводит к полной ионизации атомов Ве, но и к росту интенсивности высокозарядных ионов Ве. Характерно то, что формирование потока ядер Ве с помощью излучения лазера с высокой степенью «закалки» зависит как от атомной массы мишени, так и от различных максимальных значений q лазера.

Зависимость максимальной кратности заряда (спектра ядер) Ве от плотности мощности излучения лазера имеет нелинейный характер. Данную зависимость можно условно разделить на две части. В первой части, при относительно низком q лазера: для Ве q<410⁹ Вт/см² — в основном проходят процессы нагрева, испарения, ионизации мишени под воздействием излучения лазера. Во второй части, при относительно высоком q лазера: для Веq > 410¹⁰ Вт/см² — в основном проходят процессы ионизации и рекомбинации в разлетающейся лазерной плазме. Надо отметить, что формирование пучков ядер в лазерной плазме протекает при условии, когда в плазме происходит интенсивная ионизация ионов (атомов). Следовательно, образованные пучки ядер в плотной и высокотемпературной плазме разделяются при свободном разлете без внешних электрических и магнитных полей.

Известно, что увеличение q лазера приводит к росту интенсивности (количества) ионов в широком интервале кратности заряда. В свою очередь, с ростом кратности заряда ионов в плазме наблюдается уменьшение интенсивности высокозарядных ионов, относительно низкозарядных. Эти закономерности изменения интенсивности с ростом q лазера верны и для формирования пучка ядер в плазме.

Расчеты показали, что с ростом q лазера количество ионов (ядер) каждого заряда монотонно возрастает

На основе полученных масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и ядер атомов лазерной плазмы построены энергетические спектры как высокозарядных ионов, так и ядер элемента Ве. Ядро Ве⁴⁺ имеют по характеру широкий энергетический спектр с максимумом распределения, и с ростом массы элемента максимумы распределения сдвигаются в сторону больших энергий. Максимумы энергетических спектров ядер Ве⁴⁺ приходятся на 1,1 кэВ соответственно. Энергетические спектры ядер Ве⁴⁺ приведены на рис. 3.

Рис. 3.Энергетические спектры ядер Ве⁴⁺(1) лазерной плазмы

Энергетические спектры ядер атомов существенно отличаются по характеру и диапазону энергии от спектров многозарядных ионов данного элемента, поскольку последние расположены в более низкоэнергетической части спектра, и они имеют более широкие спектры с двумя максимумами. Энергетические спектры многозарядных ионов с двумя максимумами распределения по природе связаны с тепловыми и рекомбинационными процессами с участием ионов с высокой кратностью. Однако, в случае формирования энергетического спектра ядер отсутствует рекомбинационная часть спектра, т. к. в плазме отсутствуют ионы с зарядом большим, чем у ядер атома исследуемого элемента.

Специальные исследования устойчивости интенсивности и спектра пучка ядер Ве к числу воздействия излучения лазера и кратерообразованию на поверхности мишени показали, что характеристики пучка ядер остаются постоянными, если место воздействия обновляется от выстрела к выстрелу. Систематическое обновление места падения луча лазера требуется в случае мишеней из Ве характеристики пучка ядер в пределах до 50 актов воздействия на одно и тоже место не менялись, т. е. параметры пучка ядер оставались неизменными. Масс-спектрометрические и микроскопические исследования акта воздействия излучения лазера на поверхность твердых тел говорят о том, что природа эмиссии многозарядных ионов и ядер поверхности связана с тепловым микровзрывом. Согласно полученным экспериментальным данным, в пределах регистрируемого апертурного телесного угла (10–⁶ рад) оценочные токовые значения пучка ядер Ве⁴⁺ равны 1,0 мкА соответственно. Интенсивность и энергия пучка ядер элемента, эмитированных под действием излучения лазера, и их вылет из ионизованной среды возрастают с увеличением плотности мощности излучения лазера за счет уменьшения количества низкозарядных ионов и роста степени «закалки» ядер в ионизованной среде.

Таким образом, исследованием спектров ядер Ве, эмитированных под действием излучения лазера на поверхность твердых тел, установлен ряд особенностей их формирования: 1) пучки ядер, в отличие от спектра низкозарядных ионов, имеют широкий энергетический спектр с одним максимумом распределения; 2) с ростом атомного веса элемента Ве максимумы распределения пучка ядер сдвигаются в сторону больших энергий; 3) спектр пучка ядер и их интенсивность сильно зависят от q лазера; 4) пучки ядер, в отличии от низкозарядных ионов, разлетаются при малых телесных углах; 5) спектры пучка ядер Ве устойчивы к многократному воздействию излучения лазера на одно и то же место мишени.

Литература:

1. Диагностика плотной плазмы / Н. Г. Басов, Ю. А. Захаренков и др.; под ред. Н. Г. Басова. — М.: Наука, 1989.
2. Быковский Ю. А., Неволин В. В. Лазерная масс-спектрометрия. — М.: Энергоатомиздат, 1985.
3. Мазинг М. А., Шевелько А. П. Ионизационный состав лазерной плазмы. — Москва, 1987.
4. Беляев Б. С. Механизм образования электронов высокой энергии лазерной плазме // Квант. электрон. — 2004. -№ 1 (34). — С. 41–46.