RU2178156C1

RU2178156C1 - Process measuring temperature of laser plasma

Info

Publication number: RU2178156C1
Application number: RU2000112481/28A
Authority: RU
Inventors: Ю.А. Быковский; И.Ю. Конюхов; В.Д. Пекленков
Original assignee: Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет)
Priority date: 2000-05-18
Filing date: 2000-05-18
Publication date: 2002-01-10

Abstract

FIELD: physics of plasma. SUBSTANCE: invention is related to methods measuring electron temperature of plasma formed by laser radiation on targets made up of conductors. Plasma is formed under action of laser radiation on to surface of solid target installed in vacuum and electrons due to their high mobility escape from it. Peculiar plasma capacitor is formed as result on boundary of plasma with vacuum. In this case both plasma and target acquire at starting time moment certain potential V₀ with reference to grounded walls of vacuum chamber. Thus target used as source of plasma functions simultaneously as sonde which does not introduce any disturbance into plasma. EFFECT: reduced measurement time of electron temperature of laser plasma. 2 dwg

Description

Изобретение относится к физике плазмы, а более конкретно к способам измерения электронной температуры плазмы, создаваемой лазерным излучением на мишенях из проводников. The invention relates to plasma physics, and more particularly to methods for measuring the electron temperature of a plasma created by laser radiation on targets from conductors.

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). A known method of measuring the electronic temperature of a laser plasma by measuring the intensity of the spectral lines of radiation emitted by a plasma (in the book: "Elementary Plasma Physics" by L. A. Artsimovich, M.: Atomizdat, 1969, chap. 6.4, pp. 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). There is also a method of measuring the electronic temperature of a laser plasma, including the creation of a plasma by laser radiation on a target - the method of electric probes (Chen F. Electric probes in the book: "Diagnostics of plasma", edited by R. Huddlestone and S. Leonard, M.: Mir, 1967, S. 94-164), which is closest to the claimed invention, i.e., a prototype. The essence of the method lies in the fact that a small electrode is immersed in a plasma - a probe and a measurement is made of the current going to this electrode at various values of the voltage applied to it. As a result, the curve of the probe characteristic of the plasma is constructed, from which its electronic temperature is determined. This method has several disadvantages, for example, the probe can introduce disturbances into the plasma under study, and it is also not suitable for the rapid measurement of the electron temperature of the laser plasma in laser-plasma installations (for example, in a laser ion source).

Задачей предлагаемого изобретения является повышение экспрессности измерения электронной температуры лазерной плазмы. The task of the invention is to increase the expressivity of measuring the electronic temperature of a laser plasma.

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<10¹³/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.This is achieved by the fact that in the method of measuring the electron temperature of the plasma, including the creation of a plasma by laser radiation on the targets, measure the potential arising on the target during the formation of the laser plasma in the region of the density of the laser radiation flux Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , where λ is the wavelength of the laser radiation in microns, and the electron temperature is determined by the formula kT _e = BeV ₀ , where kT _e is the electron temperature of the plasma; V ₀ is the value of the target potential; e is the elementary charge; B is a constant depending on the atomic weight of the target material and the magnitude of the laser flux density.

На фиг. 1 изображен один из примеров устройства для осуществления способа измерения электронной температуры плазмы. In FIG. 1 shows one example of a device for implementing a method for measuring electron plasma temperature.

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. The device consists of a laser 1, a system of mirrors 2 for introducing laser radiation into the chamber, a vacuum chamber 3, an input window 4, a target 5, a focusing lens 6, a load resistance 7 and a storage oscilloscope 8.

Данный способ осуществляется следующим образом. This method is as follows.

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<10¹³/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.When laser radiation is focused using a lens 6 onto the surface of a solid target 5 from a conductor installed in a vacuum chamber 3, a plasma 9 is formed, from which electrons leave due to higher mobility, as a result of which a kind of plasma capacitor 10 is formed at the plasma – vacuum interface. In this case, both the plasma and the target at the initial time acquire a certain potential V _{about the} relatively grounded walls of the vacuum chamber. Thus, the target, used as a plasma source, simultaneously performs the function of a probe, which does not introduce any perturbations into the plasma. The value of V _{о is} determined by the plasma parameters and can be found from the condition of equality of the electron and ion current through the plasma boundary. In the proposal of the Maxwellian distribution of electrons in velocities and the equality of electron and ion temperature (Chen F. Electrical probes in the book: "Plasma diagnostics", edited by R. Huddlestone and S. Leonard, M.: Mir, 1967, pp. 94-164 ), which are quite well performed for a laser plasma with flux densities Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , where λ is the wavelength of laser radiation in microns (Krokhin ON High temperature and plasma phenomena induced by laser radiation-Proc Intern School Phys ., Caldirda and H. Knoepfel (Eds.), NY: Acad. Press Inc., 1971, p. 278-305), the value of V _о corresponds to the floating plasma potential: φ = kT _e | ln (πm _e / 2m _i ) | / 2 e, where m _e , m _i are the masses of the electron and ion, respectively; e is the elementary charge.

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.Taking B = | 2 / ln (πm _e / 2m _i ) | and considering the laser plasma as an ideal conductor, we can consider the value of the target potential V _о equal to the floating plasma potential φ, we obtain 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<10¹³/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<10¹³/λ² Вт/см², где λ - длина волны лазерного излучения в мкм, возможно экспрессное измерение температуры лазерной плазмы.Thus, by measuring the value of V _about the resistance 7 loaded on the target, it is possible to determine the temperature of the laser plasma kT _e per laser pulse at flux densities Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , and the value of the load resistance 7 is selected to obtain the maximum of the signal V _о , and the quantity B at these flux densities weakly depends on the atomic weight of the target and is taken to be B = 0.2 (Gurevich A.V., Meshcherkin A.P. Acceleration of ions during spherical expansion of the plasma. - Plasma Physics, 1983, t . 9,, pp. 995-963.) The effect of the potential on the target is known effect, but never this jump in potential was used to determine the electron temperature of the laser plasma, as it was considered a side effect. Nevertheless, using the target as a probe for flux densities Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , where λ is the wavelength of laser radiation in microns, an express measurement of the temperature of the laser plasma is possible.

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.As an example of execution, the temperature of the plasma produced by laser radiation with a wavelength of λ = 10.6 μm was determined at various laser flux densities Q≤5 • 10 ⁹ W / cm ² on targets made of tantalum and lead. The laser flux density in the experiment was varied using calibrated filters (the diameter of the focus spot is fixed). Targets were installed in a vacuum chamber and grounded through a 1 MΩ load resistance, from which the signal was fed to the oscilloscope input. Under the action of laser radiation on the target, the potential V was recorded on it and, using the formula kT _e = BeV, where B = 0.2, the electron temperature of the laser plasma was determined for various flux densities.

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).In FIG. 2 shows the values of the electronic temperature kT _e obtained using the proposed method for two target materials depending on the laser flux density Q with a wavelength of λ = 10.6 μm in comparison with data obtained by other methods (shown by a solid line) (Tonnon GF 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.As can be seen from FIG. 2, the absolute values of kT _e determined by this method coincide within the experimental error of 30% with the results of measurements of kT _e obtained using other methods.

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.Unlike the prototype, in which it is impossible to determine the electron temperature quickly enough, since it is necessary to construct a curve of the probe characteristic of the plasma, which determines its electron temperature (many measurements are necessary), for the proposed method, one measurement of the target potential V _{o is} sufficient, which determines temperature kT _e , which greatly increases the expressivity of measuring the electron temperature of the laser plasma.

Применимость данного способа вне зависимости от плотности потока в диапазоне Q<10¹³/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. ).The applicability of this method, regardless of the flux density in the range Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , where λ is the wavelength of laser radiation in microns, expands the scope of the proposed method for measuring kT _e in comparison with the known, for example, in laser plasma systems (laser sources of multiply charged ions for accelerators, laser mass spectrometry, etc.).

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.To increase the accuracy of measuring kT _e by this method, coefficient B, which due to the acceleration of ions in the double layer at the plasma boundary, can depend not only on the atomic weight of the target material, but also on the flux density (for Q> 10 ¹³ / λ ² W / cm ² ), can be normalized for various Q using other techniques.

Claims

A method for measuring the electron temperature of a plasma, including the creation of a plasma by laser radiation on targets, characterized in that they measure the potential arising on the target during the formation of a laser plasma in the range of laser radiation flux densities of the flux Q <10 ¹³ / λ ² W / cm ² , (λ - the wavelength of the laser radiation, microns) and determine the electron temperature of the plasma by the formula
kT _e = BeV ₀ ,
where kT _e is the electron temperature of the plasma;
V ₀ is the value of the target potential;
e is the elementary charge;
B is a constant depending on the atomic weight of the target material.