Авторы: ,

Рубрика: Физика

Опубликовано в Молодой учёный №3 (137) январь 2017 г.

Дата публикации: 24.01.2017

Статья просмотрена: 23 раза

Библиографическое описание:

Матназаров А. Р., Давлетов И. Ю. Исследование спектра ядер атома Ве с помощью лазерно-ионизационной масс-спектрометрии // Молодой ученый. — 2017. — №3. — С. 12-16. — URL https://moluch.ru/archive/137/38594/ (дата обращения: 20.04.2018).



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: Emax=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.
Основные термины (генерируются автоматически): излучения лазера, мощности излучения лазера, многозарядных ионов, ядер Ве, плотности мощности излучения, пучка ядер, спектра ядер, ядер Ве4+, ядер атома, ядер атома Ве, ядер атомов, спектры ядер, пучки ядер, спектров ядер, спектры многозарядных ионов, спектров многозарядных ионов, действием излучения лазера, спектры ядер атомов, атомной массы мишени, спектра ядер атома.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос