WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
LASER-PLASMA SOURCE ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ OF IONS AND NUCLEI ИСТОЧНИК ИОНОВ И ЯДЕР Yu. A. BYKOVSKY..

This paper discusses the ‚ „‰‡‚ - methods of production of ( ‚) highly ionized states with the help of laser irradiaСоздание оптических квантовых генераторов – tion. It is shown that laser лазеров – открыло новую эпоху в развитии как фунplasma is a simple and даментальных исследований, так и в создании новых технологий в различных областях практическоpractical source of multiго использования. Все это обусловлено прежде всего charged ions and nuclei.

уникальными качествами основных характеристик Various applications of лазерного излучения.

laser-plasma sources are Это следующие свойства: а) высокая монохроматичность, то есть узость линии излучения, открывpresented.

шая новые пути в спектроскопии; б) высокая пространственная и временная когерентность (то есть протекание световых колебаний согласованным ‡ ‡‡ способом, обеспечивающим получение отчетливой ‚ fl картины интерференции), давшие мощный толчок ‡„ развитию голографии и оптическим методам обработки информации; в) сравнительно большая удельfl ‚ная энергия, которую может высвечивать рабочее ‚‡„ flfl ‚тело лазера; г) возможность варьирования отрезка ‚‡. ‡‡, времени, в течение которого запасенная в рабочем теле лазера энергия может быть высвечена, в ширfl ‡‡ fl‚flком диапазоне: от непрерывного до нано-, пико- и fl ‰· фемтосекунд; д) малая расходимость, дающая воз „‡fl‰можность острой фокусировки. Благодаря этим свойствам, плотность мощности лазерного излуче ‚ fl‰. ‡ния, которой можно воздействовать на вещество, ‡‚‡fl ‡достигает гигантской величины порядка 1020 Вт/см2.

‡ Следовательно, представляется возможным подвергать вещества воздействию лазерного излучения, fl ‡ ‡изменяя плотность мощности в пределах 20 поряд‡ ‚.

ков. Эта фантастическая возможность детально исследуется последние 30 лет учеными разных стран.

Ясно, что, постепенно увеличивая энергию лазерного излучения и сокращая отрезок времени, в течение которого эта энергия излучается, можно проследить несколько стадий такого воздействия.

Сначала это постепенное повышение температуры, результатом которого будет нагрев до температур плавления практически любого вещества.

Дальнейшее увеличение скорости ввода энергии в вещество приводит к столь быстрому нагреву, что начинается процесс интенсивного испарения и при этом возможен режим, когда испарение начинает происходить, минуя жидкую фазу. При таких условиях было обнаружено на первый взгляд удивительное явление: с ростом плотности мощности величина испаренной массы оставалась практически неизменной. Объяснение этого оказалось достаточно простым. Оно состоит в том, что в процессе.. - © ‚.., интенсивного воздействия пары начинают экрани- волна сжатия с большим давлением, которое будет ровать облучаемую поверхность. Поэтому значи- сжимать каплю, увеличивая при этом в 103 – 104 ее тельная часть энергии лазерного излучения уже не плотность. Это давление обеспечит повышение доходит до поверхности, а поглощается в образо- температуры капли до столь высокой температуры, ванном лазерным излучением паре. Но при этом при которой возможна термоядерная реакция синдолжна расти температура пара по мере увеличения теза. Время протекания реакции составляет величиплотности потока энергии лазерного излучения, а ну 10- 9 секунды и меньше того времени, за которое повышение температуры пара должно приводить к капля разлетится и исчезнут условия протекания образованию плазмы, то есть ионизации испарен- реакции синтеза. Такие процессы удобно сравнить с ного вещества. Но что же здесь удивительного крошечным (порядка миллиметров) солнцем. Для А удивительно то, что при этом могут быть достиг- этого нужно иметь лазер с очень высокими энергинуты крайне высокие температуры пара вплоть до ей и мощностью.

температур столь больших, что становится возможВместо лазерного излучения можно использоной сильная ионизация атомов испаренного вещевать пучки заряженных частиц, что обеспечивает ства. Достигаемые при лазерном воздействии темзначительно более эффективную передачу энергии пературы оказались столь высокими, что у ученых дейтерий-тритиевой капле. Наиболее перспективвозникло желание попытаться реализовать таким ным является пучок тяжелых ионов. По причине образом реакцию синтеза легких ядер, то есть тервысокой зарядности их легче разогнать до высоких моядерную реакцию.

энергий. Во-вторых, легче получить более высокие Следует напомнить, что основным источником значения тока, так как чем больше масса, тем меньэнергии в звездах является процесс термоядерного ше влияние расталкивания ионов в пучке из-за просинтеза, когда при очень высоких температурах странственного заряда. В-третьих, пучки тяжелых происходит слияние ядер легких элементов. При ионов с максимальной эффективностью будут пеэтом в результате образования более тяжелых ионов редавать энергию мишени. В этом случае становитосвобождается энергия связи. Такой процесс может ся существенным вопрос о способах получения перпроисходить в результате синтеза тяжелых изотопов вичных пучков тяжелых многозарядных ионов для водорода – дейтерия и трития. При синтезе ядер их последующего ускорения до высоких энергий в дейтерия и трития образуется ядро гелия и нейтрон. ускорительных системах. С этих позиций более Энергия, которая выделяется в виде кинетической простым способом реализации инерциальной упэнергии продуктов реакции, равна 17,6 Мэв. Под- равляемой термоядерной реакции является получесчитано, что при использовании одного литра при- ние сначала с помощью мощного лазерного излучеродной воды из содержащегося в этом объеме дей- ния пучков тяжелых многозарядных ионов и их терия можно в результате термоядерной реакции дальнейшее использование для воздействия на синтеза получить такое же количество энергии, дейтерий-тритиевую мишень для достижения теркак при сжигании 300 литров бензина. Процесс моядерной температуры. Таким образом, способы термоядерного синтеза требует температуры по- получения высоких температур и высокоионизирорядка 100 миллионов градусов Цельсия. ванного состояния представляют большой практический интерес.



Для реализации реакции синтеза необходимо нагреть смесь дейтерия и трития до термоядерных Итак, испарение вещества и нагрев пара привотемператур, используя, например, мощное лазер- дит к плазменному состоянию, то есть при нагреве ное излучение. Для осуществления термоядерной пара происходит отрыв электронов от атомов за реакции синтеза положительно заряженные ядра счет повышения температуры. При этом чем выше дейтерия и трития необходимо столкнуть с высоки- температура, тем больше электронов будет вырвано ми скоростями, чтобы преодолеть кулоновский ба- из атома. Таким образом, ионизованный пар, то рьер отталкивания. Самый простой способ – это есть плазма, состоит из электронов и ионов. Если нагрев смеси дейтерия и трития до настолько высо- считать, что температура электронов и ионов одиких температур, когда скорость теплового движе- накова, то, поскольку электроны во много раз легче ния становится достаточной для преодоления силы ионов, последние будут иметь существенно больэлектростатического отталкивания. Следует заме- шую скорость. За счет такой высокой скорости электить, что для протекания реакции синтеза необходи- троны в процессе газодинамического разлета будут мо удерживать плазму в таком состоянии в течение первыми вылетать из плазменной области. Тогда на определенного времени, не давая ядрам разлетаться переднем фронте разлетающейся плазмы произойв разные стороны. Практически более реализуемым дет разделение отрицательного заряда вылетающих является способ, который называется инерциаль- электронов и положительного заряда ионов. При ным термоядерным синтезом. В этом случае дейте- этом за счет кулоновского взаимодействия электрорий-тритиевое топливо может иметь вид маленькой ны потянут за собой ионы. Такой процесс приведет капли. Если такую каплю подвергнуть всесторонне- к эшелонированию электронов и ионов, то есть му облучению лазерным светом, то в процессе испа- разделению их в пространстве и во времени (эфрения с поверхности внутрь капли пойдет мощная фектам закалки), которое препятствует процессам, ‹9, рекомбинации электронов и ионов в лазерной плаз- менного источника были введены в линейный ускоме. Этот процесс приводит к формированию на- ритель и ускорены в канале синхрофазотрона до правленного потока ядер или ионов высокой заряд- энергии 50 ГэВ. Если раньше на ускорителе разгоности в виде пучка, разлетающегося в направлении нялись однозарядные протоны, то при работе с нормали к поверхности мишени. Для ионов макси- многозарядными ионами сразу в Z раз возрастало мальной зарядности и максимальной энергии угол значение энергии ускоренной частицы. Это позвовылета составляет всего лишь 15° – 20°. В этом лило сделать очередной шаг в получении релятислучае взаимодействие сфокусированного лазерно- вистских пучков сложных ядер. В последние годы го излучения с высокой плотностью потока энергии такие работы проводятся в ЦЕРНе (Щвейцария) с дарит нам простой источник ядер или многозаряд- целью получить с помощью лазерно-плазменного ных ионов без необходимости применения каких- источника ионов многозарядные ионы тяжелых либо вытягивающих или фокусирующих полей. атомов с Z > 50. Естественно, что существуют и другие типы источников многозарядных ионов, но по На рисунке 1 представлена схема лазерно-плазсвоей простоте и технической доступности лазерменного источника. В таком лазерно-плазменном но-плазменный источник тяжелых ионов сущестисточнике ионов степень ионизации регулируется венно выигрывает.

плотностью мощности лазерного излучения и может достигать значений степени ионизации до неВ последние годы существенно растет интерес к скольких десятков, то есть можно полностью иониширокому практическому использованию тяжелых зовать значительную часть элементов таблицы ионов. Так, в Дубне (ОИЯИ) разработана уникальМенделеева. Следует заметить, что до появления ная технология получения фильтров. В полимерной лазеров практически трудно было достичь степени пленке тяжелый ион при прохождении оставляет ионизации Z 10 и тем самым, например, измерить канал, имеющий большие радиационные нарушеэнергию связи электронов в атоме. Подчеркнем, ния, а сложные молекулы при этом разбиваются на что в этом случае важным оказался не только чисто более мелкие части – радикалы. По этой причине фундаментальный результат, но и ряд практически область трека (канала) становится чувствительной к новых и перспективных применений.

химическому воздействию. После травления облуТакой лазерно-плазменный источник ионов и ченной тяжелыми ионами полимерной пленки обядер является перспективным для ускорителей заря- разуются сквозные каналы. При этом диаметр таких женных частиц. В январе 1976 года силами ученых каналов зависит от температуры и времени травлеМосковского инженерно-физического института и ния каналов и может изменяться от 5 нанометров до Объединенного института ядерных исследований десятков микрон. Такие каналы могут быть использо(ОИЯИ, г. Дубна) впервые в мире было реализовано ваны в биологии и медицине для разделения различускорение ядер углерода из лазерно-плазменного ных типов вирусов и бактерий (имеющих размеры источника (рис. 2). Ядра углерода из лазерно-плаз- более 0,2 микрона), белковых молекул (ферментов), Рис. 2. Схема ускорения ядер углерода на синРис. 1. Схема лазерно-плазменного источника хрофазотроне с использованием лазерно-плазионов. менного источника ядер углерода С6+.





1 – лазер, 2 – фокусирующая линза, 3 – мишень, 1 – лазер, 2 – линза, 3 – графитовая мишень, 4 – ли4 – лазерная плазма, 5 – пучок ионов максималь- нейный ускоритель, 5 – синхрофазотрон, 6 – выной зарядности и максимальной энергии. ходной пучок.

.. - могут быть применены в полупроводниковой тех- паренное вещество практически нацело ионизуется нологии и для фильтрации воды. в том же луче лазера, а ионы формируются в виде пучка, направленного по нормали к облучаемой лаПучки тяжелых ионов весьма перспективны для зером мишени. Так что остается к лазерно-плазрадиотерапии, в частности для лечения раковых номенному источнику ионов добавить уже давно и девообразований. Применение лазерно-плазменных тально разработанные схемы разделения частиц в пучков тяжелых ионов не идет ни в какое сравнение электрических и магнитных полях и системы регисс использованием для этих целей больших, дорогих трации.

установок, так как возможна радиотерапия ограниченных участков человеческого тела за счет большоНа рисунке 3 представлена схема времяпролетго заряда ионов. Источники тяжелых ионов необхоного масс-анализатора, использующего лазернодимы для синтеза новых трансурановых химических плазменный источник ионов. Самая простая схема – элементов, лежащих на так называемых “островэто совмещение лазерно-плазменного источника ках” стабильности, которые предсказываются в обионов с электростатическим анализатором и разделасти Z = 114 и Z = 126.

лением масс по времени пролета. На рисунке 3 показан принцип действия такого лазерного прибора Не менее интересной и практически важной обдля проведения экспрессного элементного анализа ластью применения лазерно-плазменных источни(на схеме не показана система вакуумирования).

ков ионов является ионная имплантация металлов.

Излучение от лазера фокусируется на мишень, элеЭкспериментально показано, что при бомбардиментный состав которой мы хотим определить. При ровке поверхности металлов ионами можно добить“вспышке” лазера часть мишени испаряется и ионися существенного изменения физических свойств зуется. Основная часть ионов формируется в направэтих металлов. Причиной этого является, во-перленный по нормали к поверхности мишени пучок вых, эффект внедрения тех или иных ионов, то есть ионов, соответствующий составу мишени. Электроизменение элементного состава путем легирования, статический анализатор выделяет пучок ионов в и, во-вторых, изменение структуры приповерхностидеале с одним значением энергии. Тогда этот моных слоев. Такие методы стали развиваться начиная нохроматический пучок ионов, состоящий из иос 70-х годов; они показали, что ионная имплантанов с различной массой, будет разделяться во вреция позволяет заметным образом изменить физичемени, то есть вначале до системы регистрации ские свойства металлов, в том числе коррозионную долетят самые легкие ионы, а последними самые стойкость, фрикционные свойства поверхности, тяжелые. С системы регистрации электрический износостойкость, и др. Следует подчеркнуть, что сигнал подают на осциллограф, на экране которолазерно-плазменный имплантор для модификации го каждому максимуму соответствует определенповерхности металлов привлекает внимание еще и ная масса химического элемента. Такой времяпротем, что он имеет малые габариты, позволяет очень летный масс-спектрометр с лазерно-плазменным просто переходить от одного типа ионов к другим и источником ионов позволяет в реальном времени так же просто получать многоэлементные пучки ионов с нужным стехиометрическим составом. При этом легко получить в импульсе значение тока порядка ампера и при использовании стандартного частотного лазера иметь разумные значения времени для набора необходимой дозы облучения (порядка часа).

Еще одним очень важным и перспективным является использование воздействия лазерного излучения на вещество для аналитических целей, то есть для определения элементного состава облучаемого лазером вещества. Физическими предпосылками этого явились следующие экспериментальные факты: возможность испарения любого вещества независимо от его состава, природы и физико-химических свойств, то есть лазерным излучением при соответствующих энергетических и мощностных параметрах можно испарять металлы, полупроводники, ткань, диэлектрики, керамику, биологические объекты (живую ткань, кровь) и т.д. И, как уже отмеРис. 3. Схема времяпролетного масс-спектромечалось ранее, за счет экранировки плазмы испаряеттра с лазерно-плазменным источником ионов.

ся практически постоянное количество вещества 1 – лазер, 2 – облучаемая мишень, 3 – электростапорядка одной миллионной доли грамма. Следуютический анализатор, 4 – дрейфовая длина, 5 – сищим важным обстоятельством является то, что ис- стема регистрации ионов, 6 – осциллограф.

, ‹9, производить элементный анализ широкого класса проводить анализ практически без эталонов, исматериалов с чувствительностью 10- 3 – 10- 4 атомных пользуя в качестве контрольных измерений природпроцентов с разрешением по массам 300. ные соотношения изотопов различных элементов.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.