Газонаполненная лазерная мишень
GAS-FILLED LASER TARGET

Изобретение относится к разделу экспериментальной физики, изучающему взаимодействие мощного лазерного излучения с газовыми средами, в частности, эффекты генерации в газах гармоник высокого порядка, ускорения электронов в сопровождающем лазерный импульс электрическом поле, генерации в лазерных плазмах бетатронного излучения и коротковолнового излучения многозарядных ионов.
Газовые мишени разных типов широко используются при создании современных лазерно-плазменных источников ускоренных частиц. Внутри вакуумного объема размещается газовая мишень, на границу которой фокусируется лазерное излучение. Лазерно-плазменное взаимодействие, приводящее к генерации пучков ускоренных электронов, происходит при распространении сфокусированного лазерного излучения через газовую среду.
Основными типами используемых в настоящее время газовых мишеней являются: газовые струи, формируемые с помощью импульсных клапанов и газовых сопел специального профиля, и газовые ячейки, представляющие собой небольшую камеру, размещаемую в вакуумном объеме.
Газовые струи чаще упоминаются в работах по генерации экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского (MP) излучения при фокусировке на мишени лазерных импульсов наносекундной длительности. В качестве источника струи газа могут применяться одиночные импульсные сопла с оптимизированным профилем поперечного сечения (Semushin S., Malka V. High density gas jet nozzle design for laser target production // Review of Scientific Instruments - 2001 - T. 72 - №7 - c. 2961-2965). Характерный размер отверстия сопла в наиболее узкой части составляет несколько сотен микрометров. Одиночное коническое сопло, работающее на азоте, позволяет получить линейчатый MP спектр с яркой линией на длине волны 2,9 нм ( М. et al. Table-top soft x-ray microscope using laser-induced plasma from a pulsed gas jet // Optics express - 2014 - T. 22 - №19 - c. 23489-23495). В усовершенствованных вариантах таких мишеней плотность в струе может быть повышена за счет обжатия потока более легким газом, истекающим из расположенного соосно с основным вспомогательного сопла кольцеобразного выходного сечения (de Bruijn R. et al. Characterization of a novel double-gas-jet laser plasma EUV source // Emerging Lithographic Technologies IV - International Society for Optics and Photonics, 2000 - T. 3997 - c. 157-161; Wachulak P. et al. NEXAFS at nitrogen K-edge and titanium L-edge using a laser-plasma soft x-ray source based on a double-stream gas puff target // APL Photonics - 2019 - T. 4 - №3 - c. 030807; Wachulak P. et al. 1-keV emission from laser-plasma source based on an Xe/He double stream gas puff target // Optics Express - 2021 - T. 29 - №13 - c. 20514-20525). Также известен вариант мишени со столкновением двух струй газа, истекающих из близко расположенных под углом друг к другу сопел (Holburg J.,  М., Mann K. Improved gas-jet based extreme ultraviolet, soft X-ray laser plasma source // Optics Express - 2021 - T. 29 - №5 - c. 6620-6628).
По заявке CN 1300179 «Laser plasma soft X-ray source with jet target» (опубл. 20.06.2001 г., МПК H05G 2/00) известно устройство, которое относится к традиционным мишеням для лазерно-плазменных источников и описывает взаимодействие лазерного импульса со струей газа.
В авторском свидетельстве SU 1639405 «Мишенное устройство» (опубл. 30.12.1993 г., МПК Н05Н 6/00, G21B 1/02) и в заявке JP 2005285675 «Gas target formation device and formation method» (опубл. 13.10.2005 г., H01J 37/077, H01J 37/08, H05G 2/00, H05H 1/24, H01J 27/24) описаны традиционные газовые мишени с профилированным соплом или соплом Лаваля. В устройстве, описанном в SU 1639405, отсутствует какое-либо отделение газа от вакуумного объема с целью формирования повышенного градиента давлений на границе газ-вакуум. В JP 2005285675 сопло Лаваля в совокупности с импульсным истечением газа в вакуумную камеру предполагает листовидную газовую мишень с более равномерным распределением плотности.
Основным недостатком газовых струй является высокая степень неоднородности профиля газа. К тому же, характерная ширина границы между газом и вакуумом для этого типа газовых мишеней составляет величину порядка миллиметра, что оказывается слишком большой величиной для некоторых режимов лазерно-плазменного взаимодействия.
Другим типом газовой мишени являются газовые ячейки. В экспериментах по генерации в газах высоких гармоник лазерного излучения применяются ячейки с прозрачным для фокусируемого лазерного импульса входным окном. Фокусировка осуществляется в область вблизи задней стенки, в которой либо может быть выполнено малое отверстие для прохождения импульса и гармоник (von Conta A., Huppert М., Worner H.J. A table-top monochromator for tunable femtosecond XUV pulses generated in a semi-infinite gas cell: Experiment and simulations // Review of Scientific Instruments - 2016 -T. 87 - №7 - c. 073102), либо отверстие пробивается в тонкой задней стенке сфокусированным импульсом (Sutherland J.R. et al. High harmonic generation in a semi-infinite gas cell // Optics Express - 2004 - T. 12 - №19 - c. 4430-4436).
В мишени, описанной в заявке JPH 01254900 «Gas target apparatus and manufacture radio isotope using the same» (опубл. 11.10.1989 г., МПК G21G 1/10, G21K 5/08), предлагается использование металлических фольг с целью предотвратить загрязнение окружающей среды радиоактивным веществом и потерю концентрированного целевого газа из-за разрыва мембраны входного окна.
Наиболее близким по конструкции является устройство, описанное в патенте US 4945251 «Gas target device» (опубл. 31.07.1990 г., МПК G21G 1/04, G21G 1/00, Н05Н 6/00, H01J037/08, НК США 250/492.1, 250/505.1, 376/194, 976/DIG.398). Газовая мишень представляет собой герметичную газонаполненную камеру, торцевая стенка которой, служащая для ввода ионов высокой энергии (10-30 МэВ), содержит окно, а боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру. Окно закрыто металлической пленкой, непрозрачной для газа, но прозрачной для заряженных частиц. Газовая мишень, описанная в US 4945251, является источником радиоизотопов. Производство некоторых радиоизотопов требует облучения высокообогащенных моноизотопных газов ионами высокой энергии при повышенном давлении. Поскольку в допустимом диапазоне энергий от 10 МэВ до 30 МэВ заряженные частицы ранее быстро теряли свою энергию в твердых телах, необходимо предусмотреть очень тонкие входные пленки в качестве окон на так называемых газовых мишенях. Для столь высоких энергий частиц тонкими являются пленки толщиной несколько десятков микрометров. Для лазерно-плазменных экспериментов требуются толщины на 2-3 порядка меньше, иначе взаимодействие лазерного импульса будет происходить с плазмой твердотельной пленочной мишени, а не с газовым наполнением.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка газовой мишени с чрезвычайно резкой границей между газом и вакуумом, то есть с шириной границы, не превышающей длины перетяжки пучка лазерного излучения, в результате чего эффекты взаимодействия лазерного импульса с газом преобладают над эффектами взаимодействия лазерного импульса с веществом входного окна газовой мишени.
Технический результат в разработанной газовой мишени достигается за счет того, что она, как и прототип, включает герметичную газонаполненную камеру, первая торцевая стенка которой, служащая для ввода излучения, содержит первое окно, закрытое металлической пленкой, а боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру. Новым в разработанной газовой мишени является то, что металлическая пленка выполнена из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм, способная выдержать давление, по крайней мере, в 1 атм, при этом количество вещества пленки, разрушаемой лазерным излучением, не превышает количество вещества газового содержимого камеры.
В частном случае вторая торцевая стенка герметичной газонаполненной камеры также выполнена из разрушаемой лазерным излучением металлической пленки с толщиной не более 0,2 мкм, способной выдержать давление, по крайней мере, 1 атм.
В ряде лазерно-плазменных экспериментов желательно создать максимально резкий перепад концентрации газа в области фокусировки лазерного импульса, что труднодостижимо с существующими конструкциями мишеней, в особенности при необходимости работы с повышенным (масштаба одной - нескольких атмосфер) давлением газа.
Изобретение поясняется следующими фигурами.
На фиг. 1 схематично изображена конструкция газовой мишени.
На фиг. 2 показан принцип работы газовой мишени.
Разработанная газовая мишень, показанная на фиг. 1 с разных сторон, содержит герметичную газонаполненную камеру 1, первое окно 2 и предварительно изготовленное сквозное отверстие 3 в боковой стенке камеры 1 для заправки газового содержимого, а также для возможности компенсации потерь газа. В частном случае реализации разработанного устройства герметичная газонаполненная камера 1 включает в себя второе окно 4.
Работает заявленное устройство следующим образом.
Лазерное излучение 5, пройдя через линзу, попадает в герметичную газонаполненную камеру 1 через первое окно 2, расположенное на первой торцевой стенке камеры 1. Первое окно 2 представляет собой отверстие, закрытое металлической пленкой субмикронной толщины. Такая очень тонкая пленка образует резкую границу между газом в камере 1 и вакуумом. Переходная область, равная ширине пленки, составляет не более 0,2 мкм.
В частном случае реализации изобретения, согласно п. 2 формулы, камера 1 имеет второе окно 4, расположенное на второй торцевой стенке, напротив первого окна 2. Второе окно 4 также представляет собой отверстие, закрытое металлической пленкой субмикронной толщины.
Под действием лазерного излучения 5 пленка, закрывающая первое окно 2, разрушается, а основное тело импульса взаимодействует с содержавшимся в камере 1 газом, вызывая эффекты, характерные для такого взаимодействия. Чтобы картина взаимодействия не маскировалась эффектами, связанными с лазерной абляцией пленки входного первого окна 2, количество вещества пленки на трассе лазерного импульса не должно превышать количество вещества газового содержимого камеры 1. Из-за очень малой толщины пленки вклад в спектр излучения от атомов, составляющих ее, будет минимальным.
3
В конкретной реализации устройства пленка изготавливалась из кремния (Si) толщиной 200 нм, диаметр первого окна 2 составлял 1 мм, объем герметичной газонаполненной камеры 1 равен 1 мм.
Количество вещества пленки рассчитывается по формуле:
где m - масса вещества, М - молярная масса вещества, **ρ - плотность вещества, V - объем вещества.
3
Для кремния: M(Si)=28 г/моль, ρ(Si)=2,3 г/см.
2
Объем пленки можно найти по формуле: V=π⋅r⋅d,
где r - радиус разрушаемой пленки, равный радиусу первого окна 2,
d - толщина пленки.
2
-5
-7
3
Тогда V=3,14⋅(0,05)⋅(2⋅10)=1,5⋅10 (см),
-7
-8
ν(Si)=(2,3⋅1,5⋅10)/28=1,2⋅10 (моль).
Количество вещества газового содержимого камеры 1 рассчитывается по формуле:
г
где V - объем герметичной газонаполненной камеры 1,
m
V - молярный объем газа.
-3
3
-8
ν(газа)=(1⋅10)/(22,4⋅10)=4,5⋅10 (моль).
-8
-8
Таким образом, при максимальной заявленной толщине пленки 0,2 мкм, минимальном заявленном давлении 1 атм и объеме камеры 1 в 1 мм (минимальный объем, в котором возможно осуществить взаимодействие лазерного импульса с газом) количество вещества пленки (ν(Si)=1,2⋅10 моль) почти в 4 раза меньше, чем количество вещества газового содержимого камеры 1 (ν(газа)=4,5⋅10 моль). При других возможных параметрах (толщине пленки, объеме газовой камеры 1, давлении газа внутри камеры 1) количество вещества пленки и количество вещества газа будут отличаться еще больше. Согласованные вариации таких параметров устройства возможны в значительных пределах в зависимости от задач конкретного эксперимента.
Используемые в изобретении тонкие пленки из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм были разработаны и изготовлены авторами первоначально для пленочных абсорбционных фильтров с полосами прозрачности в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Такие образцы описаны, например в статьях: «Свободновисящие пленочные структуры для лазерно-плазменных экспериментов / Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин [и др.] // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - №4. - С.388-391; Chkhalo N. I. et al. Study of heat induced changes in elastic properties of multilayer Mo/ZrSi2 membranes //Thin Solid Films. - 2017. - T. 631. - C. 93-98. При изучении механической прочности тонкопленочных фильтров было установлено, что перепад давления масштаба 1 атм на апертуре диаметром 1 мм способны выдержать без разрушения субмикронные пленки различного состава. Пленки же из ряда наиболее прочных материалов, например, многослойная пленка из чередующихся слоев молибдена и силицида циркония, выдерживает давление в 1 атм уже при толщине порядка 0,1 мкм. Минимальные же толщины пленок данного состава составляют около 0,025 мкм.
В случае, когда второе окно 4 закрыто фольгой или пленкой (металл) субмикронной толщины не более 0,2 мкм, лазерная мишень может применяться для получения лазерно-плазменных пучков ускоренных электронов и для лазерно-плазменной генерации мягкого рентгеновского (бетатронного) излучения в диапазоне 1 кэВ и более (точная цифра нижней границы энергии пропускания рентгеновского излучения зависит от толщины и материала пленки, закрывающей второе окно 4).
В случае, когда второе окно 4 закрыто фольгой или пленкой с гораздо большей толщиной (10-100 мкм), чем первое окно 2, лазерная мишень может применяться для получения лазерно-плазменных пучков ускоренных электронов и для лазерно-плазменной генерации рентгеновского (бетатронного) излучения в диапазоне 10 кэВ и более (точная цифра нижней границы энергии пропускания рентгеновского излучения зависит от толщины и материала пленки, закрывающей второе окно 4).