проф. В. В. Аполлонов, д.ф.-м.н. С. М. Сильнов

Институт общей физики им. А.М.Прохорова РАН

Создание мощных лазеров открыло новую эпоху в развитии, как фундаментальных исследований, так и в появлении новых технологий в различных областях практического использования. Это обусловлено уникальными качествами лазерных источников мощного когерентного излучения. К ним следует отнести:

а) высокую монохроматичность (т. е. малую ширину линии излучения), что открывает новые пути в спектроскопии высокого разрешения;

б) высокую пространственную и временную когерентность (т.е. протекание световых колебаний согласованным способом, обеспечивающим получение отчетливой картины интерференции), что дало мощный толчок развитию голографии и оптическим методам обработки информации;

в) сравнительно большую удельную энергию, которую может высвечивать рабочее тело лазера;

г) возможность варьирования отрезка времени, в течение которого запасенная в рабочем теле лазера энергия может быть выделена в широком диапазоне длительностей от непрерывного до фемтосекунд;

д) возможность вариации временной структуры излучения от десятков Гц. до десятков ГГц.;

е) малую расходимость, дающую возможность острой фокусировки.

Благодаря этим свойствам, плотность мощности лазерного излучения, которой можно воздействовать на вещество, достигает гигантской величины порядка 10²⁰ Вт/см2. Эта фантастическая возможность детально исследуется последние десятилетия учеными разных стран. Постепенно увеличивая энергию лазерного излучения и сокращая отрезок времени, в течение которого эта энергия излучается, можно проследить несколько стадий такого воздействия.

Сначала имеет место 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. В таких условиях воздействия было обнаружено на первый взгляд удивительное явление: с ростом плотности мощности величина испаренной массы вещества оставалась практически неизменной. Объяснение оказалось достаточно простым: в процессе интенсивного воздействия пары вещества начинают экранировать облучаемую поверхность. Поэтому значительная часть энергии лазерного излучения уже не доходит до этой поверхности, а поглощается в образованном лазерным излучением паре. Но при этом должна расти температура пара по мере увеличения плотности потока энергии лазерного излучения, а повышение температуры пара должно приводить к образованию плазмы, то есть ионизации испаренного вещества и созданию плазменного экрана, препятствующего дальнейшему вводу энергии в вещество. При этом могут быть достигнуты чрезвычайно высокие температуры пара вплоть до сильнейшей ионизации атомов испаренного вещества. Достигаемые при лазерном воздействии температуры оказались столь высокими, что у ученых возникло желание попытаться реализовать реакцию синтеза легких ядер, т. е. реализовать термоядерную реакцию в масштабах булавочной головки.

Из идеи лазерного термоядерного синтеза, связанной с возможностью создания условий протекания термоядерной реакции в области фокусировки лазерного излучения на твердотельной мишени, возникла новая область исследований — физика взаимодействия мощного лазерного импульса с веществом, а плазме, получаемой таким методом, дали название «лазерная плазма». Это направление за последние 40 лет бурно прогрессировало на основе стремительного развития лазерной физики и техники. Многолетние усилия по экспериментальному и теоретическому исследованию свойств и характеристик лазерной плазмы расширили область эффективных приложений, связанную первоначально лишь с лазерным термоядерным синтезом.

Вместо лазерного излучения, однако, можно использовать также и пучки высокоэнергичных частиц, что обеспечивает значительно более эффективную передачу энергии дейтерий-тритиевой капле. Наиболее перспективным является пучок тяжелых многозарядных ионов. По причине высокого заряда частиц их легче разогнать до высоких энергий. Во-вторых, легче получить более высокие значения тока, так как чем больше масса, тем меньше влияние расталкивания ионов в пучке из-за пространственного заряда. В-третьих, пучки тяжелых многозарядных ионов с максимальной эффективностью будут передавать энергию мишени. В этом случае становится существенным вопрос о способах получения первичных пучков тяжелых многозарядных ионов для их последующего ускорения. Более простым способом реализации инерциальной управляемой термоядерной реакции является получение сначала с помощью мощного лазерного излучения пучков тяжелых многозарядных ионов и их дальнейшее использование для воздействия на дейтерий-тритиевую мишень для достижения термоядерной температуры. Таким образом, способы получения высоких температур и высокоионизованного состояния представляют большой практический интерес.

Большинство из существующих в настоящее время типов источников многозарядных ионов основано на последовательной ионизации электронным ударом. До 70-х годов для ускорителей тяжелых ионов в основном использовался ионный источник на основе Пеннинговского отражательного разряда с осциллирующими электронами. На этом типе источников был достигнут теоретический предел по зарядности частиц и интенсивности извлекаемых пучков, который определяется температурой, плотностью и временем жизни плазмы. Первым из нового поколения источников многозарядных ионов был электронно-лучевой источник, предложенный Е. Д. Донцом в 1967г. Этот источник, получивший впоследствии название EBIS (Electron Beam Ion Source), был задуман как импульсный для получения многозарядных ионов для ускорителей ионов высоких энергий. Энергия ионизирующих электронов здесь равна 100-200 кэВ, а время удержания ионов до десятков секунд и даже минут. В основу источника был положен линейный ускоритель электронов непрерывного действия.

Источники ионов с коротким электронным пучком длинной менее 10 см выделились в отдельное направление и получили название Electron Beam Ion Trap (EBIT). В течение семидесятых и восьмидесятых годов на EBIS были получены рекордные зарядности тяжелых ионов. В источнике KRION- 2 (ОИЯИ, Дубна) впервые были зарегистрированы полностью ионизированные ядра ксенона, а в EBIT (LNLL, США) ядра урана. Главными недостатками EBIS в сравнении с другими типами источников являются потери ионов и относительно низкая интенсивность (10¹⁰ с-1) получаемых ионов.

Наиболее широко применяемым источником многозарядных ионов для ускорителей и атомной физики является источник на электронно-циклотронном резонансе (Electron-Cyclotron Resonance). ECR-источник является открытой магнитной ловушкой для удержания плазмы. Электроны и ионы генерируются в результате ионизации электронным ударом. В свою очередь электроны, возникающие в результате ионизации нейтралов и ионов, нагреваются до энергии в несколько кэВ полем радиочастотного микроволнового излучения, чья частота равна частоте ларморовского вращения электронов в продольном магнитном поле ловушки. Увеличение степени ионизации в ионном источнике является результатом последовательной ионизации в течение периода удержания ионов. К настоящему времени все крупные ускорительные центры мира оснащены такими источниками. Однако, современные требования существенно превышают их возможности. В первую очередь, необходимо повышение тока ионного пучка.

ЕСR-источники перспективны для ускорителей ионов непрерывного действия, благодаря их способности генерировать в непрерывном режиме достаточно интенсивные (до 10¹³ с-1) пучки средних и тяжелых ионов.

Напротив, лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) многозарядных ионов позволяет получать большое число тяжелых ионов в режиме периодических коротких импульсов, что как раз и представляет интерес для ускорителей ионов, работающих в импульсном режиме. Источник такого типа перспективен также для исследований в области тяжело-ионного термоядерного синтеза. Принципиальная идея лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов была предложена коллективом авторов из МИФИ сорок лет назад. Лазерно-плазменный генератор основан на физическом явлении генерации высокоионизованных состояний атомов при воздействии мощного сфокусированного лазерного импульса на поверхность твердотельной мишени [1]. При расширении в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы создается мощный поток заряженных частиц. К преимуществам ЛПГ по сравнению с другими типами генераторов ионных импульсов относятся:

• способность генерировать многозарядные ионы практически любых элементов периодической таблицы Менделеева,

• способность генерировать интенсивный, короткий (1 — 100 мкс) ионный импульс с рекордно высокой яркостью.

Главным отличием лазерной плазмы от других высокотемпературных плазменных объектов является высокая плотность энергии в веществе, обусловленная способностью лазеров за короткое время концентрировать энергию в малых объемах вещества 10^-6см-3. При воздействии на поверхность мишени сфокусированного излучения лазера с плотностью мощности > 10⁸ Вт/см2 образуется плазменный факел с большой температурой и плотностью. В зависимости от параметров излучения, электронная температура в факеле может составлять  Те = 10^-2  кэВ и более, при плотности электронов (10¹⁹ – 10²¹/см3) Такие характеристики ионной компоненты лазерной плазмы как высокая зарядность и интенсивность, вид углового распределения являются исключительно благоприятными для ее использования в качестве источника многозарядных ионов для ускорителей. Первая практическая реализация использования лазерно-плазменного генератора в ускорительном комплексе была осуществлена тридцать лет назад на синхрофазотроне ОИЯИ (совместная работа сотрудников МИФИ и ОИЯИ). Требования, представляемые со стороны ускорителей к источнику ионов по частоте срабатывания (до 10 Гц), стабильности выходных параметров ионного пучка (±10%) и времени бесперебойной работы устанавливают жесткие ограничения, как на выбор типа лазера, так и на его максимально достижимую для практического использования энергию. Особенности развития лазерной техники в течение последних 30 лет сделали наиболее привлекательным использование в лазерно-плазменном генераторе СО2-лазеров с поперечным разрядом. Выходная энергия лазеров данного типа может варьироваться от 1 до 1000 Дж при длительностях импульса лазерного излучения в диапазоне 0. 01 —1 мкс и частоте срабатывания до 10 Гц. Использование СO2- лазеров для генерации многозарядных ионов из лазерной плазмы, вследствие их высокого технического уровня развития, относительной простоты и невысокой стоимости даже в конфигурации низкочастотной импульсно-периодической установки является весьма перспективным. Увеличение частоты следования мощных и коротких по времени лазерных импульсов до 30-50кГц. значительно увеличит выход многозарядных ионов и резко повысит эффективность лазерно-плазменных генераторов.

Температура электронов и ионов в плазме одинакова, но, поскольку электроны во много раз легче ионов, то последние будут иметь и существенно большую скорость. За счет нее электроны в процессе газодинамического разлета будут первыми вылетать из плазменной области. Тогда на переднем фронте разлетающейся плазмы произойдет разделение отрицательного заряда вылетающих электронов и положительного заряда ионов. При этом за счет кулоновского взаимодействия электроны потянут за собой ионы. Такой процесс приведет к эшелонированию электронов и ионов, то есть разделению их в пространстве и во времени (эффектам закалки), что препятствует процессам рекомбинации электронов и ионов в лазерной плазме. Этот процесс приводит к формированию направленного потока ионов высокой зарядности в виде пучка, разлетающегося в направлении нормали к поверхности мишени. Для ионов максимальной зарядности и максимальной энергии угол вылета уменьшается, имеет место эффект самофокусировки ионов в зависимости от кратности заряда. В этом случае взаимодействие сфокусированного лазерного излучения с высокой плотностью потока энергии дарит нам весьма простой и эффективный источник многозарядных ионов без необходимости применения каких-либо вытягивающих или фокусирующих полей.

Рис. 1. Схема лазерно-плазменного источника ионов
1 — лазер, 2 — фокусирущая линза, 3 — мишень, 4 — лазерная плазма,
5 — пучок ионов

На рис.1 представлена схема лазерно-плазменного источника. В нем степень ионизации регулируется плотностью мощности лазерного излучения и может достигать значений степени ионизации до нескольких десятков, то есть можно полностью ионизовать значительную часть элементов таблицы Менделеева. Следует заметить, что до появления лазеров практически трудно было достичь степени ионизации Z +10 и тем самым, например, измерить энергию связи электронов в атоме. Подчеркнем, что в этом случае важным оказался не только чисто фундаментальный результат, но и ряд практически новых и перспективных применений.

Такой лазерно-плазменный источник ионов и ядер является перспективным для ускорителей заряженных частиц. В январе 1976 года силами ученых МИФИ и ОИЯИ (г. Дубна) впервые в мире было реализовано ускорение ядер углерода из лазерно-плазменного источника (рис.2). Ядра были введены в линейный ускоритель и ускорены в канале синхрофазотрона до энергии 50 ГэВ. Если раньше на ускорителе разгонялись однозарядные протоны, то при работе с многозарядными ионами сразу в Z раз возрастало значение энергии ускоренной частицы. Это позволило сделать очередной шаг в получении релятивистских пучков сложных ядер. В последние годы такие работы проводятся в Церне (Щвейцария) с целью получить с помощью лазерно-плазменного источника ионов многозарядные ионы тяжелых атомов с Z >+50.

Сегодня лазерная плазма находит многочисленные применения в различных областях фундаментальной физики: рентгено-спектральный анализ многозарядных ионов, физика высоких плотностей энергии и ударных волн, моделирование космофизических и высокотемпературных процессов, рентгеновская литография и т. п. Идет интенсивное развитие и разработка источников многозарядных ионов. Генерация сильноточных пучков многозарядных ионов является одним из перспективных направлений исследований, находящих широкое применение в науке и технике. В качестве примера применения таких пучков можно привести:

— источник многозарядных ионов тяжелых элементов в фор-инжекторах ускорителей частиц;

— источник кластерных ионов и молекул;

— источник пучков высокоионизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, необходимых в таких областях науки и техники как термоядерный синтез, физика ионосферы, астрофизика и собственно исследование самой лазерной плазмы;

— создание однородных пленок для формирования тонкой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок;

— радиационное материаловедение, ионная имплантация с целью легирования полупроводников или изменения свойств поверхности материалов;

— формирование пучков ионов с определенным зарядовым состоянием с целью создания активной среды для рентгеновских лазеров.

Рис. 2. Схема ускорения ядер углерода на синхрофазатроне с использова-
нием лазерно-плазменного источника ядер углерода С6+
1 — лазер, 2 — линза, 3 — графитовая мишень, 4 — линейный ускоритель,
5 — синхрофазатрон, 6- выходной пучок

Растет интерес также и к широкому практическому использованию источников многозарядных тяжелых ионов. Так, в Дубне (ОИЯИ) разработана уникальная технология получения фильтров. В полимерной пленке тяжелый ион при прохождении оставляет канал, имеющий большие радиационные нарушения, а сложные молекулы при этом разбиваются на более мелкие части — радикалы. По этой причине область трека (канала) становится чувствительной к химическому воздействию. После травления облученной тяжелыми ионами полимерной пленки образуются сквозные каналы. Их диаметр, в зависимости от температуры и времени травления, может изменяться от 5 нанометров до десятков микрон. Такие каналы могут быть использованы в биологии и медицине для разделения различных типов вирусов и бактерий (имеющих размеры более 0,2 микрона), белковых молекул (ферментов), могут быть применены в полупроводниковой технологии и для фильтрации воды.

Пучки тяжелых ионов весьма перспективны для радиотерапии, в частности для лечения раковых новообразований. Применение лазерно-плазменных пучков тяжелых ионов представляется гораздо более эффективным в сравнении с использованием для этих целей больших и дорогих установок, так как возможна радиотерапия ограниченных участков человеческого тела за счет большого заряда ионов. Источники тяжелых ионов необходимы также и для синтеза новых трансурановых химических элементов, лежащих на так называемых «островках» стабильности, которые предсказываются в области Z = 114 и Z = 126.

Не менее интересной и практически важной областью применения лазерно-плазменных источников многозарядных ионов является ионная имплантация металлов. Экспериментально доказано, что при бомбардировке поверхности металлов ионами можно существенно изменить физические свойства этих металлов: коррозионную стойкость, фрикционные свойства поверхности, износостойкость и др. Следует подчеркнуть, что лазерно-плазменный имплантер для модификации поверхности металлов привлекателен еще и тем, что имеет малые габариты, позволяет очень просто переходить от одного типа ионов к другим (весьма просто получать многоэлементные пучки ионов с нужным стехиометрическим составом).

Также важным и перспективным является использование воздействия лазера на вещество для аналитических целей, то есть для определения элементного состава облучаемого вещества. Как уже говорилось, лазер способен испарять любое вещество, независимо от его состава, природы и физико-химических свойств: металлы, полупроводники, ткань, диэлектрики, керамику, биологические объекты и т.д. Следующим важным обстоятельством является то, что испаренное вещество практически полностью ионизуется в том же луче лазера, а ионы формируются в виде пучка, направленного по нормали к облучаемой лазером мишени. Так что остается к лазерно-плазменному источнику ионов добавить уже давно и детально разработанные схемы разделения частиц в электрических и магнитных полях и системы регистрации.

Рис. 3. Схема времяпролетного масс-спектрометра с лазерно-плазменным
источником ионов.
1 — лазер, 2 — облучаемая мишень, 3 — электростатический анализатор, 4 —
дрейфовая длина, 5 — система регистрации ионов, 6 — осциллограф

На рис.3 представлена схема времяпролетного масс-анализатора, использующего лазерно-плазменный источник ионов. Самая простая схема — это совмещение источника с электростатическим анализатором и разделением масс по времени пролета. Здесь показан принцип действия прибора для проведения экспрессного элементного анализа. Монохроматический пучок ионов, образующийся из элементов с различной массой, будет разделяться во времени, т. е.,ранее до системы регистрации долетят самые легкие ионы, а последними — самые тяжелые. С системы регистрации электрический сигнал подают на осциллограф, на экране которого каждому максимуму соответствует определенная масса химического элемента. Такой времяпролетный масс-спектрометр с лазерно-плазменным источником ионов позволяет в реальном времени производить элементный анализ широкого класса материалов.

Полезным и перспективным явилось использование лазерно-плазменного источника ионов в схеме масс-спектрометра с двойной фокусировкой, сочетающего электростатический анализатор с разверткой по массам в магнитном поле. В этом случае пучок ионов попадает в однородное магнитное поле, где, как известно, происходит разделение ионов по отношению заряда к массе. Поскольку используются однозарядные ионы, то сформированный пучок разворачивается магнитным полем и регистрируется, например, на фотопластинке. Такой прибор обладает более высокими аналитическими характеристиками, что позволяет разделить и зарегистрировать изотопы всех элементов таблицы Менделеева от водорода до урана. При этом оказалось возможным регистрировать примеси в веществе при их концентрации на уровне 10^-5-10^-6 атомного процента.

Особенность работы такого масс-спектрометра в том, что можно проводить анализ практически без эталонов, используя в качестве контрольных измерений природные соотношения изотопов различных элементов. Это позволяет не только обнарудивать примеси в металлах и полупроводниках, но и вести экологический контроль загрязнений в воздухе и в почве. Так при измерении состава пшеничных зерен, собранных ближе 300 метров от загруженного транспортом шоссе, обнаружили свинец. В перламутровой губной помаде обнаруживается ртуть. Анализ чешуи рыб, пойманных в воде вблизи неочищенных стоков в реке, обнаруживает большой набор тяжелых металлов. Несомненна перспектива применения таких приборов в биологии и медицине. Возможно проведение элементного состава крови по одной капле [2].

Нельзя не упомянуть еще об одном интересном применении лазерной плазмы. На ранних стадиях разлета плазма становится интенсивным источником мягкого рентгеновского излучения, имеющего тормозную и рекомбинационную природу, т. е. излучения, возникающего вследствие изменения скорости при взаимодействии заряженных частиц и рекомбинации электронов и ионов [4]. При этом длина волны рекомбинационного излучения определяется степенью ионизации и может регулироваться как за счет параметров лазера, так и за счет использования материалов с различными потенциалами ионизации. Мягкое рентгеновское излучение можно сфокусировать и сформировать, таким образом, пучки с высокими энергетическими характеристиками.

Такой лазерно-плазменный источник весьма перспективен для применения в рентгенолитографии при изготовлении полупроводниковых микросхем. За счет малой длины волны и малых размеров пятен фокусировки можно существенно улучшить разрешение фотошаблона, применяемого в производстве полупроводниковых микросхем. Кроме того, лазерно-плазменный источник мягкого рентгеновского излучения дает возможность создания микроскопа, работающего в диапазоне мягкого рентгена, то есть использующего кванты с такой малой энергией, которая не будет вызывать генетических мутаций и разрушать структуру живой клетки, но позволит проследить за поведением отдельных химических элементов.

Еще одним перспективным технологическим применением лазерной плазмы является получение тонких пленок сложного состава. В этом случае используются потоки плазмы, образующейся при взаимодействии с веществом излучения лазера, работающего в режиме высокой скорости ввода энергии в вещество. При этом мишень может быть набрана из различных материалов, определяющих желаемую стехиометрию получаемой пленки, создавать на подложке сложные соединения. Использование в такой технологии частотных лазеров позволяет наращивать материал небольшими порциями, слой за слоем, сохраняя кристаллическую структуру. Кроме получения сложных полупроводниковых соединений, такая технология оказалась очень полезной при создании высокотемпературных многокомпонентных соединений сверхпроводников.

В заключение важно отметить, что спектр возможных применений многозарядных ионов, получаемых при воздействии мощного импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения на вещество, расширяется с каждым днем. На очереди — его существенное расширение за счет внедрения в широкую практику мощных импульсно-периодических лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов, обеспечивающих решение проблемы плазменного экрана и позволяющих вводить существенно большие потоки средней мощности в вещество, а значит и создавать более мощные потоки многозарядных ионов для их эффективного использования.

ЛИТЕРАТУРА

1. В. В.Аполлонов, Ю. А Быковский, Н. Н, Дегтяренко, С. М. Сильнов и др. Образование многозарядных ионов при взаимодействии мощного лазерного импульса с твердым телом. Письма в ЖЭТФ,Т.11, Стр. 377-381, 1970 г.

2. В. В. Аполлонов, Ю. А.Быковский, Ю. П.Козырев, С. М. Сильнов, Т. Н. Филинский. Исследование возможности применения масс-спектроскопии для элементного анализа крови, Отчет № 15/17-75, МИФИ, Москва, 1970г.

3. В. В. Аполлонов, Ю. А.Быковский, Ю. П.Козырев, С. М. Сильнов, Т. Н. Филинский. Исследование возможности применения масс-спектроскопии в криминалистике, Отчет № 15/17-73, № 15/17-74, № 15/17-76, МИФИ, Москва,1970г.

4. V.V. Apollonov, K.Kh.Kazakov, N.V.Pletnyev, V.R.Sorochenko, Current measurements in the plasma produced by train of 10.6