В последнее время в мире все больший интерес вызывают сверхмощные пикосекундные лазерные системы ИК диапазона, в том числе на базе СО2-лазеров. Создание таких установок с мощностью световых импульсов 109 Вт и более — это, в первую очередь, возможность проведения фундаментальных исследований процессов взаимодействия сверхкоротких световых импульсов с веществом, практическая реализация проектов ускорения заряженных частиц световой волной, изучение нелинейных селективных фотопроцессов в атомах и молекулах и т.д. В настоящее время в ряде научных центров США, Канады и России созданы задающие генераторы пикосекундного диапазона с длиной волны излучения 10,6 мкм.
Принципиальные особенности систем формирования и компрессии одиночных пикосекундных лазерных импульсов на длине волны 10 мкм ограничивают величину выходной энергии генератора значением ~ 10-5 Дж. Поэтому возникает проблема их дальнейшего усиления в 105-106 раз при сохранении временных характеристик импульса. Эффективное решение этой задачи возможно только при использовании широкоапертурных усилителей сверхатмосферного давления.
Работа проводилась в коллаборации с фирмой «Силас» (Франция) и Штутгартским институтом технической физики (Германия) в рамках проекта МНТЦ №1072. Разработанное устройство, предназначено для усиления пикосекундных импульсов света мощностью до 1 ТВт в ИК-области спектра и рассчитано на рабочее давление смеси газов до 10 атм.
В настоящее время в НИИЭФА изготовлены, смонтированы и налажены: рентгеновский предыонизатор, генератор импульсных напряжений, системы газоснабжения, вакуумирования, управления и синхронизации. Как показали испытания, параметры перечисленных узлов и систем полностью соответствуют расчётным. Кроме того, изготовлена и испытана система производства обессоленной деионизованной дистиллированной воды, предназначенной для заполнения полости водяного конденсатора (промежуточного накопителя) газоразрядной камеры.
На основании результатов проведенных совместно с ВНИИЭФ измерений характеристик предыонизатора, оснащенного тормозящей мишенью из алюминия толщиной 50 мкм, сделан ряд выводов:
Основным источником неоднородности рентгеновского потока являются поперечные ребра жесткости шириной 10 мм конструкции сетки, на которой закреплена мишень. Отклонение плотности потока от среднего значения по поперечному сечению пучка на расстоянии 2 см от мишени, что соответствует расположению входной сетки разрядного промежутка усилителя, составляет К = ± 35%. С ростом расстояния величина К быстро падает, неоднородность потока уменьшается и на расстоянии 12 см, где и располагается анод разрядного промежутка, составляет менее ± 5%.
Средняя плотность потока рентгеновского излучения при изменении расстояния до мишени с 2 до 12 см, что соответствует высоте разрядного промежутка СО2-усилителя, уменьшается в » 2,5 раза.
Временная форма рентгеновского излучения — 3– 4 импульса колоколообразной формы с периодом следования 360 нс и распределением амплитуд » 10:5:1, все импульсы одинаковой длительности (» 130 нс на полувысоте). Рентгеновское излучение повторяет форму напряжения на вакуумном диоде предыонизатора, имеющего колебательный характер.
Форма спектра рентгеновского излучения близка к форме излучения рентгеновской трубки с Al-катодом при напряжении U=73 ± 5кВ.
Концентрация свободных носителей, измеренная при давлении 4,4 атм рабочей смеси усилителя (СО2:N2:He=2:1:17), на расстоянии 7 см от мишени предыонизатора (в центре рабочего объема усилителя) после первого периода рентгеновского импульса составляет » 4,5× 108 см-3 и увеличивается к концу воздействия рентгеновского излучения до 8,6× 108 см-3. Зависимость концентрации свободных носителей от расстояния до мишени предыонизатора повторяет аналогичную зависимость плотности потока рентгеновского излучения.
Совместно с ИОФРАН осуществлена доработка электродной системы и рентгеновского предыонизатора, в результате которой удалось получить на прототипе усилителя устойчивый объемный самостоятельный разряд (ОСР) на смесях с общим давлением Р=6 атм, добавками в рабочую смесь легкоионизуемых присадок трипропиламина (ТПА) и триэтиламина (ТЭА) и содержанием молекулярных газов (СО2 + N2) до 54 % (вместо 15% до начала доработки). При этом энергия свободной генерации, полученная с использованием неустойчивого телескопического резонатора с апертурой 4 см и коэффициентом увеличения М=2, возросла с 5 до 22 Дж. Это соответствует удельному энергосъему 5,4 Дж/л/атм и к.п.д. 4,5% (при удельном энерговкладе W=117 Дж/л/атм).
Измерены временная форма и пространственное распределение по апертуре усилителя коэффициента усиления слабого сигнала на длине волны 10,27 мкм (линия R16 полосы 10,4 мкм) на рабочей смеси СО2:N2:He=1:2:7 при Р=6 атм с добавками ТПА и W= 85 Дж/л/атм.