Observation of micropinch formation in cathode jet of a low-power laser-induced vacuum discharge

Abstract

The report presents the results from experimental investigation of micropinch formation in the plasma of a vacuum discharge induced by a 6 ns laser pulse of energy J = 0.5–200 mJ (at a storage voltage from 4 to 15 kV and the discharge current range of 6–26 kA, respectively). The discharge gap images were obtained using a pinhole camera in the EUV and soft X-ray ranges of 15–73 eV and 80–284 eV energy. It is shown that micropinch formation in the plasma cathode jet occurs, mainly, in the matter evaporated by the laser pulse at the discharge ignition near the moment when the current derivative reaches the maximum. It is found that the cathode jet may consist of several pinched areas, and each of them has its own structure, and the improvement of the discharge and laser radiation parameters allows us to reach a stable single pinching of plasma. The parameters of the micropinch (the plasma compression ratio, size, and position of the emitting area in the interelectrode gap) as well as the current flow through the interelectrode gap, at the given storage voltage, are completely governed by the laser radiation characteristics.

Emission of a low-power laser-induced vacuum discharge plasma in the EUV and SXR spectral ranges

“…2d) and higher values of J, only the laser plasma emission is detected. This result shows that in the case of the high laser pulse energy and, therefore, the large mass of the plasma jet, the discharge current is not sufficient to obtain plasma pinching, in accordance with results [9,14].…”

“…2b, right column). It was shown in previous experiments that pinching predominantly occurs in the laser plasma produced during the discharge ignition [9]. For a low laser pulse energy and, therefore, a low linear density N 0 of the laser plasma in the discharge gap, the singularity amplitude achieves the maximum.…”

“…It was shown earlier that in vacuum discharge plasma with the storage energy about 10 J initiated on a cathode by a low-power laser pulse, micropinches emitting SXRs in the wavelength region > 40 Å are formed. The plasma pinching process stability and micropinch parameters were controlled by the laser pulse parameters [8,9]. These results suggest the possibility of making a local source of intense SXR with a comparatively low energy deposition based on the laserinduced vacuum discharge.…”

On the determination of plasma parameters on the integrated spectrum

“…В работе [8] был экспериментально исследован процесс формирования микропинчевых структур в плазме вакуумного разряда при напряжениях на накопителе до 16 кВ (с амплитудным значением тока до 28 кА и его скоростью нарастания до 5•10 11 А/с), инициируемого на катоде лазерным импульсом с длительностью 6 нс и энергией в диапазоне 0.5 -200 мДж. Было установлено, что динамика такого разряда обладает рядом специфических особенностей.…”

“…Следует отметить, что, согласно результатам работы [8], плазма разряда сильно неоднородна и размер ее излучающей области в UTA существенно превосходит размер области плазмы, излучающей в диапазоне длин волн, меньших 150 Å. Из этого следует, что оптическая толщина плазмы, излучающей в диапазоне UTA, может существенно превосходить оптическую толщину плазмы, излучающей в более коротковолновом диапазоне. В этом случае для описания отдельных спектральных диапазонов более корректным является использование модели неравновесной излучающей плазмы многозарядных ионов, где согласованным образом учитывается перенос излучения и кинетика заполнения энергетических уровней электронами и которая для плоской и цилиндрической геометрии плазмы представлена в [10].…”