X-ray emission from stainless steel foils irradiated by femtosecond petawatt laser pulses

We report about nonlinear growth of x-ray emission intensity emitted from plasma generated by femtosecond petawatt laser pulses irradiating stainless steel foils. X-ray emission intensity increases as ∼ I 4.5 with laser intensity I on a target. High spectrally resolved x-ray emission from front and rear surfaces of 5 μm thickness stainless steel targets were obtained at the wavelength range 1.7-2.1 Å, for the first time in experiments at femtosecond petawatt laser facility J-KAREN-P. Total intensity of front x-ray spectra three times dominates to rear side spectra for maximum laser intensity I ≈ 3.21021 W/cm2. Growth of x-ray emission is mostly determined by contribution of bremsstrahlung radiation that allowed estimating bulk electron plasma temperature for various magnitude of laser intensity on target

Using of X-pinch as a source in X-ray radiography studying of initial stage of wire explosion

A wire explosion in a gaseous and condensed media extends possibilities of study of phase transitions of the wire material. We studied the influence of the external media (air, water and oil) on the explosion of Cu, Ni and W wires of diameter 10…50 µm. Wires were exploded by the current pulse with the rise time from 200 to 300 ns and the amplitude up to 10 kA. The pulse was produced by a generator based on a low-inductance capacitor, the discharge voltage being 20 kV. Experimental results are discussed on obtaining the wire explosion images in gaseous and liquid media with the help of hard X-ray radiation of an X-pinch in the BIN facility. Exploded wires were placed outside the BIN vacuum chamber and images were registered on the film without magnification. Spatial resolution was limited by film grain structure, and reached 20…30 µm. Spectral range of the imaging radiation (15… 30 keV) was determined by vacuum chamber window material, film sensitivity and thickness of the media where wire was exploded. Temporal resolution was about 10…20 ns and depended on X-pinch wire material and thickness.Исследование взрыва проволочек в газообразной и конденсированной среде позволяет получать информацию о фазовых переходах в материале проволочки. Мы исследовали влияние внешней среды (воздух, вода, масло) на взрыв проволочек диаметром 30…50 мкм из Cu, Ni и W. Взрыв проволочек осуществлялся импульсом тока с фронтом 200…300 нс и амплитудой до 10 кА, формируемым в накопителе на основе низкоиндуктивного конденсатора, заряжаемого до напряжения 20 кВ. Изображения проволочек в газообразной и жидкой средах регистрировались на пленке без увеличения по жесткому рентгеновскому излучению, генерируемому в X-пинче установки БИН. Пространственное разрешение изображений ограничивалось структурой пленки и составляло 20…30 мкм. Спектральный состав излучения (15…30 кэВ) зависел от параметров выводного окна, чувствительности пленки и толщины среды, внутри которой находилась проволочка. Временное разрешение составляло 10…20 нс и зависело от материала и толщины излучающей нагрузки X-пинча. Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ по грантам 05-02-17533, 04-02-17292, МНТЦ по проекту 2151 и субконтракту с Корнельским университетом США по проекту DE-PC03-2NA 0057.Дослідження вибуху дротиків у газоподібному й конденсованому середовищі дозволяє одержувати інформацію про фазові переходи в матеріалі дротика. Ми досліджували вплив зовнішнього середовища (повітря, вода, масло) на вибух дротиків діаметром 30...50 мкм із Cu, Nі і W. Вибух дротиків здійснювався імпульсом струму із фронтом 200...300 нс і амплітудою до 10 кА, сформованим у накопичувачі на основі низькоіндуктивного конденсатора, що заряджається до напруги 20 кВ. Зображення дротиків у газоподібному і рідкому середовищах реєструвалися на плівці без збільшення по твердому рентгенівському випромінюванню, генеруємому в X-пінче установки БІН. Просторове розділення зображень обмежувалось структурою плівки і становило 20...30 мкм. Спектральний склад випромінювання (15...30 кеВ) залежав від параметрів вивідного вікна, чутливості плівки і товщини середовища, усередині якого перебував дротик. Часове розділення становило 10...20 нс і залежало від матеріалу і товщини випромінюючого навантаження X-пінча. Робота виконана при частковій підтримці РФФІ по грантах 05-02-17533, 04-02-17292, МНТЦ по проекту 2151 і субконтракту з Корнельським університетом США по проекту DE-PC03-2NA 0057

Study of hybrid Х pinches in different conditions

A standard X-pinch consists of two or more fine wires that cross at a single point as the load of a pulsed power generator. To simplify the X-pinch load, a hybrid configuration consisting of solid conical electrodes connected by a wire, has been suggested and tested on four generators ranging in current from 200 kA to 1 MA and risetimes varying from 45 to 170 ns. The experiments have shown that for each generator, a wire material, diameter and length can be found for which the X-pinches generate a single intense burst of soft x-rays and develop a single hot spot. Also they generated less hard x-ray intensity than that measured in comparable standard X-pinches.Стандартные Х-пинчи состоят из двух или более проволочек, перекрещенных в диоде сильноточного генератора. Чтобы упростить конфигурацию Х-пинчей, была предложена и протестирована на четырех сильноточных генераторах с токами от 200 кА до 1 МА и временем нарастания импульса от 45 до 170 нс нагрузка в виде гибридного Х-пинча. Гибридные Х-пинчи состоят из двух твердотельных тугоплавких электродов, соединенных проволочкой. Проведенные эксперименты показали, что для каждого генератора можно подобрать материал проволочки, диаметр и длину, при которых гибридные Х-пинчи образуют единичную горячую точку и излучают интенсивную вспышку мягкого рентгеновского излучения. При этом зарегистрированный уровень жесткого рентгеновского излучения был значительно ниже, чем в стандартных Х-пинчах.Стандартні Х-пінчі складаються з двох або більше дротиків, перехрещених у діоді потужнострумового генератора. Щоб спростити конфігурацію Х-пінча, була запропонована і протестована на чотирьох потужнострумових генераторах із струмами від 200 кА до 1 МА та часом наростання імпульсу від 45 до 170 нс навантаження у вигляді гібридного Х-пінча. Гібридні Х-пінчі складаються з двох твердотільних тугоплавких електродів, з'єднаних дротиком. Проведені експерименти показали, що для кожного генератора можна підібрати матеріал дротика, діаметр і довжину, при яких гібридні Х-пінчі утворюють одиничну гарячу краплю та випромінюють інтенсивний спалах м'якого рентгенівського випромінювання. При цьому зареєстрований рівень жорсткого рентгенівського випромінювання був значно нижче, ніж у стандартних Х-пінчах

Directed inward beams of ions in laser produced plasma

We investigated the ion characteristics in picosecond laser plasma at laser radiation intensity of up to $2\times 10^{18}$ W/cm$^{2}$. Our experimental observations of X-ray spectral line profiles confirmed the presence of a great quantity of high-energy ions ($\sim$1 MeV) in laser plasma. Besides, by the $L_{y\alpha }$ Doppler profile's red shift we revealed the high-energy ion motion directed inward the target. For this phenomenon we suggest our theoretical model. The high energy “tail” in the energy spectrum of ions in laser plasmas can be explained by the pinch effect. The effective way for production of beams of charged particles in laser plasmas is the electric drift of these particles in electromagnetic fields generated in the laser-produced plasmas

Ultra-bright keV X-ray source generated by relativistic femtosecond laser pulse interaction with thin foils and its possible application for HEDS investigations

It was shown (Faenov et al ., 2015 b ) that the energy of femtosecond laser pulses with relativistic intensity approaching to ~10 21 W/cm 2 is efficiently converted to X-ray radiation and produces exotic states in solid density plasma periphery. We propose and show by one-dimensional two-temperature hydrodynamic modeling, that applying two such unique ultra-bright X-ray sources with intensities above 10 17 W/cm 2 – allow to generate shock waves with strength of up to some hundreds Mbar, which could give new opportunities for studies of matter in extreme conditions

Observation of laser satellites in a plasma produced by a femtosecond laser pulse

Laser satellites are detected in the emission spectra of magnesium and aluminum plasmas produced by femtosecond laser pulses. This is made possible by the realization of picosecond time resolution in a highluminosity x-ray spectrograph with a spherically curved mica crystal. The temporal characteristics of these newly recorded spectral lines show unequivocally that they are formed as a result of nonlinear processes

High-resolution spectroscopic study of hot electron induced copper M-shell charge states emission from laser produced plasmas

International audienc

Detailed analysis of hollow ions spectra from dense matter pumped by X-ray emission of relativistic laser plasma

X-ray emission from hollow ions offers new diagnostic opportunities for dense, strongly coupled plasma. We present extended modeling of the x-ray emission spectrum reported by Colgan et al. [Phys. Rev. Lett. 110, 125001 (2013)] based on two collisional-radiative codes: the hybrid-structure Spectroscopic Collisional-Radiative Atomic Model (SCRAM) and the mixed-unresolved transition arrays (MUTA) ATOMIC model. We show that both accuracy and completeness in the modeled energy level structure are critical for reliable diagnostics, investigate how emission changes with different treatments of ionization potential depression, and discuss two approaches to handling the extensive structure required for hollow-ion models with many multiply excited configurations