Введение к работе
Актуальность исследований. Рентгеновская и вакуумно-ультрафиолетовая (ВУФ) спектроскопия многозарядных ионов является одним из наиболее эффективных методов исследования высокотемпературной плазмы. С момента своего возникновения (см. обзор [1]), это направление физики прошло несколько этапов своего развития. Новые импульсы в развитии спектроскопии всегда были связаны с появлением новых идей, методов исследования и технологий. Например, более 40 лет назад Н.Г. Басовым и О.Н.Крохиным была высказана идея об использовании лазеров в управляемом термоядерном синтезе (УТС) [2]. Это привело к появлению нового источника рентгеновского излучения - лазерной плазмы. Этот источник излучения, в свою очередь, стал объектом интенсивных исследований, как по физике многозарядных ионов (первые работы [3, 4]), так и в качестве одного из кандидатов для УТС. Важный этап развития рентгеновской спектроскопии многозарядных ионов связан также с космическими исследованиями плазмы солнечной короны, когда успехи в космических технологиях позволили размещать на ракетах и спутниках спектральную аппаратуру [5]. Работы по УТС и солнечной короне стимулировали в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН многочисленные систематические теоретические и экспериментальные исследования высокотемпературной лабораторной плазмы по изучению структуры спектров многозарядных ионов, элементарных процессов в плазме, созданию методов рентгеноспектральной диагностики, программ расчета атомных, столкновительных и радиационных характеристик и т.д. (см., например, [6-13]).
Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы активно развивается и в настоящее время. Это связано, прежде всего, с продолжающимися исследованиями по УТС [14], космическими исследованиями [15], а также с появлением новых задач, источников рентгеновского излучения, оптических элементов, возможностей для практических приложений и т.д. Отметим, что рентгеновская спектроскопия активно развивается и на стыке смежных наук и технологий - физики плазмы и УТС, радиационной плазмодинамики, физики быстро-протекающих процессов, физики коротковолновых лазеров, электроники, биологии, литографии и др. Развитие этого направления спектроскопии является важным как для фундаментальных, так и для прикладных исследований.
Одной из актуальных задач настоящего времени продолжает оставаться УТС. Программа по инерциальному УТС развивается как на основе лазерной плазмы [14], так и на основе плазмы мощных Z-пинчей [16]. Эти исследования
требуют разработки новых методов диагностики сверхплотной плазмы и новых спектральных приборов, которые могли бы работать в условиях сильных радиационных нагрузок, выдерживать воздействие ударных волн и продуктов взрыва и т.д.
Лабораторная высокотемпературная плазма, в отличие от астрофизической, всегда ограничена по объему (стенки вакуумной камеры, окружающий плазму газ и т.д.), поэтому исследование взаимодействия плазмы с окружающими ее преградами приобретает фундаментальное значение.
В последнее время достигнут значительный прогресс в технологии использования мягкого рентгеновского и ВУФ излучения (см., например, [17-19]). Этот прогресс обусловлен успехами в разработке источников рентгеновского излучения высокой яркости: синхротронных источников, рентгеновских лазеров, лазеров на свободных электронах, фемтосекундной лазерной плазмы, плазмы Z-, X-пинчей и др. Усовершенствование существующих и разработка новых источников излучения требует как новых подходов для их диагностики, так и открывает новые возможности для исследований. Последние десятилетия ознаменовались и значительными успехами в разработке новых элементов рентгеновской оптики: многослойных зеркал нормального падения, линз Френеля, отражательных решеток с переменным периодом, решеток на пропускание и др. [17-21]. С появлением новых элементов и технологий появились новые возможности для исследований в рентгеновском и ВУФ диапазонах спектра и для создания новой приборной базы. Наиболее впечатляющим результатом последнего времени стала разработка методов проекционной ВУФ литографии на основе многослойных зеркал нормального падения [19]. На первый план в этих исследованиях выходят количественные измерения радиационных характеристик излучения.
Все вышеперечисленное позволяет кратко сформулировать задачи, решаемые рентгеновской спектроскопией высокотемпературной плазмы в настоящее время:
-
развитие методов диагностики, измерение и расчет спектроскопических характеристик многозарядных ионов, установление механизмов возбуждения спектров;
-
усовершенствование существующих и разработка новых источников излучения;
-
разработка приборной базы, наиболее адекватно соответствующей поставленным задачам;
4) применение спектральных методов в практических приложениях.
На решение этих задач и направлена эта диссертационная работа.
Целью работы является развитие методов диагностики, разработка соответствующей спектральной аппаратуры и их использование для исследования высокотемпературной плазмы по спектрам многозарядных ионов. Важной составляющей этой работы является исследование взаимодействия лабораторной плазмы с окружающими ее препятствиями.
Исследования носят как фундаментальный характер, так и используются в практических приложениях.
Объектами исследования являются высокотемпературная лазерная плазма и лазерная плазма, взаимодействующая с преградами, а также плазма мощных Z-пинчей. Основное внимание в работе уделяется лазерной плазме. Этот выбор диктуется тем, что лазерная плазма представляет собой универсальный, компактный источник излучения многозарядных ионов, стабильный по параметрам и положению в пространстве. Варьирование параметрами лазерного импульса и условиями фокусировки на разнообразные мишени позволяет в широких интервалах изменять параметры плазмы. Для создания лазерной плазмы использовалось несколько лазерных установок, расположенных в нашей стране и за рубежом, а эксперименты проводились в широком диапазоне лазерных параметров и условий фокусировки: с плотностью потока лазерного излучения на мишени от
10 до 10 Вт/см , с длительностью импульса от 80 фс до 30 не, с энергией в импульсе от нескольких мДж до ~ 20 Дж.
Предметом исследования является рентгеновское и ВУФ излучение многозарядных ионов лабораторной плазмы. Спектральный интервал исследований составлял от рентгеновского (длина волны /1-1 А) до ВУФ диапазона (/1-200 А). Временной интервал выполнения данной работы составляет около 30 лет (с 1980-х годов).
Научная новизна
1. Разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы. Метод использован для измерения температуры электронов (71е=200±40 эВ) в плазме, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (Sandia National Laboratories). Плазма,
образуемая в анод-катодном промежутке, может приводить к его замыканию, что препятствует эффективному вложению энергии в разряд.
-
Впервые обнаружено, что при взаимодействии разлетающейся высокотемпературной лазерной плазмы с поверхностью твердого тела возникает интенсивное рентгеновское излучение в линиях многозарядных ионов. При этом взаимодействии реализуется уникальная ситуация, когда многозарядные ионы, зарядовый состав (Z-10) которых формируется в горячем ядре (Ге~0,5 + 1 кэВ) лазерной плазмы, излучают в плотной {7^==(1-^4)- 10 см } и холодной {71 ==50-100 эВ} плазме приповерхностного слоя.
-
Впервые исследованы рентгеновские спектры и характеристики Ка излучения, возникающего при воздействии на металлические мишени (Fe, Си) фем-тосекундных импульсов инфракрасного диапазона спектра, генерируемых тера-ваттной лазерной системой с активной средой хром-форстерит.
-
Впервые для оценки точности теоретических расчетов, используемых при рентгеноспектральной диагностики плазмы, в спектрах [Не]-подобных ионов Са и Ті детально исследованы в диапазоне /1=2,6 - 3,2 А длины волн (точность A/SA>\04) и интенсивности сателлитных линий (ошибка 10-К30%).
-
Впервые экспериментально показано, что при расчетах ионизационного состава высокотемпературной (Те ~ 1 кэВ) и плотной (Ne = 1020 -г- 1022 см"3) плазмы необходимо учитывать эффект влияния плотности электронов на скорость диэлектронной рекомбинации.
-
Впервые для исследования рентгеновских спектров лазерной плазмы использован спектрометр с вертикальной фокусировкой. Этот спектрометр обладает высоким спектральным разрешением (A/SA-2000), широкой областью регистрации спектра (zU-1,5-10 А) и повышенной светосилой, позволяющей регистрировать спектры многозарядных ионов за одну вспышку лазера. Использование кристаллов и многослойных структур в качестве дисперсионных элементов позволило регистрировать излучение как в рентгеновском, так и ВУФ (А < 40 А) областях спектра.
Положения, выдвигаемые на защиту
1. Зарегистрированы и исследованы рентгеновские спектры многозарядных ионов лазерной плазмы различных элементов (Az=6+74) в широком спектральном интервале (/1=1,5-=-200 А) и в широком диапазоне лазерных параметров и условий фокусировки: с плотностью потока лазерного излучения на мишени от
10 до 10 Вт/см , с длительностью импульса от 80 фс до 30 не, с энергией в импульсе от нескольких мДж до ~ 20 Дж. По этим спектрам проведена диагностика плазмы: определение температуры Те и плотности Ne электронов в диапазонах: Те=(60 -^ 1400) эВ и 7Vg=(1019 -^ 1021) см"3, а также количественные (абсолютные) измерения интенсивности, спектральной плотности излучения и яркости источника.
-
Экспериментально показано, что температура электронов в плазме, создаваемой при замыкании в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (Sandia National Laboratories), составляет 7^=(200+40) эВ. Для этих измерений разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы.
-
При взаимодействии факела высокотемпературной лазерной плазмы с поверхностью твердого тела возникает интенсивное рентгеновское излучение в линиях многозарядных ионов. Излучение в приповерхностной области связано с трехчастичной рекомбинацией электронов на высокие уровни и последующим каскадированием за счет радиационных и столкновительных процессов. Эти процессы приводят к инверсной заселенности между возбужденными уровнями многозарядных ионов.
-
Разработан рентгеновский фокусирующий спектрометр с вертикальной фокусировкой, который абсолютно откалиброван по чувствительности, обладает высоким спектральным разрешением (A/SA~2000) и имеет область регистрации спектра /1-1,5-10 А. С применением в этой схеме новых многослойных структур в качестве дисперсионных элементов диапазон регистрации расширен в сторону ВУФ излучения (до /1-40 А) и достигнута светосила, в 40 раз превышающая светосилу традиционных для этой области спектра дифракционных спектрометров с решетками скользящего падения.
Практическое значение
1. Новый метод измерения температуры электронов, успешно использованный для диагностики плазмы Fe в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine", может быть распространен как на другие элементы, так и на более широкий температурный диапазон. Это представляет интерес, например, для диагностики плазмы мощных Z-пинчей (W -
материал проволочных сборок), плазмы токамаков (Мо и W - материал диверте-ров) и плазменных источников, предназначенных для проекционной ВУФ литографии (Sn).
-
Взаимодействие высокотемпературной лазерной плазмы с поверхностью твердого тела имеет большое значение при разработке нового типа источников рентгеновского излучения, при разработке лазеров коротковолнового диапазона длин волн, моделирования пристеночной плазмы токамаков.
-
Метод формирования направленных интенсивных пучков ВУФ излучения с помощью многослойных зеркал нормального падения в качестве коллиматоров и лазерной плазмы в качестве источника излучения являются важными для проекционной ВУФ литографии и микроскопии.
-
Применение спектрометров на основе новых фокусирующих многослойных структур позволит значительно расширить возможности рентгеноспек-тральных методов как в фундаментальных исследованиях, так и в практических приложениях. Подобные спектрометры представляют большой интерес для оптимизации и мониторинга источников излучения, например, применяемых в рентгеновских микроскопах для изучения биологических объектов в спектральной области "окна прозрачности воды", или для стендов проекционной коротковолновой нанолитографии. Применение новых спектрометров позволит исследовать мягкое рентгеновское и ВУФ излучение и таких слабоинтенсивных источников, как фемто секундная лазерная плазма.
-
Проведенное детальное исследование длин волн, интенсивностей са-теллитных линий и ионизационного равновесия в высокотемпературной лазерной плазме позволило оценить точность теоретических расчетов, используемых при рентгеноспектральной диагностики плазмы.
-
Разработанная спектральная аппаратура (спектрометры и детекторы) могут использоваться для диагностики различных рентгеновских источников (лазерная плазма, плазма Z-пинчей, источники для рентгеновской и ВУФ микроскопии и литографии и т.д.) и для практических приложений (флуоресцентный анализ, рентгеновская микроскопия).
Апробация работы. Результаты работ, составившие основу диссертации, опубликованы в рецензируемых журналах и неоднократно были представлены на многочисленных международных (45 докладов) и отечественных (20 докладов) конференциях.
Международные конференции, на которых были доложены результаты диссертации: European Conference on Atomic Physics EC АР (Heidelberg, 1981), VI European Sectional Conference on the Atomic and Molecular Physics of Ionised Gases (Oxford, 1982), International Conference on the Physics of Highly Ionised Atoms (Oxford, 1984), 5-th International Conference on Laser and their Applications (Dresden, 1985), Первый Советско-Британский симпозиум по спектроскопии многозарядных ионов (Троицк, 1986), The International Congress on Optical Science & Engineering (the Hague, 1991), Micro-and Nano-Engineering 94 (MNE94) (Davos, 1994), Quantum Electronics and Laser Science (QELS) Conference (Baltimore, 1995), International Conference on Soft X-Rays in the 21st Century (Midway, 1997), The 48th ,49th and 50th Annual Denver X-Ray Conferences (Steamboat Springs, 1999; Denver, 2000; Denver 2001), The Fourteenth AIP International Conference -AIP (New York, 1999), International Symposium on Optical Science, Engineering, and Istrumentation, SPIE's 42 rd, 43 rd, 45 th, 46 th, 47 th, 48 th, 50 th Annual Meetings (San Diego, 1997, 1998, 2000, 2001; Seattle 2002; San Diego, 2003, 2005), 28th European Conference of Laser Interaction with Matter (ECLIM) (Roma, 2004), International symposium "Topical problems of nonlinear wave physics" (Nizhny Novgorod, 2005), IX, X, XI, XII, XIII, XIV Международные симпозиумы "Нанофизика и электроника" (Нижний Новгород, 2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010), Российско-американский симпозиум по мощным пучкам лазерного излучения (Directed Laser Energy Symposium) (Нижний Новгород, 2006), IEEE Pulsed Power and Plasma Science Conference (Albuquerque, 2007), XXXV International Conference on plasma physics and CF (Zvenigorod, 2008), International Workshop on EUV Lithography (Hawaii, 2008), International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography (Lake Tahoe, 2008), 50th Annual Meeting of the APS Division Plasma Physics (Dallas, 2008), The 7th Dense Z-Pinch Conference (Alexandria, 2008). Отечественные конференции, на которых были доложены результаты диссертации: VIII Всесоюзная конференция по физике электронных и атомных столкновений (VIII ВКЭАС) (Ленинград, 1982), XIX и XX Всесоюзные съезды по спектроско-пии(Томск, 1983, Киев, 1998), XIX Всесоюзной конференции по эмиссионной электронике (Ташкент, 1984), Совещание "Рентгеновская оптика" (Нижний Новгород, 2000, 2001, 2002, 2003, Черноголовка, 2008), XXII и XXIII съезды по спектроскопии (Звенигород, 2001, 2005), XVII и XIX конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" (Звенигород, 2003; Архангельск, 2009).
Результаты неоднократно докладывались на семинарах в научных институтах и центрах: Физическом институте РАН, Институте общей физики РАН, Институте спектроскопии РАН, Институте физики микроструктур РАН, ГНЦ РФ ТРИНИТИ (Троицк), Институте экспериментальной и теоретической физики (Москва), Рурском университете (Бохум, Германия), ФОМ Институте физики плазмы (Нивехен, Нидерланды), ФОМ Институте Amolf (Амстердам, Нидерланды), Империал Колледже (Лондон, Англия), Университете Бригхама Янга (Прово, США), Университете Невады г.Рино (США), Национальной лаборатория Сандиа (Альбукерк, Нью Мексико, США), Ливерморкой лаборатории им. Ло-уренса (Ливермор, США) и других.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 75 работах, из которых 36 из списка ВАК (отмечены *). Эти работы приведены в авторском списке в хронологическом порядке в конце автореферата.
Вклад автора. Все изложенные в диссертационной работе оригинальные результаты получены лично автором, либо при его руководстве и непосредственном участии. Автор диссертации внес значительный вклад в создание лазерной установки "Феникс", им осуществлялась разработка и создание диагностической аппаратуры, проведение экспериментальных исследований, а также обработка, систематизация, анализ и интерпретация полученных результатов. Участие автора было определяющим в постановке целей и задач экспериментов. Предложенные автором проекты были поддержаны международными грантами МНТЦ № 021-95 и TNTAS № 94-4341, а также грантами РФФИ № 03-02-16632 и № 09-02-00154а (действующий).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка цитируемой литературы по главам, включающего 460 названий, авторского списка, включающего 75 наименований, и изложена на 327 страницах машинописного текста, в том числе 118 рисунков и 24 таблицы.
