Введение к работе
Актуальность темы исследования
В данной работе исследовалась плазма с характерными временами жизни-1-100 не. Изучение таких плазменных источников имеет огромное значение для решения задач управляемого термоядерного синтеза. Они представляют значительный интерес как для фундаментальных исследований, так и практических приложений: рентгеновская проекционная и контактная литография, микроскопия и др.
Одним из наиболее эффективных методов исследования плазмы является рентгеновская и вакуумно-ультрафиолетовая (ВУФ) спектроскопия многозарядных ионов. Методы рентгеновской и ВУФ спектроскопии плазмы, разрабатывавшиеся на протяжении более 40 лет (см., например, [1-4]), с появлением новых фундаментальных и практических задач активно развиваются и сейчас.
В представленной работе решаются новые задачи по разработке нового метода ВУФ спектроскопии для диагностики плазмы, возникающей на конечном участке магнитоизолированных вакуумных транспортирующих линий мощных импульсных генераторов тока, и по созданию компактных светосильных приборов для регистрации спектров в области вакуумного ультрафиолета с использованием многослойных структур (многослойные структуры были изготовлены в ИФМ РАН, Нижний Новгород) в качестве диспергирующих элементов.
Применение предложенного в данной работе нового метода ВУФ спектроскопии позволяет исследовать такие сложные объекты, как плазма, возникающая в конечном анод-катодном (А-К) промежутке магнитоизолированных вакуумных транспортирующих линий (МВТЛ) сильноточных импульсных генераторов тока. Для оптимизации устройства мощных импульсных генераторов тока необходимо знать параметры плазмы, возникающей при коротком замыкании в А-К зазоре МВЛТ. Короткое замыкание, возникающее при протекании по транспортирующей линии токов мегаамперного диапазона, препятствует эффективной передаче энергии к основной нагрузке [5]. Интенсивное излучение и осколки, разлетающиеся из плазмы основной нагрузки, значительно затрудняют исследование А-К промежутка и происходящих в нём процессов. По этим причинам любая информация о коротком замыкании в А-К промежутке представляет значительный интерес.
В настоящее время разработана технология изготовления высокоэффективных короткопериодичных рентгеновских зеркал на основе многослойных интерференционных структур (далее - МС) (ИФМ РАН, Нижний Новгород) [6]. Использование подобных МС особенно перспективно в фокусирующих спектрометрах длинноволнового диапазона, где отсутствуют естественные кристаллы, например, в "водяном окне" (диапазон длин волн между К-краями поглощения кислорода и углерода ( =2.3-4.4 нм). При использовании более сложных отражающих поверхностей (сферических, тороидальных, параболических) можно будет получать не только высокое спектральное, но и пространственное, разрешение. Найдена возможность использовать фокусирующие кристаллические схемы спектрографов в спектральном диапазоне, где ранее применялись приборы на основе дифракционных решеток. Это имеет существенное значение при исследовании плазменных источников с малым выходом рентгеновского излучения, в том числе фемтосекундной лазерной плазмы.
Цель диссертационной работы
Целью диссертационной работы является разработка и применение новых методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии для диагностики импульсных плазменных источников. В данной работе исследовались:
1) плазма, возникающая в анод-катодном промежутке магнито-
изолированных вакуумных транспортирующих линий (МВТЛ);
2) многопроволочные Z-пинчи;
3)наносекундная лазерная плазма.
Научная новизна
Разработан спектральный метод ВУФ диагностики плазмы Fe позволяющий измерять электронную температуру в диапазоне Т =100-300 эВ
[7].
Измерена электронная температура плазмы Т = (190 (60) эВ,
создаваемой на заключительном участке транспортирующей линии мощного генератора тока Z-Machine в Национальной Лаборатории Сандиа [7].
Разработан фокусирующий спектрометр с многослойной структурой W/B в качестве диспергирующего элемента, что позволило зарегистрировать спектры [Н]- и [Не]- подобных ионов Mg (? = 0.8 ? 1 нм) в отдельных выстрелах с интенсивностью лазерного излучения ~ 10 мДж [8].
Применение многослойной структуры Cr/Sc в качестве диспергирующего элемента позволило использовать фокусирующий рентгеновский спектрометр в области «водяного окна» (? = 24 - 43 ?). [9].
Практическая значимость
Разработанный метод определения электронной температуры по ВУФ спектрам железа позволяет получить важную информацию о плазме, возникающей в А-К зазоре МВТЛ. Кроме того, данный метод может
применяться для определения электронной температуры плазмы других тяжелых элементов, например, для диагностики плазмы многопроволочных вольфрамовых Z-пинчей.
Применение новых фокусирующих спектрометров с многослойными периодическими структурами в качестве диспергирующих элементов позволит измерять температуру электронов в диапазоне Г-50-100 эВ, реализуемом в плазменных установках для проекционной ВУФ литографии [10] и микроскопии [11].
Положения, выносимые на защиту
1. Новый метод ВУФ диагностики Ь& плазмы, позволяющий измерять
электронную температуру в диапазоне Т = 100 - 300 эВ.
Экспериментальные результаты измерения температуры на заключительном участке вакуумной транспортирующей линии установки Z-Machine.
Применение многослойных зеркал с заранее заданным межплоскостным расстоянием в качестве диспергирующего элемента в светосильном рентгеновском спектрометре для рентгеновской диагностики лазерной плазмы.
4. Экспериментальные результаты по регистрации спектров лазерной
плазмы в области «водяного окна» (? = 24 - 43 ?) с помощью светосильного
фокусирующего кристаллического спектрометра с многослойной структурой в
качестве диспергирующего элемента. Высокая светосила спектрометра
позволяет регистрировать спектры при очень низкой энергии лазерного
импульса 1-10 мДж.
Апробация работы
Результаты диссертационной работы прошли апробацию на 5 российских и международных конференциях:
X Ежегодный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний
Новгород, 2006 г.
XI Ежегодный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний
Новгород, 2007 г.,
XII Ежегодный Симпозиум «Нанофизика и наноэлектроника», Нижний
Новгород, 2008 г.,
XXXV Международная Конференция по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу, Звенигород, 2008 г.
Структура и объем диссертации
