Применение методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии для диагностики импульсных плазменных источников тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Государственный научный центр РФ Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А.И. Алиханова

На правах рукописи

Казаков Евгений Давидович 003452 пи

Применение методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии для диагностики импульсных плазменных источников

специальности: 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики,

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации па сопскаппс ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2008

003452710

УДК 533.9

Работа выполнена в ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики им. А.И. Алиханова, г. Москва.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, профессор Б.Ю Шарков (ИТЭФ, г. Москва)

кандидат физико-математических наук А.П. Шевелько (ФИ РАН, г. Москва)

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор И.К. Красюк (ИОФ РАН, г. Москва)

кандидат физико-математических наук,

И.А. Артюков

(ФИ РАН, г. Москва)

Институт спектроскопии РАН (г. Троицк)

Защита состоится «28» октября 2008 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 212.130.05 в ГНЦ РФ ИТЭФ, расположенного по адресу: г. Москва, ул. Б. Череушкинская д.25, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ ИТЭФ.

Автореферат разослан « Я6 » с-енгя^Я- 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

В.В. Васильев

Общая характеристика работы

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 н 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 созданшо 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 - MC) (ИФМ РАН, Нижний Новгород) [6]. Использование подобных MC особенно перспективно в фокусирующих спектрометрах длинноволнового диапазона, где отсутствуют естественные кристаллы, например, в "водяном окне" (диапазон длин волн между K-краями поглощения кислорода и углерода X = 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 (MBTJI);

2) многопроволочные Z-гшнчи;

3)наносекундная лазерная плазма.

Научная новизна

1. Разработан спектральный метод ВУФ диагностики плазмы Fe позволяющий измерять электронную температуру в диапазоне Те =100-300 эВ [7].

2. Измерена электронная температура плазмы Те- (190 ± 60) эВ, создаваемой на заключительном участке транспортирующей линии мощного генератора тока Z-Machine в Национальной Лаборатории Сандиа [7].

3. Разработан фокусирующий спектрометр с многослойной структурой W/B4 в качестве диспергирующего элемента, что позволило зарегистрировать спектры [Н]- и [Не]- подобных ионов Mg (X = 0.8 -f 1 нм) в отдельных выстрелах с интенсивностью лазерного излучения ~ 10 мДж [8].

4. Применение многослойной структуры Cr/Sc в качестве диспергирующего элемента позволило использовать фокусирующий рентгеновский спектрометр в области «водяного окна» (к = 24 - 43 Ä). [9].

Практическая значимость

Разработанный метод определения электронной температуры по ВУФ спектрам железа позволяет получить важную информацию о плазме, возникающей в А-К зазоре MBTJI. 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 Fe плазмы, позволяющий измерять электронную температуру в диапазоне Те = 100 - 300 эВ.

2. Экспериментальные результаты измерения температуры на заключительном участке вакуумной транспортирующей линии установки Z-Machine.

3. 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 Л) 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 й наноэлектроника», Нижний Новгород; 2008 г.,

XXXV Международная Конференция по Физике Плазмы и 'Управляемому Термоядерному Синтезу, Звенигород, 2008 г.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения' л списка литературы из 105 наименований. Работа изложена на 119 страницах и содержит 49 рисунков.

Содержание работы

Во введении проведена постановка задачи диссертационной работы, обоснована её актуальность и дано описание её структуры.

В первой главе приводится краткий обзор по истории развития мощных импульсных генераторов тока. Описывается техника использования многопроволочных 7-пинчей в качестве обострителей мощности для решения задач управляемого термоядерного синтеза (см., например, [12]). Обосновавается важность исследования плазмы возникающей в анод-катодном (А-К) зазоре магнитоизолированных вакуумных транспортирующих линий мощных импульсных генераторов тока.

Вторая глава посвящена определению электронной температуры плазмы, возникающей в анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "2-МасЫпе" (Национальная лаборатория Сандиа, США), методами ВУФ спектроскопии. Новый метод заключался в сравнении спектров плазмы, возникающей в А-К зазоре, со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы.

Работа включала следующие этапы:

Разработка спектрального метода ВУФ диагностики плазмы, позволяющего определять электронную температуру в диапазоне Те =100-300 эВ.

Разработка оборудования для регистрации спектров в А-К зазоре МВТЛ на установке "2-МасЫпе". К оборудованию предъявлялись жесткие и специфические требования. Приборы должны быть компактными, простыми в юстировке и устойчивыми к повреждению при взрыве основной нагрузки.

Проведение экспериментов на установке "г-МасЫпе".

Проведение экспериментов с хорошо диагностируемой лазерной плазмой.

Теоретическое моделирование спектров плазмы железа при различных электронных температурах.

Для разработки метода определения Те было использовано важное свойство лазерной плазмы: при умеренных лазерных потоках наносекундных импульсов на мишени (<7~10п-1014 Вт/см2) электронная температура горячего ядра плазмы зависит только от лазерного потока д и не зависит от атомного номера А мишени (для \<А<1А) (см., например, 113, 14]). Это вызвано взаимокомпенсацией двух факторов (при фиксированной Те с увеличением А увеличиваются потери на ионизацию, но эти потери компенсируются увеличением поглощенной на один ион энергии лазерного излучения [13, 14]). Таким образом, эксперименты включали исследование двух лазерных плазм, создаваемых при одних и тех же лазерных потоках на М« и Бе мишенях. Рентгеновские спектры [Н]- и [Не]-подобных ионов были использованы для измерения Те [15,16]. ВУФ спектры Бе исследовали при таких же потоках с помощью спектрографа скользящего падения в том же спектральном диапазоне (л~20-800 А), что и на установке '\Z-Machine." Эти эксперименты позволили приписать электронную температуру каждому спектру Ре в диапазоне температур Те -100-400 эВ, ожидаемых в плазме А-К промежутка установки "2-МасЫпе". В дальнейшем, по результатам сравнения экспериментальных и теоретических спектров, полученных для лазерной плазмы, со спектрами, наблюдавшихся в экспериментах на установке "2-

Machine", этот метод позволил определять температуру электронов в А-К промежутке MBTJI.

длина волны,Л

Рис.1. Сравнение экспериментального и теоретического спектров Бе при

7>200 эВ.

Структура экспериментальных спектров и интенсивности линий хорошо соответствуют теоретическим расчетам при аналогичных электронных температурах (рис.1).

Структура спектра очень чувствительна к электронной температуре. При повышении температуры степень ионизации железа увеличивается, что наблюдается как на экспериментальных, так и на расчетных спектрах. Это приводит к сдвигу спектра в коротковолновую область. Сдвиг "центра тяжести" спектра показан на рис. 2.

-ехр

-Нтеог (^.=5))

Рис.2. Сравнение экспериментальных и синтезированных теоретических спектров низкого спектрального разрешения. Температура электронов для теоретических спектров соответсвует вычислениям при условии совпадения с экспериментальными длинами волны Д„(1( (длина волны максимальной интенсивности спектрального распределения).

Видно, что длина волны Л,1ЦД, соответствующая максимуму интенсивности спектрального распределения, чувствительна к электронной температуре Те. Отметим, что экспериментальная зависимость Я„,ах 01 Те хорошо согласуется с теоретическими расчётами (рис. 3). Экспериментальные и теоретические данные могут быть аппроксимированы формулой ЫЛтах,к)=А{ 1/Шс\))+В.

В данном методе ошибки в коэффициентах А и В определяют точность измерения Т(, например, Л,„м =70 Л соответствует 7,,=200 эВ ± 30 эВ (15%).

1/Т (кэВ)

Рис.3. Экспериментальная и теоретическая зависимости 1п(Л,тх) от 1/7,..

При определении температуры плазмы, значительное внимание уделялось наблюдению ионов Бе с максимальной степенью ионизации.

Ион ИеХУП является ионом с максимальной степенью ионизации, наблюдавшейся в экспериментах на установке "7-МасЫпс" (рис.4). Эта максимальная стадия ионизации может быть также использована для оценки электронной температуры. Этой стадии ионизации соответствует потенциал ионизации /=1262 эВ. В плазме с электронной температурой Те потенциал ионизации / наиболее представленных ионов может быть оценен как I ~5'Те для коронального и, как I -(8+10) 7, - для термодинамического равновесия (см., например, [13]). Таким образом для I-1262 эВ мы имеем 7^=250 эВ и Г,,=130 эВ для коронального и термодинамического равновесия, соответсвенно, или 7>=( 190+60) эВ.

длина волны, А

Рис.4. Идентифицированный ВУФ спектр Fe плазмы А-К промежутка (Shot # 21621 EUV, 01/11/2006). Положение максимума распределения интенсивности обозначено символом 1. Интенсивные переходы 3s-4p иона FeXVI обозначены символом 2. Интенсивные переходы 3d-5f в ионе FeXVI и 3s-4p в ионе FeXVII обозначены символом 3.

В этом случае значение Те не зависит от предположения об ионизационном равновесии: в пределах погрешности, составившей 60 эВ, значение Те укладывается в обе модели.

Кроме того, подробно рассмотрены дополнительные факторы, которые могут оказывать влияние на результаты измерения электронной температуры (оптическая толщина плазмы, выбор модели, излучение основной нагрузки, флюоресцентное излучение стенок камеры).

В третьей главе, в качестве примера применения методов рентгеновской спектроскопии, приведены результаты эксперимента., по определению электронной температуры и электронной плотности . плазмы многопроволочных Z-пинчей по спектрам многозарядных ионов.

В эксперименте в качестве нагрузок использовали многопроволочные «звездоподобные» сборки (лайнеры). Электронную температуру определяли по отношению интенсивностей диэлектронных сателлитов и резонансных линий [HJ- и [Не]- подобных ионов Mg. Электронную плотность определяли из отношения интенсивностей w и интеркомбинационной линии Mg. В данной главе подробно описан метод измерения и обоснован .выбор спектральных линий, использованных для определения параметров плазмы [15-17].

В четвертой главе, на основании анализа литературных источников, рассмотрены некоторые методы рентгеновской и ВУФ спектроскопии. При этом основное внимание уделялось методам определения параметров плазмы по спектрам водородоподобных и гелиеподобных ионов.

В пятой главе проведено описание разработки нового светосильного спектрографа на основе цилиндрического многослойного зеркала. Проведён сравнительный анализ ранее разработанных методов регистрации спектров в

рентгеновском и ВУФ диапазонах. Обоснована актуальность использования многослойных структур в фокусирующих схемах рентгеновских спектрографов. Разработана конструкция нового фокусирующего спектрографа на основе схемы Гамоша с многослойной структурой \У/В4С в качестве диспергирующего элемента.

В шестой главе представлены результаты экспериментов по регистрации спектров лазерной плазмы с помощью разработанного фокусирующего спектрометра на основе схемы Гамоша с многослойной структурой в качестве диспергирующего элемента.

Проведено сравнение коэффициентов отражения многослойной структуры и кристалла слюды. Для этого кристалл слюды с многослойным зеркалом устанавливался в спектрометре таким образом, чтобы многослойное зеркало (\\ТВ4С) занимало половину действующей апертуры спектрометра. Спектры от многослойной структуры и от кристалла слюды формировались одновременно на оси спектрометра и регистрировались одним и тем же ПЗС детектором. Примеры спектров приведены на рис.5. Так как многослойная структура (МС) и кристалл слюды имеют разные межплоскостные периоды 2с1 (24 А и 19,88 А соответственно), приведены две шкалы длин волн. Используя интегральные интенсивности линий, можно оценить отношение интегральных коэффициентов отражения, которое составило для Х=8,4 А (резонансная линия АУ а [Неподобного нона Mg)

р (МС)/р(слюда)=1,3±0,14 (±11%).

Длина волны, А 8.0 ».8 9.0 9.5 10.0 ю,г

Длина волны, А

Рис.5. Рентгеновский спектр лазерной плазмы (28.09.06 №8),

зарегистрированный одновременно с помощью многослоГзной структуры (верхняя шкала) и кристалла слюды (нижняя шкала). Отмечены резонансные линии На и Неа водородоподобного ([Н]-) и гелиеподобного ([Не]-) ионов сателлитные линии (5) и линии главной серии в [Не]-поодобном ионе.

Для регистрации спектров в:диапазоне 30-40 А в качестве диспергирующего элемента применялось многослойное рентгеновское зеркало, состоящее из 130 пар слоев Cr и Sc с периодом d = 3.75 нм (зеркало изготовлено в ИФМ РАН, Нижний Новгород).

В качестве детектора излучения использовалась ПЗС линейка Toshiba TCD 1304АР, имеющая 3724 элемента шириной 8 мкм и 200 мкм высотой каждый. Для расширения спектрального диапазона детектора (вплоть до к = 30 - 40 Ä) активная ■ область ПЗС детектора соединялась с волоконной шайбой, на которую наносился тонкий слой (-10 мкм) люминофора. Фокусирующая геометрия спектрометра наряду с высокой эффективностью ПЗС детектора обеспечивают высокую чувствительность прибора. Это позволяло регистрировать рентгеновские спектры в этих экспериментах при малых энергиях лазерного импульса (вплоть до 1 мДж).

На рис. 6 приведен спектр излучения плазмы углерода, зарегистрированный с помощью Cr/Sc многослойного зеркала в качестве дисперсионного элемента. Спектральное разрешение ЛУ8А, ~ 100 позволило наблюдать резонансные линии [Н]- и [Не]- подобных ионов и переход (1-3) в [Не]-подобном ионе.

fct 50

и

40

i 30

о

я Е 20

о

И 10

0

. (CHj), TARGET 1sl-1s2pIHel' .

#13

1s'-1s3p[He) •

1»-2p[H] : Л/ •

.i.i__ i.

2,8 3,0 3,2 3,4 3,6 3,8 4,0 4,2

Длина волны, нм

Рис.6. ВУФ спектр СУ1-СУ ионов углерода. Отмечены резонансные линии водородоподобного ([Н]-) и гелиеподобного ([Не]-) ионов углерода и переход

1-3 в [Не]-ионе.

Таким образом продемонстрирована возможность регистрации спектров плазмы в «водяном окне». Проведенные исследования показали перспективность применения МС в фокусирующих спектрометрах.

Заключение

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе:

1. Разработан спектроскопический метод для измерения электронной температуры Те лазерной плазмы Бе и плазмы Бе в А-К промежутке установки '^-МасЫпе". Этот метод основан на сравнении ВУФ спектров, зарегистрированных в А-К промежутке со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы и теоретическими расчётами. Разработанный спектральный метод ВУФ диагностики Бе плазмы позволяет измерять электронную температуру в широком диапазоне Те =50-300 эВ. Этот метод может применяться не только для диагностики плазмы Бе, но так же для плазм других тяжелых элементов.

2. Получено значение электронной температуры плазмы, создаваемой в А-К зазоре Те=(200 ± 30) эВ. Это значение было получено по результатам анализа спектров лазерной плазмы, теоретических расчетов, а так же данных, полученных в экспериментах на установке "г-МасЫпе", в результате наблюдения положения максимума спектрального распределения (Лпт) в диапазоне Л~50-70 А в предположении коронального ионизационного равновесия. Так же, в результате наблюдения максимальной степени ионизации РеХУП была получена оценка электронной температуры Те -= (190+60) эВ. При этом значение не зависит от типа ионизационного равновесия.

3. Впервые в качестве диспергирующего элемента в фокусирующих рентгеновских спектрометрах были применены короткопериодные многослойные структуры (МС), нанесенные на кристалл слюды. Многослойная структура \\ТВ4С с периодом й = 12 А нанесена на плоскую поверхность кристалла слюды с последующим изгибом на радиус К =20 мм. С использованием разработанного нового фокусирующего спектрометра на основе схемы Гамоша с многослойной структурой в качестве диспергирующего элемента зарегистрированы спектры [Н]- и [Не]- подобных ионов Mg в лазерной плазме со спектральным разрешением ЛУ8А,~200.

4.Впервые зарегистрированы спектры лазерной плазмы в ВУФ области спектра (30 - 40 А) с использованием новых фокусирующих многослойных структур. Благодаря высокой чувствительности спектрометра спектры регистрировались за одну вспышку лазера при очень низкой энергии лазерного импульса: 1-10 мДж. Применение новых спектрометров позволит измерять температуру электронов в диапазоне Те~50-100 эВ, реализуемом в плазменных установках для проекционной ВУФ литографии и микроскопии.

Литература

1. Б. Эдлен, УФН 89 (3), 483-510 (1966).

2. Г. Грим, Спектроскопия плазмы. Атомиздат, М., 1969.

3. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. "Мир," М., 1967.

4. Методы исследования плазмы. Под ред. В. Лохте-Хольтревена. "Мир," М„ 1971.

5. W. A. Stygar, Н. С. Ives, D. L. Fehl, et al, Phys. Rev. E 69, 046403 (2004)

6. M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, A.A. Fraerman et al., Nucl. Instrum. and Methods A 543, 333, (2005).

7. А.П. Шевелько, Д.Е. Блисс, Е.Д. Казаков и др., , Физика Плазмы, Т.34, № 11, с.1-12 (2008)

8. М.С. Бибишкин, Е.Д. Казаков, В.И. Лучини др., Квантовая Электроника, Т. 38, №2, с. 169-171 (2008).

9. Ю.Э.Бороздин, Е.Д. Казаков, В.И. Лучин и др. Письма в ЖЭТФ, Т.87, вып.1, с. 33-35 (2008).

10. Vivek Bakshi, EUV Sources for lithography, Ed. SPIE Press, Bellingham, Washington, USA, 2006

11.Рентгеновская оптика и микроскопия./ Под ред. Г. Шмаля, Д. Рудольфа. М.: Мир, 1987

12.Л. И. Рудаков, М. В. Бабыкин, А. В. Гордеев и др. Генерация и фокусировка сильноточных релятивнстких электронных пучков. М.: Энергоатомиздат, 1990.

13.Бойко В.А., Крохин О.Н., Склизков Г.В. // Труды ФИАН. 1974. Т.76. С. 186.

14.А1ШНЫШ О. Б., Афанасьев 10. В., Быковский Ю. А., Крохин О. Н., «Лазерная плазма.», М.: МИФИ, 2003.

15.Л. П. Пресняков. УФНШ, 49-74(1976).

16.Вайнштейн Л.А., Сафронова У.И., Урнов A.M. // Труды ФИАН. 1980. Т.119. С.13.

17.Виноградов A.B., Скобелев И.Ю., Юков Е.А. // Квантовая электроника. 1975. Т.2. С.630

Публикации автора по теме диссертации

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 4 журналах, включенных ВАК РФ в перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий:

1. М.С. Бибишкин, Е.Д. Казаков, В.И. Лучин, H.H. Салащенко, В.В. Чернов, Н.И. Чхало, А.П. Шевелько, «Новые фокусирующие многослойные структуры для рентгеновской спектроскопии плазмы.», Квантовая Электроника, Т. 38, № 2, с. 169-171 (2008),

2. Ю.Э.Борозднн, Е.Д. Казаков, В.И. Лучин, H.H. Салащенко, И. 10. Толстихина, В.В. Чернов, Н.И. Чхало, А.П. Шевелько, О. Ф. Якушев, «Рентгеновская и ВУФ спектроскопия плазмы с использованием новых фокусирующих многослойных структур.» Письма в ЖЭТФ, Т.87, вып.1, с. 3335 (2008).

3. V. V. Ivanov, V. I. Sotnikov, A. Haboub, A.P. Shevelko, A.L. Astanovitskiy, A. Morozov, E. D. Kazakov, and S.D. Alternara, «Mitigation of the PlasmaImplosion Inhomogeneity in Starlike Wire-Array Z Pinches.», Phys. Rev. Lett. , 100, 025004 (2008)

4. А.П. Шевелько, Д.Е. Блисс, Е.Д. Казаков, М.Г. Мазаракис, Д.С. МакГарн, JI.B. Найт, К.В. Струве, И.Ю. Толстихина, Т. Уикс, «ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL).», Физика Плазмы, Т.34,№ 11, с. 1-12 (2008)

Подписано к печати 22.09.08 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ.л. 0,96 Уч.-изд. л. 0,63 Тираж 100 экз. Заказ 543

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б.Черемушкинская, 25

Введение.

Раздел 1. Рентгеновская и ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в межэлектродном промежутке вакуумных транспоритрующих линий и плазмы Z-пинчей.

Глава 1. Применение многопроволочных Z-пинчей для задач управляемого термоядерного синтеза.

Глава 2. Диагностика плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL).

Глава 3. Рентгеновская спектроскопия плазмы многопроволочных Zпинчей на установке Zebra.

Раздел 2. Рентгеновская и ВУФ спектроскопия плазмы с использованием новых фокусирующих многослойных структур

Глава 4. Краткий обзор методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии лазерной плазмы.76.

Глава 5. Разработка светосильного рентгеновского спектрометра на основе цилиндрического многослойного зеркала для диагностики лазерной плазмы.84.

Исследование высокотемпературной лабораторной плазмы является одной из важнейших задач атомной и ядерной физики. В данной работе проводились исследования плазмы с характерными временами жизни ~ 1— 100 нс. Изучение таких плазменных источников имеет огромное значение для решения задач управляемого термоядерного синтеза (см., например [14]). Эти источники представляют значительный интерес как для фундаментальных исследований, так и для различных практических приложений: рентгеновской проекционной и контактной литографии [5], микроскопии [6] и др.

Одним из наиболее эффективных методов исследования высокотемпературной плазмы является рентгеновская и вакуумно-ультрафиолетовая (ВУФ) спектроскопия. Методы рентгеновской и ВУФ спектроскопии плазмы, разрабатывавшиеся на протяжении более чем 40 лет (см., например, [7-10]), с появлением новых фундаментальных и практических задач активно развиваются и сейчас.

В данной работе предложено решение двух задач:

1. Разработка нового метода ВУФ спектроскопии плазмы для исследования короткого замыкания в конечном участке магнитоизолированных вакуумных транспортирующих линий мощных импульсных генераторов тока.

2. Создание компактных светосильных спектрометров для регистрации спектров в области вакуумного ультрафиолета с использованием многослойных структур в качестве диспергирующих элементов.

Одним из способов создания высокотемпературной плазмы являются быстрые (-10-100 не) электрические разряды (z-, х-пинчи [11, 12] , плазменный фокус [13] и др. Так например, многопроволочные Z-пинчи являются интенсивным источником рентгеновского излучения (см., например [14-17]). Многопроволочные сборки представляют собой массив расположенных по цилиндру тонких металлических проволочек. При протекании тока через проволочки образуется плазма, которая под действием магнитного поля сжимается к оси нагрузки, где генерируется интенсивное рентгеновское излучение в диапазоне энергий квантов 10 эВ - 1 МэВ. В настоящее время такие плазменные источники излучения используются в самых различных экспериментах, в том числе для исследований по программе управляемого термоядерного синтеза, для изучения теплофизики экстремальных состояний вещества с помощью мощных ударных волн, для проверки сложных гидродинамических моделей и т.д. Эксперименты по исследованию Z-пинчей проводятся на мощных импульсных генераторах тока (ZR, SNL, USA; Ангара-5-1, ГНЦ РФ ТРИНИТИ, РФ; Стенд-300, РНЦ Курчатовский институт, РФ, и др.).

В будущем для оптимизации установок следующего поколения генераторов необходимо понять, как излучение Z-пинча зависит от максимального тока пинча I. Как правило, предполагается, что максимум мощности и суммарный выход рентгеновского излучения пропорциональны /. Другой важной характеристикой геометрии установки, влияющей на параметры разряда, является расстояние L между электродами (зазор А-К) финального участка передающей (транспортирующей) линии. Зависимость максимальной мощности рентгеновского излучения от максимума тока и расстояния L в А-К промежутке исследовалась в [15]. Основная проблема состоит в том, что повышение максимума тока и уменьшение L может приводить к короткому замыканию А-К промежутка на конечном участке транспортирующей линии. Это может препятствовать эффективному поступлению энергии в плазму Z-пинча. При этом образующиеся во время разряда Z-пинча интенсивное рентгеновское излучение, ударная волна и разлетающиеся продукты взрыва значительно затрудняют исследование А-К промежутка и происходящих в нём процессов, поэтому любая информация о коротком замыкании в А-К промежутке представляет огромный интерес.

В данной работе предложен новый метод ВУФ спектроскопии для определения электронной температуры Fe плазмы в диапазоне 100-300 эВ. Применение этого метода позволяет исследовать такие сложные объекты, как плазма, возникающая в А-К промежутке MBTJI сильноточных импульсных генераторов тока.

Заключение.

1. Разработан спектроскопический метод для измерения электронной температуры Те лазерной плазмы Fe и плазмы Fe в А-К промежутке установки "Z-Machine". Этот метод основан на сравнении ВУФ спектров, зарегистрированных в А-К промежутке со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы и теоретическими расчётами. Разработанный спектральный метод ВУФ диагностики Fe плазмы позволяет измерять электронную температуру в широком диапазоне Тс =50-300 эВ. Этот метод может применяться не только для диагностики плазмы Fe, но так же для плазм других тяжелых элементов.

2. Получено значение электронной температуры плазмы, создаваемой в А-К зазоре Те—(200 ± 30) эВ. Это значение было получено по результатам анализа спектров лазерной плазмы, теоретических расчетов, а так же данных, полученных в экспериментах на установке "Z-Machine", в результате наблюдения положения максимума спектрального распределения (Лтах) в диапазоне Я~50-70 А в предположении коронального ионизационного равновесия. Так же, в результате наблюдения максимальной степени ионизации FeXVII была получена оценка электронной температуры Те = = (190±60) эВ. При этом значение не зависит от типа ионизационного равновесия.

3. Впервые в качестве диспергирующего элемента в фокусирующих рентгеновских спектрометрах были применены короткопериодные многослойные структуры (МС), нанесенные на кристалл слюды. Многослойная структура W/B4C с периодом d = 12 А нанесена на плоскую поверхность кристалла слюды с последующим изгибом на радиус R =20 мм. С использованием разработанного нового фокусирующего спектрометра на основе схемы Гамоша с многослойной структурой в качестве диспергирующего элемента зарегистрированы спектры [Н]- и [Не]- подобных ионов Mg в лазерной плазме со спектральным разрешением А,/5А,~200.

4.Впервые зарегистрированы спектры лазерной плазмы в ВУФ области спектра (30 - 40 А) с использованием новых фокусирующих многослойных структур. Благодаря высокой чувствительности спектрометра спектры регистрировались за одну вспышку лазера при очень низкой энергии лазерного импульса: 1-10 мДж. Применение новых спектрометров позволит измерять температуру электронов в диапазоне Ге~50-100 эВ, реализуемом в плазменных установках для проекционной ВУФ литографии и микроскопии.

1. Дж.Дюдерштадт, Г. Мозес. Инерциальный термоядерный синтез. М., Энергоатомиздат, 1984.

2. Ю.Ф. Архангельский, В.Г. Волков, В.Е. Муравьев и др., Вопросы Атомной Науки и Техники, сер. Термоядерный синтез 1(3), с.39, 1979.

3. J. MacFarlane, J. Bayley, Т. Mahlhorh, Phys. Rew. E, 1993, V.47, p. 2748.

4. C. Olson, G. Rochau, S. Slutz et al., Fusion Science and Technology, v.47, №3, p.633, 2005.

5. EUV Sources for lithography, Ed. by Vivek Bakshi, SPIE Press, Bellingham, Washington, USA, 2006

6. Рентгеновская оптика и микроскопия./ Под ред. Г. Шмаля, Д. Рудольфа. М.: Мир, 1987.

7. Б. Эдлен, УФН89 (3), 483-510 (1966).

8. Г. Грим, Спектроскопия плазмы. Атомиздат, М., 1969.

9. Диагностика плазмы. Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. "Мир," М., 1967.

10. Методы исследования плазмы. Под ред. В. Лохте-Хольтревена. "Мир," М, 1971.1 l.M. Kruskal, М. Schwarzschild, Proc. R. Soc. bond., Ser. A 223, p.348-360 (1954).

11. С.М.Захаров, Г.В.Иваненков, А.А.Коломенский, С.А.,Пикуз, А.И.Самохин, И.Улшмид, Письма вЖТФ, 8(9), 1060-1063,1982.

12. Филиппова Т.И., Храбров В.А., Петров Д.П., Филиппов Н.В.// Физика плазмы и ПУТР. 1958. Т. 3. С. 170-181.

13. R.B.Spielman, С. Deeney, G. A. Chandler, et al, Phys. Plasmas 5, 2105 (1998).

14. W. A. Stygar, H. C. Ives, D. L. Fehl, et al, Phys. Rev. E 69, 046403 (2004)

15. W. A. Stygar, M. E. Cuneo, R. A. Vesey, et al, Phys. Rev. E 72, 026404 (2005).

16. JI. И. Рудаков, M. В. Бабыкин, А. В. Гордеев и др. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистких электронных пучков. М.: Энергоатомиздат, 1990.

17. M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, A.A. Fraerman et al., Nucl. Instrum. and Methods A 543, 333, (2005).

18. H. H. Johann, Z Phys. 69, p.185 (1931).

19. Von L.v.Hamos, Ann.Phys. 17, pp.716-724 (1933).

20. M.V.Babykin, E.K. Zavoiskiy, A.A. Ivanov, L.I. Rudakov. "Estimations of possibility of using high power relativistic electron beams for fusion". Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research. Vienna, 1971, v.l, p.635-643.

21. F. Winterberg. "The possibility of producing a dense thermonuclear plasma by an intense field emission discharge". Phys. Rev. 1968, v. 174, № 1, p.212-220.

22. J.C. Linhart. "Theory of fusion reactor in an in confined plasma". 1960, v.17, No.6, p.850-863.

23. С.Г. Алиханов, ЛИ. Рудаков, И.Р. Ямпольский, В.П. Смирнов. "Применение техники генераторов РЭП для разгона цилиндрических лайнеров давлением магнитного поля". Письма в ЖТФ, 1979, т.5, вып.22, с.1395-1397.

24. В.И. Афонин, Ю.Д. Бакулин, А.В. Лучинский. "Расчёт сжатия ДТ-смеси электрически взрывающейся цилиндрической оболочкой". ПМТФ, 1980, №6, с.З.

25. F.J. Turchi, W.L. Baker. "Generation of high-energy plasmas by electtromagnetic implosion". J. Appl. Phys. 1973, v.44, No.ll, p.4936-4945.

26. B.H. Мохов, B.K. Чернышёв, В.В. Якубов. "О возможности решения проблемы УТС на основе магнитогазодинамической кумуляции энергии". ДАН СССР, т.247, с.83.

27. С.Л. Боголюбский, Б.П. Герасимов, В.И. Ликсонов, Ю.П. Попов, А.П. Михайлов, Л.И. Рудаков, А.А. Самарский, В.П. Смирнов, Л.И. Уруцкоев. "Выход термоядерных нейтронов из плазмы, сжимаемой оболочки". Письма в ЖЭТФ, 1976, т.24, с.206-209.

28. R. L. Kelly Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol. 16, Suppl. 1, 1987.

29. F. Bijkerk, A. P. Shevelko, L. A. Shmaenok, S. S. Churilov. Proc.SPIE 3157, 236-240 (1997). "Extreme Ultraviolet Spectroscopy of a Laser Plasma Source for Lithography".

30. A. P. Shevelko, L. A. Shmaenok, S. S. Churilov, R. K. F. J. Bastiaensen, and F. Bijkerk, Physica Scripta 57, 276-282 (1998). "Extreme Ultraviolet Spectroscopy of a Laser Plasma Source for Lithography."

31. L. Knight, S. Turley, C. Crawford, D. Hullinger, A. Shevelko, O. Yakushev, R. Miller, Proc. SPIE 3767, 45-49 (1999). "EUV spectroscopy of ultrafast capillary discharges."

32. A. P. Shevelko, L. V. Knight, O. F. Yakushev, Proc. SPIE 4144, 68-75 (2000). "Capillary discharge plasmas as a source of EUV and soft x-ray radiation,"

33. A. P. Shevelko, L. V. Knight, J. Phillips, R. S. Turley, C. Turner, O. F. Yakushev, Proc. SPIE 5196 (2003). "X-ray and EUV spectral instruments for plasma source characterization."

34. А. Н. Gabriel, Mon.Not.R.Astron.Soc. 160, 99-119 (1972). ""Dielectronic satellite spectra for highly charged helium-like ion lines."

35. Л. П. Пресняков. УФН119, 49 74 (1976).

36. Л. А. Вайнштейн, У. И. Сафронова, А. М. Урнов. Труды ФИАН 119, 13-43 (1980).

37. Б. Ананьин, Ю. В. Афанасьев, Ю. А. Быковский, О. Н. Крохин. Лазерная плазма. М., 2003.

38. Von L.v.Hamos, Ann.Phys. 17, 716-724 (1933). "Rontgenspektroskopie und Abbildung mittels gekrummter Kristallreflektoren. "

39. A. P. Shevelko, Proc. SPIE 3406, 91-108 (1998). "X-ray spectroscopy of laser-produced plasmas using a von Hamos spectrograph."

40. A. P. Shevelko, Yu. S. Kasyanov, O. F. Yakushev, and L. V. Knight, Rev. Sci, Instrum. 73 (10), 3458-3463 (2002). "Compact focusing von Hamos spectrometer for quantitative x-ray spectroscopy."

41. M. B. Agranat, N. E. Andreev, S. I. Ashitkov, E. Boyle, V. E. Fortov, L. V. Knight, A. V.Ovchinnikov, A. P. Shevelko, D. S. Sitnikov, Proc. SPIE 5918, 00 1-10 (2005). "Generation of hard x-rays by a forsterite terawatt laser."

42. M. B. Agranat, N. E. Andreev, S. I. Ashitkov, A. V.Ovchinnikov, D. S. Sitnikov V. E. Fortov, A. P. Shevelko, JETP Lett. 83, 72-74 (2006). "Generation of characteristic x-rays by a terawatt chromium-forsterite laser."

43. Виноградов А.В., Скобелев И.Ю., Юков Е.А. // Квантовая электроника. 1975. Т.2. С.1165

44. М. F. Gu. http://kipac-tree.stanford.edu/fac/.5 0. http ://ср с. с s. qub. ас .uk/cpc

45. JI. А. Вайнштейн, И. И. Собельман, Е. А. Юков. Возбуждение атомов и уширение спектральных линийй. М., "Наука", 1979.

46. А. P. Shevelko, I. Beigman, L. V. Knight, Proc. SPIE 4781, 10-16 (2002). "Formation of quasi-monochromatic soft x-ray radiation from laser-produced plasmas."

47. J.A.Bearden, Rev. Mod. Phys. 39, 78-124 (1967). "X-Ray wavelength."

48. V. A. Boiko, A. Ya. Faenov, S. A. Pikuz, JQSRT 19, 11-50 (1978).

49. T. Nash, M. Derzon, R. Leeper, D. Jobe, M. Hurst, and J. Seamen, Rev. Sci. Instrum. 70, 302 (1999).

50. B.L. Henke et al., J. Opt. Soc. Am. B3(l 1), 1540 (1986).

51. B. Jones, C. Deeney, J. L. McKenney et.al., Phys. Rev. Lett. 100, 105003 (2008).

52. В. А. Бойко, А. В. Виноградов, С. А. Пикуз и др. Итоги науки и техники: Радиотехника.- М. ВИНИТИ, 1980. -т.27.

53. Л. П. Пресняков. УФН119, 49 74 (1976).

54. Л. П. Пресняков, В. П. Шевелько, Р. К. Янев. "Элементарные процессы с участием многозарядных ионов.'''' — М. Энергоатомиздат, 1986.

55. Н. Г. Басов, Ю. А. Захаренков, А. А. Рупасов, Г. В. Склизков, А. С. Шиканов. "Диагностика плотной плазмы," под ред. Н. Г. Басова, Наука, М., 1989. Гл.5.

56. И. И. Собельман. "Введение в теорию атомных спектров.'''' Наука, М., 1977.1.1. Sobel'man, Atomic Spectra and Radiative Transitions (Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1992).

57. JI. А. Вайнштейн, И. И. Собельман, Е. А. Юков. "Возбуждение и уширение спектральных линий.'" Наука, М., 1979. I. I. Sobel'man, L. А. Vainshtein, Е. A. Yukov, Excitation of Atoms and Broadening of Spectral Lines (Springer, Berlin 1981).

58. Л. А. Вайнштейн, В. П. Шевелько. "Структура и характеристики ионов в горячей плазме." М. Наука, 1986.

59. С. P. Bhalla, А. Н. Gabriel, L. P. Presnyakov. Mon.Not.R.Astron.Soc. 172, 359-375 (1975).

60. A. Vainshtein, U. I. Safronova, Atomic Data and Nuclear Data Tables, 21 (1), 49-68 (1978).

61. В Edlen, F. Tyren Nature, - Nature, 1939, 143, p.940.

62. Л.А. Вайнштейн, И.А. Житник, B.B. Корнеев, С.Л. Мандельштам -Крат.сообщ. по физ., 1972, № 3, с.35

63. Yu.I. Grineva, V.I. Karev, V.V. Korneev, V.V. Krulov, S.L. Mandelstam, S.I. Vainstein, B.N. Vasilyev, B.N. Zhitnik Solar Phys.,1973, 29, p.441

64. A J. Bearden, F.L. Rile, G.A. Sawger, T.F. Strallon Phys.Rev.Lett.1961, 6, p.257

65. L. Cohen, V. Feldman, M. Swartz, J.H. Underwood JOSA, 1968,58, p.843

66. Э.Я. Кононов, K.H. Кошелев, Ю.В. Сидельников Физика Плазмы, 1977, 3, с.66373 .N.J. Peacock, R.J. Speer, M.G. Hobby J.Phys.B, 1969,2,p.798

67. E.B. Аглицкий, B.A. Бойко, C.M. Захаров, Г.В. Склизков, А.И. Федоров Крат.сообщ. по физ., 1971, №12, с.37

68. Н. Puell, Naturf. 1970. V.25A. PI807.

69. Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин. «Лазерная Плазма», Монография. М.: МИФИ, 2003.

70. А.Р. Shevelko, L.V. Knight, Q. Wang et al. Proc. Of SPIE Vol.4504 (2001).

71. Б. Эдлен, УФЕ 89 (3), 483-510 (1966). "Измерение длин волн в вакуумно-ультрафиолетовой области спектра."

72. А.Н. Зайдель, Е.Я. Шредер. Вакуумная спектроскопия и её применение. 1976, Москва, «Наука».

73. N. G. Alexandropoulos and Gabrielle G. Cohen, Applied Spectroscopy 28, 155-164 (1974). "Crystals for Stellar Spectrometers."

74. J. Gilfrich, D. B. Brown, and P. J. Burkhalter, Applied Spectroscopy 29, 322-326 (1975). "Integral Reflection Coefficient of X-ray Spectrometer Crystals."

75. Зеркальная рентгеновская оптика. Под.ред. А.В.Виноградова. JL, Машиностроение, 1989.

76. Von L.v.Hamos, Ann.Phys. 17, 716-724 (1933). "Rontgenspektroskopie und Abbildung mittels gekrummter Kristallreflektoren."

77. N.M.Ceglio, J. X-Ray.Sci.Technol. 1, 7-78 (1989). "Revolution in X-Ray Optics."

78. Ю.А. Вайнер, A.E. Пестов, К.А. Прохоров и др. ЖЭТФ 130, 401 (2006).

79. М. Arnaud, R. Rothenflug, Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 60, 425 (1985).

80. M.S. Bibishkin, N.I. Chkhalo, A.A. Fraerman et al., Nucl. Instrum. and Methods A 543, 333, (2005).

81. C.C. Андреев, M.C. Бибишкин, H. Kimura и др. Известия РАН. Серия физическая, 69, 207 (2005).

82. С.W. Mauche, D.A. Liedahl, and К.В. Fournier, The Astrophysical Journal, v. 588, pp. L101-L104 (2003).

83. M.B. Chowdhuri, S. Morita, M. Goto et al., Plasma and Fusion Research, Vol. 2 (2007) p.S 1060.

84. К. B. Fournier, M. Finkenthal, D. Pacella et al., The Astrophysical Journal Letters , v.550, pp. LI 17-L120 (2001).

85. J. Abdallah, A.Ya. Feanov, T.A. Pikuz et al. JQSRT 62, 1-11 (1999).

86. Бойко B.A., Крохин O.H., Склизков Г.В. // Труды ФИАН. 1974. Т.76. С.186.

87. Н. Flemberg, Ark. Mat. Astr. Fys. 28A, N18 (1942).