Рентгеновская и ВУФ спектроскопия многозарядных ионов в лабораторной плазме тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н.Лсбедева РАН

На правах рукописи

Шевелько Александр Петрович

РЕНТГЕНОВСКАЯ И ВУФ СПЕКТРОСКОПИЯ МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ В ЛАБОРАТОРНОЙ ПЛАЗМЕ

01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

- 7 ОКТ

Москва - 2010

004609863

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор, Красюк Игорь Корнелиевич, ИОФАН, г. Москва

доктор физико-математических наук, Никулин Валерий Яковлевич, ФИАН, г. Москва

доктор физико-математических наук,

Рябцев Александр Николаевич, ИСАН, г. Троицк Московской области

Ведущая организация - Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН, г. Нижний Новгород

Защита состоится « в "/оЬ часов на заседании диссертаци-

онного совета Д 002.023.03 в Учреждении Российской академии наук Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН, 119991, Москва, Ленинский пр.53, ФИАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

Автореферат разослан « ¡С/ »

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.С. Шиканов

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 г-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 2-, 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:

1) развитие методов диагностики, измерение и расчет спектроскопических характеристик многозарядных ионов, установление механизмов возбуждения спектров;

2) усовершенствование существующих и разработка новых источников излучения;

3) 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 1012 до 1018 Вт/см2, 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 Л~ 1 А) до ВУФ диапазона (Л~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 (Ге=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.

2. 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 (г~10) которых формируется в горячем ядре (Ге~0,5 4 1 кэВ) лазерной плазмы, излучают в плотной {УУе=(1-г4)- 1019 см-3} и холодной {Ге=50-100 эВ} плазме приповерхностного слоя.

3. Впервые исследованы рентгеновские спектры и характеристики Ка излучения, возникающего при воздействии на металлические мишени (Ре, Си) фем-тосекундных импульсов инфракрасного диапазона спектра, генерируемых тера-ваттной лазерной системой с активной средой хром-форстерит.

4. Впервые для оценки точности теоретических расчетов, используемых при рентгеноспектральной диагностики плазмы, в спектрах [Не]-подобных ионов Са и Тл детально исследованы в диапазоне /1=2,6 - 3,2 А длины волн (точность А/ЗА >104) и интенсивности сателлитных линий (ошибка 10-г30%).

5. Впервые экспериментально показано, что при расчетах ионизационного состава высокотемпературной (Те - 1 кэВ) и плотной (Ие = Ю20 1022 см"3) плазмы необходимо учитывать эффект влияния плотности электронов на скорость диэлектронной рекомбинации.

6. Впервые для исследования рентгеновских спектров лазерной плазмы использован спектрометр с вертикальной фокусировкой. Этот спектрометр обладает высоким спектральным разрешением (А/8Х~2000), широкой областью регистрации спектра (/Ц~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 (Л <40 А) областях спектра.

Положения, выдвигаемые на защиту

1. Зарегистрированы и исследованы рентгеновские спектры многозарядных ионов лазерной плазмы различных элементов (А,=6-н74) в широком спектральном интервале (Д= 1,54-200 А) и в широком диапазоне лазерных параметров и условий фокусировки: с плотностью потока лазерного излучения на мишени от

1012 до 1018 Вт/см2, 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: Ге=(60 -г 1400) эВ и Ne=( 1019 н- 1021) см"3, а также количественные (абсолютные) измерения интенсивности, спектральной плотности излучения и яркости источника.

2. Экспериментально показано, что температура электронов в плазме, создаваемой при замыкании в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (Sandia National Laboratories), составляет Ге=(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.

3. 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.

4. Разработан рентгеновский фокусирующий спектрометр с вертикальной фокусировкой, который абсолютно откалиброван по чувствительности, обладает высоким спектральным разрешением (Я/ЗЛ~2000) и имеет область регистрации спектра Л~1,5-10 А. С применением в этой схеме новых многослойных структур в качестве дисперсионных элементов диапазон регистрации расширен в сторону ВУФ излучения (до Л~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 - материал диверте-ров) и плазменных источников, предназначенных для проекционной ВУФ литографии (Бп).

2. 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.

3. 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.

4. 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 фемтосекундная лазерная плазма.

5. 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.

6. Разработанная спектральная аппаратура (спектрометры и детекторы) могут использоваться для диагностики различных рентгеновских источников (лазерная плазма, плазма 2-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 ECAP (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 50lh 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 INTAS № 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткий обзор развития рентгеновской спектроскопии многозарядных ионов. Рассматривается актуальность исследований и задачи, решаемые рентгеновской спектроскопией в настоящее время. Сформулированы цели работы, объекты и предмет исследований, приведены положения, выносимые на защиту. Кратко изложено содержание глав диссертации.

Глава 1 посвящена исследованию длин волн, интенсивностсй сателлит-ных линий и ионизационного равновесия в лазерной плазме. В разделе 1.1 приводится постановка задачи и краткий обзор литературы. Существующая спектроскопическая диагностика плазмы опирается на теоретически рассчитываемые атомные константы, такие как длины волн линий, вероятности распада возбужденных состояний и др. Экспериментальное определение атомных констант для многозарядных ионов чрезвычайно сложно. О точности различных методов расчета можно судить, сравнивая наблюдаемый и расчетный спектры. Поэтому представляется необходимым изучение длин волн и интен-сивностей линий в спектрах многозарядных ионов в как можно более широком интервале изменения плазменных параметров.

Одной из задач исследования процессов, протекающих в различных плазменных источниках, является определение зарядового состояния плазмы, т. е. распределения ионов по стадиям ионизации. В этом разделе приводится общая характеристика различных моделей ионизационного равновесия и рассмотрено влияние плотности электронов на скорость процесса диэлектронной рекомбинации, что может приводить к отличию зарядового состава ионов от чисто коронального предела в плотной высокотемпературной плазме. Приводятся спектроскопические критерии определения равновесного распределения ионов по кратностям ионизации. Показано, что для построения модели излучающей плазмы важно определить зарядовый состав ионов как можно большего количества кратностей ионизации. В конце раздела приводится обоснование экспериментального метода определения зарядового состава плазмы по относительным интенсивностям групп сателлитных линий.

В разделе 1.2 приводятся результаты изучения спектров вблизи резонансных линий [Не]-подобных ионов Са и Тл (атомные номера А,=20 и 22) в лазерной плазме. Рассмотрены переходы 1 ь221—¡$2121'. В первой части раздела приводится общая характеристика сателлитных линий. Во второй части приводятся и обсуждаются данные по длинам волн сателлитных линий. Высокое спектральное разрешение и высокая интенсивность зарегистрированных спектров позволили с большой точностью (Л/¿Л лучшей, чем 104) измерить длины волн заметно большего числа линий, чем в предыдущих работах. Проведено сопоставление с теоретическими расчетами. Метод теории возмущений по параметру ИХ дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом.

Третья часть раздела 1.2 посвящена изучению интенсивностей сателлит-ных линий. Сопоставление с теоретическими расчетами проведено по величинам относительных интенсивностей сателлитов друг к другу, которые зависят только от атомных констант. В ряде случаев наблюдались заметные расхождения между экспериментальными и расчетными данными. Важно отметить, что из проведенного сопоставления экспериментальных и теоретических данных следует, что расчет методом теории возмущений по параметру ИХ удовлетворительно описывает относительные интенсивности сильных диэлектронных сателлитов (/ и к), по которым определяется температура электронов.

В разделе 1.3 приводятся результаты экспериментального изучения энергетической структуры диэлектронных сателлитов линий главной серии гелие-подобных ионов Са и Ть Сопоставление с теоретическими данными показывает, что сравнительно простой экстраполяционный метод расчета описывает структуру спектра, хорошо согласующуюся с экспериментом.

Раздел 1.4 посвящен исследованию зарядового состава лазерной плазмы тяжелых элементов с зарядом ядра Аг > 20 по спектрам в области резонансной линии [Не] - подобных ионов. Определены относительные интенсивности групп сателлитных линий, принадлежащих ионам различной кратности ионизации: от [Не]- до [0]-подобного иона в плазме элементов от титана до меди. Для случая лазерной плазмы железа определен зарядовый состав ионов с 2 = 20 -н 25, включающий пять стадий ионизации (Рис. 1).

Рис.1. Сравнение экспериментальных относительных концентрации п2/пце ионов железа с результатами теоретических расчетов ионизационного равновесия. Сплошные линии - теория; 1, 2 - эксперимент: 1 - плазма, создаваемая основной частотой неодимового лазера, 2 - плазма, создаваемая второй гармоникой.

Проведено сравнение измеренных относительных концентраций ионов с результатами расчетов ионизационного равновесия для случая корональной (Ые=0) и плотной (Ме = Ю20 -ь 1022 см 3) плазмы. Показано, что в условиях

"/•'"Ис

/ т «20 «V

/ 866 еУ

-Г 950 Л'

Н« 1.1 Во В С N О 7. V И 3) 33 II За 19

.V, »ю"

01

Т,-780 е\

1 / •V \

Не 1.1 Не И С N о

г л 34 3.1 22 21 2II 19

плотной высокотемпературной лазерной плазмы необходимо учитывать эффект влияния плотности электронов на скорость диэлектронной рекомбинации (Рис.1).

Приведенные в Главе 1 результаты по оценке точности различных теоретических расчетов позволяют распространить эти методы диагностики на другие плазменные объекты. В Главе 2 приводятся результаты их применения для диагностики плазмы мощного Z-пинча сильноточного генератора Zebra (Nevada Terawatt Facility, Университет Невады г. Рино, Невада, США). В начале главы приводится общая характеристика Z-пинчей, основанных на многопроволочных сборках, которые являются в настоящее время наиболее мощными лабораторными источниками рентгеновского излучения. Физические механизмы, ответственные за вклад энергии в разряд, энергетический баланс между кинетической энергией плазмы и выходом рентгеновского излучения являются фундаментальными вопросами для понимания физики Z-пинчей. Исследование профиля температуры и плотности плазмы играет ключевую роль в определении механизмов нагрева плазмы и генерации рентгеновского излучения в Z-пинчах. Поиск ответов на эти вопросы и отработка методик составляли задачу экспериментов на установке Zebra. В Главе приводится краткое описание генератора Zebra, схема вакуумной камеры и геометрия проволочных сборок, использованных в экспериментах. Приводятся результаты исследований спектров [Н]- и [Не]-подобных ионов Mg, Al. Проведен детальный анализ и отбор линий, использованных для диагностики плазмы. Рассмотрены особенности и обусловленность использованных методов диагностики. Результаты экспериментов по измерению температуры и плотности электронов использовались для анализа механизмов нагрева плазмы Z-пинчей.

Глава 3 посвящена ВУФ спектроскопии плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL). В разделе 3.1 приведена общая характеристика установки "Z-Machine" (SNL) и сформулирована актуальность данных исследований: эффективный вклад энергии в плазму Z-пинчей может быть существенно затруднен из-за замыкания в анод-катодном (А-К) промежутке финального участка передающей (транспортирующей) линии мощных импульсных генераторов тока. Этот эффект может стать препятствием при повышении мощности этих установок и, в конечном счете, осложнить их участие в программе по термоядерному синтезу. Поэтому, получение любой информации об этом эффекте представляет несомнен-

ный интерес. Задачей этих экспериментов являлось получение ответа на вопрос - образуется ли плазма в А-К промежутке, и если образуется, то с какой температурой.

В разделе 3.2 детально рассматривается объект исследований (А-К промежуток финального участка передающей линии, Рис.2), приводится мотивация использования методов ВУФ спектроскопии и общая схема используемых методов исследования. Эти методы основаны на исследовании ВУФ спектров многозарядных ионов железа хорошо диагностируемой лазерной плазмы и на теоретических расчётах, а так же на сравнении этих спектров с ВУФ спектрами, зарегистрированными в А-К промежутке. Основное внимание уделялось определению максимальной степени ионизации ионов Ре.

Рис.3, (а) Схема установки "7-МасЫпе": накопители энергии, промежуточные конденсаторы, формирующая линия и магнитои-золировакная транспортирующая линия.

(Ь) Вертикальное сечение установки в области нагрузки. Область короткого замыкания отмечена кружками.

В разделе 3.3 рассмотрены экспериментальные методы ВУФ диагностики плазмы А-К промежутка. Они включали в себя разработку различных модификаций ВУФ спектрометра скользящего падения. Эти приборы очень компактны, обладают широким спектральным диапазоном регистрации, хорошо защищены от повреждений ударной волной и продуктами взрыва, а так же от излучения основной нагрузки. Разработана простая и удобная процедура юстировки прибора в вакуумной камере.

Целью экспериментов с лазерной плазмой являлась разработка методов диагностики плазмы по ВУФ спектрам Бе и сравнение этих спектров со спектрами плазмы в А-К промежутке установки "2-МасЫпе" (Раздел 3.4). Эксперименты включали исследование двух лазерных плазм, создаваемых при одних и тех же лазерных потоках с/ на М^ и Ре мишенях. Рентгеновские спектры [Н]- и [Не]-

подобных ионов Мд использовались для измерения Те. ВУФ спектры Бе исследовались при таких же потоках с помощью спектрографа скользящего падения в том же спектральном диапазоне (2-20-800 А), что и в экспериментах на установке '^-МасЬше." Эти эксперименты позволили приписать электронную температуру каждому Бе спектру в диапазоне температур Те -100-400 эВ, ожидаемых в плазме А-К промежутка установки "2-МасЫпе."

В разделе 3.5 приведены результаты теоретических расчетов длин волн дня переходов в ионах РеШ-РеХУШ, вероятностей переходов, ионизационного равновесия, интенсивностей линий. Эти расчеты позволили синтезировать спектры железа для различных электронных температур Те и с различным спектральным разрешением А/ЗЛ.

В разделе 3.6 приведены результаты экспериментов с лазерной плазмой и в плазме А-К промежутка. В результате экспериментальных исследований лазерной плазмы Ре можно выделить три области спектра, чувствительных к температуре: структура спектра при высоком спектральном разрешении (спектральный диапазон 2-30-90 А), длина волны Л,^ максимума распределения интенсивности с низким спектральным разрешением, а так же структура нулевого порядка. Эти области спектра могут быть использованы для диагностики Бе плазмы. Приводится экспериментальная и теоретическая зависимость длины волны Л,^, соответствующей максимуму интенсивности спектрального распределения, от электронной температуры Те (Рис.За).

Рис.3, а - Экспериментальная и расчетная зависимости !п(/}„гаг) от 1/7", (кэВ). Ь - Спектр Ре плазмы, образующейся в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "г-МасЬте" (Те=200 эВ).

В этом же разделе приводятся идентифицированные ВУФ спектры плазмы А-К промежутка в спектральном диапазоне Л=0-200 А (Рис.4Ь). Наблюдаемый максимум спектрального распределения интенсивности Л„т ~ 70 А позволил определить значение электронной температуры Те плазмы в А-К промежутке: Гг=(200±40) эВ. В этом же разделе подробно обсуждаются дополнительные факторы, которые могли бы влиять на измерение электронной температуры.

В разделе 3.7 сформулировано обоснование и сущность нового метода измерения электронной температуры плазмы тяжелых элементов. В этом методе определения электронной температуры Те плазмы тяжелых элементов А, предлагается сравнивать исследуемые спектры со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы (Рис.4). При этом используется важное свойство лазерной плазмы: при умеренных лазерных потоках наносекундных импульсов на мишени электронная температура горячего ядра плазмы зависит только от лазерного потока и слабо зависит от атомного номера А- мишени. Диагностика лазерной плазмы проводится по спектрам легких элементов, имеющих структуру [Н]- и [Не]-подобных ионов, для которых методы измерения электронной температуры хорошо разработаны. Спектры тяжелых элементов, в которых структура и распределение интенсивности очень чувствительны к Те, исследуются при тех же лазерных потоках на мишени, что и для легких элементов. Это позволяет приписать определенную температуру каждому спектру. Этот метод может быть распространен на другие элементов (\¥, Мо, 8п) и на более широкий диапазон температур.

New Method of Те Determination

Рис.4. Схема метода измерения температуры плазмы тяжелых элементов.

В Главе 4 приводится описание исследований по взаимодействию лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, с поверхностью твердого тела (преградой). 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. Здесь можно выделить два аспекта взаимодействия - влияние плазмы на окружающие препятствия и изменение параметров самой плазмы при этом взаимодействии. В разделе 4.1 приводится краткий обзор работ по второму аспекту - влиянию взаимодействия с преградами на характеристики плазмы и, в особенности, на характеристики высокоионизованной лазерной плазмы. Взаимодействие лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, с поверхностью твердого тела обладает несколькими существенными особенностями. Прежде всего, имеется возможность варьировать условия образования лазерной плазмы на мишени и геометрию преграды, изменяя характер взаимодействия и параметры приповерхностной плазмы. Другая особенность состоит в возможности реализации интенсивных ре-комбинационных процессов, когда температура в приповерхностной области мала для возбуждения многозарядных ионов. Это принципиально отличает эти источники рентгеновского излучения от источников, основанных на ударном взаимодействия высокоскоростных потоков атомов или малозарядных ионов с преградами. В разделе 4.2 описаны наши эксперименты, выполненные в ФИАН, когда впервые было обнаружено интенсивное рентгеновское излучение в резонансных линиях [Н]- и [Не]- подобных ионов при взаимодействии факела лазерной плазмы с поверхностью твердого тела. При анализе этих первых экспериментальных данных был сделан вывод, что излучение в приповерхностной области связано с захватом электронов на высокие уровни многозарядных ионов и последующим каскадированием за счет радиационных и столкновитель-ных процессов. Для окончательных выводов по идентификации процессов, ответственных за излучение в приповерхностной плазме, потребовались дополнительные и многочисленные эксперименты по исследованию спектров и пространственно-временной структуры излучения в приповерхностной плазме. Описание этих исследований приведено в разделе 4.3. Для создания лазерной плазмы использовалось излучение второй гармоники лазера на Ш-стекле (энергия до 10 Дж, длительность ~2 не, см. раздел 7.2). Излучение лазера фокусировалось линзой с /=300 мм на массивную магниевую мишень, плоскость которой

составляла угол 45° с осью лазерного пучка (Рис.5). На пути распространения факела лазерной плазмы на расстоянии г$=1,2 мм от мишени устанавливалась плоская преграда, ориентированная перпендикулярно к оси разлета факела. В качестве материала преграды служили алюминий или полиэтилен. Для исследования излучения в зазоре мишень - преграда использовалась различные методы диагностики. Рентгеновские спектры с пространственным разрешением Аг ~ 100 мкм исследовались с помощью фокусирующих кристаллических спектрографов Гамоша (диапазон спектра АЛ =6+10 А, спектральное разрешение /¡/<5Я=700 для лазерной плазмы и Л/8Л= 100 у поверхности преграды) и Иоганна (АЛ =9+9,5 А, /¡/¿1=10000). Камеры-обскуры регистрировали изображения плазмы с Аг ~ 50 мкм в диапазонах Л < 10 А и Л < 200 А. Для изучения пространственно-временной структуры излучения использовались электронно-оптические камеры (ЭОК). В видимом диапазоне АЛ =4000+7000 А временное разрешение составляло А1 < 0,2 не, пространственное разрешение - Аг ~ 20 мкм, в рентгеновском (ЭОК + сцинтиллятор, АЛ =8+10 А): А1 < 2,5 не, Аг ~ 50 мкм. В качестве примера на Рис.5 приведено изображение лазерной плазмы в зазоре мишень—преграда в свете линий главных серий [Н]- и [Не]-подобных ионов полученное с помощью спектрографа Гамоша.

Ь -1зпр п-2 ща

ГЗ-/>/> '

V 517

/7*2

Рис.5. Изображение лазерной плазмы в зазоре мишень—преграда в свете линий главных серий [Н]- и [Не]-подобных ионов полученное с помощью спектрографа Гамоша.

На пространственной структуре рентгеновских спектров (раздел 4.3.2) отчетливо наблюдались две пространственно разделенных области линейчатого излучения: лазерная плазма на мишени и область пересечения лазерного факела с поверхностью преграды (Рис.5). Спектры в приповерхностной области имели

важные особенности. Во-первых, в спектрах содержались только линии главных серий ионов 1^X11 и и, в отличие от спектра горячего ядра лазерной

плазмы, не наблюдались сателлиты резонансных линий [Н]- и [Не]-ионов магния. Это указывает на то, что у поверхности преграды процессы, при которых образуются сателлиты (диэлектронная рекомбинация, возбуждение внутренних оболочек электронным ударом), не играли существенной роли. Другой важной особенностью спектров приповерхностной области являлось отсутствие рентгеновских линий материала преграды. Это может быть связано со значительно более низкой температурой электронов в этой области по сравнению с горячим ядром лазерной плазмы.

Рис.6. Схема пространственно-временной структуры видимого излучения в зазоре преграда - мишень: 1 - область свободного разлета плазмы; // - область взаимодействия с преградой; III - излучение на фронте ударной волны; IV- столкновение двух волн разгрузки; vo - скорость лазерного факела; vy B. - скорость ударной волны; vp, vp- - скорость двух волн разгрузки

На пространственно-временных диаграммах видимого излучения в зазоре мишень - преграда можно выделить четыре характерных зоны, разделенных по пространству и времени (Рис.6): I — зона, непосредственно примыкающая к магниевой мишени и соответствующая свободному невозмущенному разлету лазерной плазмы; II — зона взаимодействия факела лазерной плазмы с поверхностью твердого тела; III — свечение на фронте отходящей от преграды ударной волны; IV — зона поздней стадии разлета. Подробное описание параметров и структуры излучения в каждой зоне приводится в разделе 4.3.4.

При исследовании пространственно-временной структуры мягкого рентгеновского излучения в зазоре преграда - мишень основной вклад в интенсивность

ft f> r

А не

ю rs

¿Hi

излучения давали резонансные линии [Н]- и [Не]-подобных ионов магния, содержащихся в лазерной плазме (см.раздел 7.3). Наблюдалось интенсивное свечение у поверхности преграды с длительностью, практически совпадавшей с длительностью взаимодействия факела лазерной плазмы с поверхностью преграды. В отличие от видимого диапазона на рентгеновских пространственно-временных развертках отсутствовало свечение на фронте ударной волны. Проведено детальное сопоставление результатов по видимым и рентгеновским разверткам излучения, а также с результатами по изучению пространственной структуры рентгеновского и ВУФ излучения с помощью камер-обскур (раздел 4.3.5). Показано, что для объяснения результатов в рентгеновском диапазоне наряду с эффектом ударной волны необходимо учитывать и другие процессы (теп-лоотвод на преграду, радиационные потери, распыление вещества преграды и ДР-)-

Параметры горячего ядра лазерной плазмы (раздел 4.3.3) определялись с помощью методов, описанных в Главе 1. Температура электронов составляла величину Те~550 - 700 эВ, плотность электронов Л^-Ю20 - 1021 см"3, зарядовый состав содержал в основном ядра, [Н]- и [Не]-подобные ионы в соотношении концентраций 1:3:3 соответственно.

Различные физические механизмы, связанные с образованием ударной волны, теплопередачей на преграду и ионизацией атомов преграды, приводят к образованию вблизи преграды плотной и холодной плазмы. Спектр излучения интенсивных линий [Н]- и [Не]-подобных ионов имеет рекомбинационный характер, что потребовало особого подхода к диагностике приповерхностной плазмы (раздел 4.3.6). Температура электронов Те в области пересечения факела магниевой плазмы с поверхностью преграды определялась по наклону фоторе-комбинационного непрерывного спектра М^ХП—и составила величину Те ~ 50 - 120 эВ в зависимости от параметров лазера от выстрела к выстрелу.

В случае рекомбинирующей плазмы определение электронной плотности по отношению интенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий и анализ отклонения населенностей возбужденных уровней от термодинамически равновесных потребовало специальных дополнительных теоретических исследований (разделы 4.3.6 и 4.3.7). В результате была рассчитана зависимость от плотности электронов Ые отношения интенсивностей резонансной и интерком-

бинационной линий (раздел 4.3.6). Сравнение с экспериментальными результатами позволило измерить N,,=(2,5 4- 3,0)-1019 см"3.

Исследование населенностей возбужденных уровней и их отклонений от термодинамического равновесия, проведенное в разделе 4.3.7, представляет большой интерес как для понимания кинетики образования линий в плазме, так и для различных приложений (диагностика плазмы, определение степени инверсии и др.). Сравнение экспериментальных и теоретически рассчитанных населенностей возбужденных уровней также позволило определить электронную плотность в приповерхностном слое ^ = (1^4)-1019 см"3. В пределах погрешности эксперимента это согласуется с величиной, полученной по отношению ин-тенсивностей резонансной и интеркомбинационной линий - Ne = (2,5^3,0)-1019 см"3. Как показало сравнение результатов теоретических расчетов с экспериментальными данными, механизмом заселения уровней является радиационно-столкновительная рекомбинация, т. е. трехчастичная рекомбинация на высоковозбужденные уровни с последующей диффузией вниз по уровням. Вклад механизма прямого фоторекомбинационного заселения мал.

Итоги исследований подведены в разделе (4.3.8), в котором приведено сравнение параметров двух источников спектров [Н]- и [Не]-подобных ионов магния, формируемых в горячем ядре лазерной плазмы и в зоне взаимодействия факела лазерной плазмы с поверхностью твердого тела.

Исследования по изучению структуры и интенсивности рентгеновского излучения при различных расстояниях плазма - преграда были выполнены в Университете Бригхама Янга (ВУи, Юта, США) (раздел 4.4). В этих экспериментах при столкновении лазерной плазмы с преградой также наблюдалось интенсивное рентгеновское излучение. Пространственная структура и интенсивность излучения исследовалась при различных расстояниях мишень- преграда (г0 - 0,33,0 мм).

Показано, что интенсивное излучение около преграды вызвано скачком плотности электронов в ударной волне, образующейся около преграды. При малых расстояниях мишень-преграда г0«ут (V - скорость разлета лазерной плазмы, г- длительность лазерного импульса) приповерхностное излучение вызвано процессами возбуждения. При расстояниях г0 <0,3 мм полная интенсивность этого излучения может даже превышает интенсивность самой лазерной плазмы.

При расстояниях г0»ут излучение вызвано рекомбинационными процессами (трехчастичная рекомбинация).

В разделе 4.5 приводится общее описание метода и перспективы его использования в некоторых приложениях. Когда лазерное излучение фокусируется на твердотельную мишень с интенсивностью выше ~1012 Вт/см2, образуется высокотемпературная и плотная плазма. Типичные параметры этой плазмы: температура электронов - Те ~ 100 эВ ■*■ несколько кэВ, плотность электронов, < (/V,- - критическая плотность для лазерного излучения), заряд ионов 2-10+20 (в зависимости от атомного номера мишени). Затем эта плазма быстро расширяется в вакуум со скоростью разлета и0~107 -Ю8 см сек'1. Во время разлета электронная температура и плотность уменьшаются, в то время как степень ионизации остается приблизительно той же самой - имеет место так называемая "закалка" степени ионизации из-за медленности рекомбинационных процессов. Когда такая плазма сталкивается с преградой, происходит несколько важных процессов. Первым является стагнация плазмы, вызванная образованием ударной волны около преграды. Интенсивное рентгеновское излучение около преграды вызвано скачком электронной плотности в ударной волне. Ответственными за это излучение могут быть как процессы возбуждения (малые расстояния лазерная мишень - преграда), так и трехчастичная рекомбинация (большие расстояния лазерная мишень - преграда). Таким образом, присутствие преграды на пути разлета лазерной плазмы может эффективно изменять параметры плазмы. Зачастую такие параметры не могут быть осуществлены в обычной плазме. Примером может служить ситуация, когда многозарядные ионы создаются в высокотемпературной лазерной плазме, а излучают в холодной и плотной плазме пристеночного слоя (раздел 4.3). В зависимости от расстояния лазерная мишень-преграда и длительности лазерного импульса при этом взаимодействии могут быть реализованы различные процессы (возбуждение, рекомбинация, перезарядка). Все эти процессы приводят к созданию нового интенсивного источника рентгеновского излучения. Этот источник обладает новыми радиационными характеристиками и новым видом рентгеновского спектра. Изучение этого источника является интересным как для фундаментальной физики, так и для многочисленных практических приложений. В этом разделе также рассматривается возможность использования лазерной плазмы, взаимодействующей с преградой, для моделирования низкотемпературной приповерхностной плазмы в установках с магнитным

удержанием плазмы. Приводится краткое описание соответствующих экспериментов по взаимодействию лазерной плазмы, содержащей малозарядные ионы, с поверхностью твердого тела, проведенных в ФОМ Институте физики плазмы (Нидерланды). В конце раздела приведено обоснование нового метода для создания полых ионов при прямом взаимодействии ионов лазерной плазмы с поверхностью твердого тела и рассмотрены условия такого взаимодействия.

В Главе 5 приводится краткий обзор, посвященный методам фемтосекунд-ной диагностики плазмы, и результаты экспериментов, выполненных в Институте теплофизики экстремальных состояний Объединенного института высоких температур РАН. В кратком обзоре (раздел 5.1) основное внимание уделяется таким вопросам, как рентгеновской диагностике плазменной короны, генерации быстрых электронов, непрерывного и характеристического излучения, методу pump-probe и измерению длительности рентгеновского импульса. Показано, что наиболее интересные практические приложения связаны с использованием характеристического рентгеновского излучения. Отождествление и изучение процессов генерации быстрых электронов и характеристического рентгеновского излучения приобретает фундаментальный характер. При этом необходимо исследовать выход рентгеновского излучения в зависимости от многих параметров: интенсивности, длины волны, длительности и контраста лазерного излучения; вида и атомного номера мишени; условий фокусировки (поляризация, угол падения) на мишень и пр. Для практических приложений приобретает особое значение и оптимизация и измерение абсолютных величин выхода характеристического рентгеновского излучения в требуемом спектральном интервале.

Рис.7.

Си

shct#23n-11

Пример характеристического спектра Си фемтосекундной лазерной плазмы (р-полярнзация, 6=45°,

£¿=30 мДж, одна вспышка лазера,

о1—==¡¡1—.—1-.—1—yr^.+w

1.532 t.535 1,643 1,544 1.548 Wavelength (А)

спектральное разрешение ЫХ=1Ш).

В разделе 5.2 приводятся результаты исследований рентгеновского характеристического Кц - излучения, возникающего при воздействии на металлические мишени (Бе, Си) фемтосекундных импульсов инфракрасного диапазона спектра, генерируемых тераваттной лазерной системой с активной средой хром-форстерит (1240 нм, 90 мДж, 80 фс). Для регистрации рентгеновских спектров с высоким спектральным разрешением использовался абсолютно калиброванный фокусирующий кристаллический спектрометр, высокая светосила которого позволяла регистрировать спектры за одну - несколько вспышек лазера (Рис.7). Измерен абсолютный выход Ка (до 4х109 фотон/импульс) и коэффициент преобразования энергии лазерного в Ка излучение (максимальная величина ~ 0,03 %). Исследован выход Ка излучения в зависимости от длины волны (Шо и 2юо) и поляризации падающего лазерного излучения на мишень (угол падения 45°). Исследована угловая зависимость интенсивности излучения от угла падения р-поляризованного лазерного излучения. Обсуждаются механизмы образования быстрых электронов, ответственных за генерацию рентгеновского характеристического излучения.

Глава 6 посвящена работам по формированию интенсивных направленных квазимонохроматических потоков ВУФ излучения и рентгеновской - ВУФ спектроскопии лазерной плазмы с использованием многослойных структур. В разделе 6.1 приводится краткий обзор работ по исследованию излучательных характеристик лазерной плазмы в мягкой рентгеновской области спектра. Сформулированы основные преимущества лазерной плазмы перед другими источниками рентгеновского излучения.

Раздел 6.2 посвящен исследованию абсолютного выхода излучения лазерной плазмы для приложений в ВУФ литографии. Эксперименты проведены в ФОМ-Институте физики плазмы (Нидерланды). Приводятся результаты исследований по ВУФ спектроскопии лазерной плазмы (диапазон длин волн А=124-170 А) и по измерению абсолютного выхода излучения для большого числа (16) материалов мишеней. Проведена диагностика лазерной плазмы по спектрам легких элементов и идентификация спектральных линий в плазме тяжелых элементов.

В разделе 6.3 приводятся результаты работ по формированию интенсивных направленных квазимонохроматических потоков ВУФ излучения из лазерной плазмы с использованием многослойных структур. Измеренная в экспериментах

максимальная плотность потока в области Л-182 Ä достигала величины q- 1-Ю7 Вт/см2, а яркостная температура - Г=70 эВ. Исследована возможность регистрации изображений лазерной плазмы в излучении одной спектральной линии. Рассмотрены вопросы формирования изображений и новые возможности для диагностики плазмы, влияния разлета лазерной плазмы на измеряемые величины и использования субпикосекундной лазерной плазмы, формирования потоков поляризованного излучения.

Раздел 6.4 посвящен рентгеновской и ВУФ спектроскопии лазерной плазмы с использованием новых многослойных структур. В Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) были изготовлены две структуры - на основе пары W/B4С с периодом d = 12 Ä и на основе пары Cr/Sc с периодом d = 37,5 Ä. Эти структуры использованы в спектрометре Гамоша для рентгеноспектральной диагностики лазерной плазмы. Проведено сравнение коэффициентов отражения MC W/B4C и кристалла слюды. Спектры излучения, отраженного от MC и кристалла слюды, формировались одновременно на оси спектрометра и регистрировались одним и тем же ПЗС детектором. Пример спектра приведен на Рис.8а.

\ (нм> (МО 0.80 0.85 0.90 0.95 1.00 1.05

2000

1 [S 1500

1000

L. AWJIAA-L-^

ь

у.,* i,.

0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 090 X. (нм) (слюда)

50

■а

А 3»

а

Л ю

ls'-ls2p [Не]

(СНг)„ Target #13

ls'-ls3p [He] ls-2p[II] )

V V

а

3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 Wavelength (nm)

Рис.8, а) Рентгеновский спектр Mg лазерной плазмы, зарегистрированный одновременно с помощью MC W/B4C (верхняя шкала) и кристалла слюды (нижняя шкала). Отмечены резонансные линии Н„ и Не„ водородоподобного ([Н]-) и гелиеподобного ([Не]-) ионов Mg, сател-литные линии (5) и линии главной серии в [Не]-подобном ионе. Ь) ВУФ спектр CVI-CV ионов углерода, зарегистрированный с помощью MC Cr/Sc. Отмечены резонансные линии водородоподобного ([Н]-) и гелиеподобного ([Не]-) ионов и переход 1-3 в [Не]-ионе.

Электронная температура Г, = 60 эВ.

На Рис. 8Ь приведен спектр излучения плазмы углерода, зарегистрированный с помощью MC Cr/Sc в качестве дисперсионного элемента. Светосила спектро-

метра Гамоша с многослойными дисперсионными элементами в десятки-сотни раз превышает светосилу традиционных дифракционных спектрографов скользящего падения при сопоставимом спектральном разрешении. Высокая чувствительность спектрометра позволила регистрировать спектры за одну вспышку лазера при очень низкой энергии лазерного импульса: 1-10 мДж. Рассмотрены преимущества и перспективы использования многослойных структур в рентгеновской и ВУФ спектроскопии плазмы.

В Главе 7 приводится описание приборов, техники и методов, используемых в этой экспериментальной работе. В разделе 7.1 дается общая характеристика приборов и детекторов и их основные параметры. Спектральный диапазон регистрации составлял от видимого до рентгеновского, спектральная разрешающая сила А/дА достигала величин Х/8Х -2000+3000, пространственное разрешение ЛХ~ 10 мкм и временное разрешение Л1 ~ 0,1 не. В ходе выполнения этой работы потребовалась разработка разнообразной спектральной аппаратуры, позволяющей решать поставленные задачи с максимальной эффективностью и качеством. Одновременное использование различных приборов и детекторов позволило существенно расширить возможности эксперимента и дополнить экспериментальные данные. В результате создан комплекс уникальной спектральной аппаратуры, включающий светосильные кристаллические спектрометры, дифракционные спектрометры, детекторы излучения. Разработаны методы монохроматизации рентгеновского излучения и абсолютной калибровки спектрометров и детекторов.

В разделе 7.2 приводится описание лазерных установок, используемых для создания лазерной плазмы. Эксперименты проводились в широком диапазоне лазерных параметров: с плотностью потока лазерного излучения на мишени от 1012 до 1018 Вт/см2, с длительностью импульса от 80 фс до 30 не, с энергией в импульсе от нескольких мДж до ~ 20 Дж. Основные результаты получены на лазерной установке "Феникс," расположенной в отделе спектроскопии Отделении оптики ФИАН и собранной совместно с ИОФАН под руководством Ю.С.Касьянова. Параметры лазерного импульса этой установки: длина волны 1,06 мкм и 0,53 мкм, максимальная энергия импульса 10-г20 Дж, длительность импульса 2 - 5 не, максимальная плотность потока на мишени - <?=1015 Вт/см2.

В разделе 7.3 описывается метод монохроматизации линейчатого рентгеновского излучения лазерной плазмы. В этом методе используется специальная комбинация материала лазерной мишени и К- поглощающих фильтров. Лазер-

ные мишени со средними атомными номерами Z„ выбираются так, чтобы в лазерной плазме возбуждались [Н]- и [Не]-подобные ионы. К- поглощающие фильтры пропускают излучение в узком спектральном диапазоне, в котором находятся только резонансные линии [Н]- и [Не]-подобных ионов. Этот метод мо-нохроматизации успешно использовался для калибровки фокусирующего кристаллического спектрометра Гамоша и для измерения квантовой эффективности и чувствительности ПЗС линейки, используемой в качестве рентгеновского детектора. Вклад непрерывного спектра, характеризуемый контрастом излучения -отношением интенсивности линейчатого излучения к непрерывному излучению, подробно изучен как экспериментально, так и теоретически.

В разделе 7.4 приводится описание детекторов излучения, использовавшихся в этой работе: PIN диоды, электронно-оптические преобразователи, сцин-тилляционный детектор, фотографические пленки, ПЗС детекторы. Для ПЗС детекторов (Toshiba TCD 1304 АР) приводятся данные, полученные в этой работе, по абсолютной калибровке чувствительности, по измерению динамического диапазона, квантовой эффективности и детектирующей способности в рентгеновском диапазоне спектра.

В разделе 7.5 приводится описание дифракционных спектрометров, предназначенных для проведения спектральных исследований в вакуумно-ультрафиолетовой (ВУФ) области спектра (Х=20-800 Á). В работе использовались два вида спектрометров - спектрометры скользящего падения с дифракционной решеткой на отражение (GIS) и спектрометры с дифракционной решеткой на пропускание (TGS).

Раздел 7.6 посвящен описанию кристаллических спектрометров. Основными спектральными приборами в этой диссертационной работе являлись спектрометры, выполненные по схеме Гамоша (Рис. 10). Эти спектрометры использовались практически во всех экспериментах. В разделе 7.6.1 подробно рассматриваются параметры этого спектрометра: геометрические характеристики, дисперсия, пространственное разрешение, светосила, спектральный диапазон, спектральное разрешение, мозаичная фокусировка. Продемонстрированы существенные преимущества этой схемы для регистрации излучения квазиточечных источников излучения: высокая светосила в широком спектральном диапазоне, высокое спектральное разрешение, пространственное разрешение, мозаичная фокусировка, линейный фокус и т.д. В качестве детекторов излучения в спек-

трометре использовались фотопленки УФ-ВР и Kodak 2492, ЭОП со сцннтилля-тором и ПЗС линейка. Параметры этих детекторов приведены в разделе 7.4.

concave crystal

souri

Image plane

Рис.9. Схема спектрометра Гамоша с регистрацией спектра на оси спектрометра.

2d 8În&*nX Xi>Xj

Для регистрации спектров в абсолютной шкале интенсивности спектрометр Гамоша был калиброван по чувствительности. Проводилась калибровка как всего спектрометра, так и его частей - кристаллов (слюда, пирографит) и ПЗС детектора. Так, для модификации спектрографа с кристаллом слюды (R=20 мм) и с регистрацией на фотопленку Kodak RAR 2492 определена светосила спектрометра и интегральный коэффициент отражения слюды как на отдельных длинах волн (порядок отражения слюды п-1 - V), так и непрерывный ход коэффициента отражения слюды в широком диапазоне спектра (и = I) (Рис. 10). В случае использования ПЗС линейки в качестве детектора излучения определена светосила и минимальная экспозиция (детектирующая способность) спектрометра для различных длин волн. Высокая чувствительность ПЗС линейки и высокая светосила спектрометра Гамоша позволили регистрировать спектры при очень низкой энергии лазерного импульса (вплоть до 20-40 мДж для Mg плазмы). В большинстве случаев требовалось существенное ослабление ( в ~ 102 - 104 раз) падающего на детектор излучения, чтобы избежать насыщения ПЗС. По этой причине спектрометр Гамоша с ПЗС детектором является чрезвычайно эффективным для изучения слабоинтенсивных источников рентгеновского излучения (фемтосе-кундной лазерной плазмы, различного типа микропинчей, и др.) и может использоваться в многочисленных практических приложениях (спектроскопия плазмы, рентгеновский флуоресцентный анализ, EXAFS спектроскопия, и др.). Приводятся примеры рентгеновских спектров многозарядных ионов, возбуждаемых в лазерной плазме (Рис.11).

Wavelength (A)

Рис.10. Измеренный интегральный коэффициент отражения р[rad] слюды в первом порядке отражения (сплошная кривая).

метра Гамоша с кристаллом слюды (слева): Ре (энергия лазерного импульса £;= 2,3 Дж, п-\) и с кристаллом пирографита (справа): Т1 (£/=1 Дж, п=I).

В конце раздела рассматривается возможность практического применения спектрометра Гамоша в рентгеновском флуоресцентном анализе.

В разделе 7.6.2. приводится описание спектрометра на жесткую рентгеновскую область спектра. Для этого предложено использовать сканирующий кристаллический кварцевый фокусирующий спектрометр, выполненный по схеме ДюМонда. Рассмотрены геометрия, параметры спектрометра и приводятся данные тестирования спектрометра с помощью рентгеновской трубки. Спектрометр обладает высокой эффективностью (~103 раз большей, чем для плоского кристалла) и может использоваться для записи спектров с энергией квантов Е < 50 кэВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Исследованы многочисленные рентгеновские спектры многозарядных ионов лазерной плазмы различных элементов (А^=6-г74) в широком спектральном диапазоне (/1=1,5 -г 200 А) и в широком диапазоне лазерных параметров и условий фокусировки: с плотностью потока лазерного излучения на мишени от 1012 до 1018 Вт/см2, 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 - измерена электронная температура (диапазон измерений Те-60 -г 1400 эВ) и плотность (^=1019 -ь 1021см"3), определен зарядовый состав, проведены количественные (абсолютные) измерения интенсивностей и изучены процессы, ответственные за излучение плазмы.

2. В спектрах [Не]- подобных ионов Са и Т1, излучаемых в лазерной плазме, измерены длины волн сателлитов резонансных линий с точностью А/5А, лучшей 104. Проведено сопоставление с теоретическими расчетами. Метод теории возмущений по параметру \!2 дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом. В этих же спектрах изучено распределение интенсивностей в группе диэлектронных сателлитов и проведено сопоставление с теоретическими расчетами. Расчет методом теории возмущений по параметру М2 удовлетворительно описывает относительные интенсивности сильных диэлектронных сателлитов 0 и к), по которым определяется температура электронов. Результаты исследований использованы для диагностики высокотемпературной лазерной плазмы (диапазон электронных температур Ге=100-г1400 эВ) и плазмы сильноточных 2-пинчей (Ге=370-^520 эВ).

3. Исследован зарядовый состав с г = 20 -г- 25 лазерной плазмы железа по спектрам в области резонансной линии [Не] - подобных ионов по относительным интенсивностям групп сателлитных линий, принадлежащих ионам различной кратности ионизации. Проведено сравнение измеренных относительных концентраций ионов с результатами расчетов ионизационного равновесия для случая корональной = 0) и плотной = Ю20 -н 1022 см"3) плазмы. Показано, что в условиях плотной высокотемпературной лазерной плазмы необходимо учитывать эффект влияния плотности электронов на скорость диэлектронной рекомбинации.

4. Разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы.

5. Проведены эксперименты по БУФ спектроскопии плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном (А-К) промежутке сильноточного импульсного генератора "Е-МасЬте" а также теоретические и экспериментальные исследования ВУФ спектров ионов железа в хорошо диагностируемой лазерной плазме. Сравнение экспериментальных и теоретических спектров позволило измерить электронную температуру Те плазмы в А-К промежутке Тс = (200±40) эВ.

6. Экспериментально показано, что при взаимодействии высокотемпературной лазерной плазмы с поверхностью твердого тела (преградой) возникает интенсивное излучение в линиях многозарядных ионов. Исследованы динамика взаимодействия (пространственно-временная структура излучения в видимом и рентгеновском диапазонах), спектры многозарядных ионов, выполнена диагностика приповерхностной плазмы. Показано, что при этом взаимодействии реализуется уникальная ситуация, когда многозарядные ионы, зарядовый состав (7-10) которых формируется в горячем ядре (Те~0,5 -г 1 кэВ) лазерной плазмы, излучают в плотной {N«,=(1-^4)- 1019 см"3} и холодной {Те=50-100 эВ} плазме приповерхностного слоя.

7. Исследованы спектры и характеристики Ка излучения, возникающего при воздействии на металлические мишени (Бе, Си) фемтосекундных импульсов инфракрасного диапазона спектра, генерируемых тераваттной лазерной системой с активной средой хром-форстерит.

9. Применение новых многослойных структур в качестве дисперсионных элементов позволило регистрировать излучение в диапазонах спектра от рентгеновского до ВУФ (Л~9 - 40 А), и достигнуть повышенной светосилы, в 40 раз превышающей светосилу традиционных дифракционных спектрометров с решетками скользящего падения.

10. Разработан комплекс уникальной спектральной аппаратуры (светосильные кристаллические рентгеновские и ВУФ спектрометры, дифракционные ВУФ спектрометры, детекторы излучения), позволяющий регистрировать рентгеновское и ВУФ излучение лазерной плазмы в спектральном диапазоне Л- 1,5 -200 А, со спектральным разрешением А/8А вплоть до А/8А-2000, временным разрешением - до 2 не, пространственным разрешением - до 50 мкм. Подробно изу-

чены параметры и характеристики спектрометров, проведена их калибровка, что позволило измерять абсолютный выход рентгеновского излучения и другие количественные радиационные характеристики плазмы. С использованием методов рентгеновской спектроскопии эти приборы позволили проводить измерения температуры электронов в диапазоне от 60 эВ до 1400 эВ.

Список цитируемой литературы

1. Эдлен, Б. Измерение длин волн в вакуумной ультрафиолетовой области спектра / Б.Эдлен // УФН.1966. Т. 89, вып. 3. С. 483-510.

2. Басов, Н.Г. Условия разогрева плазмы излучением оптического генератора / Н.Г. Басов, О.Н. Крохин//ЖЭТФ. 1964. Т.46, вып. 1. С. 171-175.

3. Fawcett, B.C. Extreme ultra-violet spectra from laser-produced plasmas /B.C. Fawcett, A.H. Gabriel, F.E. Irons, N.J. Peacock, P.A.H. Saunders // Proc. Phys. Soc. 1966. V. 88. P. 1051-1053.

4. Басов, Н.Г. Получение спектров многозарядных ионов при фокусировке излучения лазера на твердую мишень / Н.Г. Басов, В.А. Бойко, Ю.П. Воинов, Э.Я. Кононов, С.Л. Мандельштам, Г.В. Склизков П Письма ЖЭТФ. 1967. Т.5, вып.6. С. 177-180.

5. Астрономия. Рентгеновское излучение Солнца и других космических объектов. Итоги науки и техники. Астрономия. Т.9.-М.: ВИНИТИ, 1974.-275 с.

6. Собельман, И.И. Введение в теорию атомных спектров / И.И. Собельман. -М.: Физматгиз, 1963. - 640 с.

7. Пресняков, Л.П. Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы / Л. П. Пресняков // УФН. 1976. Т. 119. С. 49 - 74.

8. Бойко, В.А. Рентгеновская спектроскопия лазерной плазмы / В.А. Бойко, A.B. Виноградов, С.А. Пикуз, И.Ю. Скобелев, А.Я. Фаенов. - Итоги науки и техники: Радиотехника. Т. 27. - М. ВИНИТИ, 1980.

9. Вайнштейн, JJ.A. Возбуждение и уширение спектральных линий / Л.А. Вайнштейн, И.И. Собельман, Е.А. Юков. - М.: Наука, 1979. - 320 с.

10. Пресняков, Л.П. Элементарные процессы с участием многозарядных ионов / Л.П. Пресняков, В.П. Шевелько, Р.К. Янев. - М.: Энергоатомиздат, 1986.-330 с.

11. Вайнштейн, Л.А. Структура и характеристики ионов в горячей плазмы / Л.А. Вайнштейн, В.П. Шевелько. - М.: Наука, 1986. - 216 с.

12. Басов, Н.Г. Диагностика плотной плазмы, под ред. Н.Г. Басова / Н.Г. Басов, Ю.А. Захаренков, A.A. Рупасов, Г.В. Склизков, A.C. Шиканов. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1989. - 368 с.

13. Ананьин, О.Б. Лазерная плазма. Физика и применение / О.Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин. - М.: МИФИ, 2003. - 400 с.

14. Moses, E.I. A new era for high-energy-density physics / E.I. Moses, R.L. McCrory, D.D. Meyerhofer, C.J. Keane // Optics and Photonics News. 2009. V. 20. № 5. P. 42-47.

15. Солнечно - земная физика: Результаты экспериментов на спутнике КОРОНАС-Ф / Под. ред. В.Д. Кузнецова. - М: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 488 с.

16. Ryutov D.D. The physics of fast Z-pinches / D.D. Ryutov, M.S. Derzon, M.K. Matzen // Rev. Mod. Phys. 2000. V. 72, № 1. P. 167-215.

17. Ceglio, N.M. Revolution in X-Ray Optics / N.M.Ceglio // J. X-Ray Sei. Technol. 1989. V. l.P. 7-78.

18. Attwood, D. Soft X-Rays and Extreme Ultraviolet Radiation. Principles and Applications / D. Attwood. - Cambridge University Press, 2000. - 504 p.

19. EUV Sources for Lithography. Ed. Vivek Bakshi. - SPIE Press, Billingham, Washington USA, 2006. - 1043 p.

20. Виноградов, A.B. Зеркальная рентгеновская оптика / A.B. Виноградов, И.А. Брытов, А.Я. Грудский, М.Т. Коган, И.В. Кожевников, В.А. Слемзин. - Л.: Машиностроение, 1989. - 463 с.

21 .Виноградов, A.B. Многослойная рентгеновская оптика / A.B. Виноградов II Квантовая электроника. 2002. Т. 32, вып. 12. С. 1113-1121.

Список работ, в которых опубликованы основные результаты диссертации (авторский список, работы из списка ВАК отмечены *) 1. * Касьянов, Ю.С. Исследование временного хода рентгеновского спектра алюминиевой лазерной плазмы / Ю.С. Касьянов, М.А. Мазинг, В.К. Чево-кин, А.П. Шевелько // Письма ЖЭТФ. 1977. Т. 25. С. 373-376.

2. * Шевелъко, А.П. Светосильный рентгеновский спектрограф с вертикальной фокусировкой для исследования лазерной плазмы / А.П. Шевелько // Кванто-

. вая электроника. 1977. Т. 4. С. 2013-2015.

3. * Горбунов, Л.М. Спектрально-временные измерения излучения рассеянного назад лазерной плазмой / Л.М. Горбунов, Ю.С. Касьянов, В.В. Коробкин,

A.Н. Поляничев, А.П. Шевелько // Письма ЖЭТФ. 1978. Т. 27. С. 242-246.

4. * Beigman, I.L. On the Ionization Equilibrium in High-temperature Plasmas / I.L. Beigman, B.N. Chichkov, M.A. Mazing, A.P. Shevelko, A.M. Urnov // Physica Scripta. 1981. V. 23, № 1. P. 236-240.

5. Горбунов, Л.М. Исследование рассеяния света в лазерной плазме /

Л.М.Горбунов, Ю.С.Касьянов, В.В.Коробкин, А.Н.Поляничев, А.П.Шевелько II Препринт ФИАН №126, Москва, 1979. - 40 с.

6. * Chichkov B.N. On experimental study of the dielectronic recombination rate /

B.N. Chichkov, M.A. Mazing, A.P. Shevelko, A.M. Urnov // Phys. Lett. 1981. V. 83A, № l.P. 401-403.

7. * Мазинг, M.A. Зависимость коэффициента контрастности фотопленки УФ-ВР от длины волны рентгеновского излучения $,=2,6-11 А) / М.А. Мазинг, В.В. Мольков, А.П. Шевелько, М.Р. Шпольский // ПТЭ. 1981. № 5. С. 188-190.

8. * Пресняков, Л.П. Интенсивное рентгеновское излучение при взаимодействии

факела лазерной плазмы с поверхностью твердого тела / Л.П. Пресняков, А.П. Шевелько // Письма ЖЭТФ. 1982. Т. 36. С. 38-40.

9. * Вайнштейн, Л.А. Длины волн и энергии уровней диэлектронных сателлитов линий главной серии гелиеподобных ионов / Л.А. Вайнштейн, М.А. Мазинг, А.П. Шевелько//Крат, сообщ. физ. ФИАН. 1983. № 1. С. 41-46.

10. Пироговский, П.Я. Пространственно-временная структура излучения при взаимодействии факела лазерной плазмы с поверхностью твердого тела / П.Я. Пироговский, А.П. Шевелько И Препринт ФИАН № 82, Москва, 1984. - 24 с.

11.* Mazing, М.А. Interaction of a laser produced plasma with a solid surface / M.A. Mazing, P.Ya. Pirogovski, A.P. Shevelko, L.P. Presnyakov // Phys. Rev. 1985. V. A32. P. 3695-3698.

12. * Мазинг, M.A. Спектры гелиеподобных ионов CaXIX и TiXXI в лазерной плазме. I. Длины волн сателлитных линий / М.А. Мазинг, A.M. Панин, А.П. Шевелько// Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 59. С. 962-966.

13. * Киркин, А.Н. Регистрация линейчатых рентгеновских спектров лазерной плазмы в области 1-10 А с помощью ПЗС / А.Н. Киркин, Р.Г. Мирзоян, П.Я.

Пироговский, А.П. Шевелько II Краткие сообщения по физике ФИАН. 1986. № 1.С. 26-27.

14. * Мазинг, М.А. Спектры гелиеподобных ионов CaXIX и TiXXI в лазерной плазме. II. Интенсивности диэлектронных сателлитов / М.А. Мазинг, A.M. Панин, А.П. Шевелько // Оптика и спектроскопия. 1986. Т. 60. С. 910-915.

15. Пироговский, П.Я. Интенсивное рентгеновское излучение многозарядных ионов лазерной плазмы, взаимодействующей с преградой / П.Я. Пироговский, Л.П. Пресняков, А.П. Шевелько // В сб. "Первый советско-британский симпозиум по спектроскопии многозарядных ионов", Троицк, 1986. - С. 45-46.

16. Мазинг, М.А. Ионизационный состав лазерной плазмы / М.А. Мазинг, А.П. Шевелько // Труды ФИАН. 1987. Т. 179. С. 3-14.

17. Мазинг, М.А. Спектры гелиеподобных ионов CaXIX и TiXXI в лазерной плазме / М.А. Мазинг, А.П. Шевелько // Труды ФИАН. 1987. Т. 179. С. 15-38.

18. * Арцшювич, В.Л. Формирование направленного интенсивного ВУФ излучения из лазерной плазмы / В.Л. Арцимович, C.B. Гапонов, Ю.С. Касьянов, Б.М. Лускин, H.H. Салащенко, И.И. Собельман, А.П. Шевелько // Письма ЖЭТФ. 1987. Т. 46. С. 311-314.

19. * Пироговский, П.Я. Пространственно-временная структура рентгеновского излучения в области взаимодействия лазерной плазмы с поверхностью твердого тела / П.Я. Пироговский, А.П. Шевелько II Краткие сооб. физ. ФИАН. 1988. № 4. С. 45-47.

Ю.Васильев, A.A. Спектроскопические исследования факела лазерной плазмы с помощью многослойных интерференционных зеркал / A.A. Васильев, С.Е. Смирнов, А.П. Шевелько // XX Всесоюзный съезд по спектроскопии. Тезисы докладов. 1988. Часть I,- Киев: Изд. Наукова думка, 1988. - С. 36.

21. * Beigman, I.L. Interaction of a laser-produced plasma with a solid surface: soft x-ray spectroscopy of high-Z ions in a cool dense plasma / I.L. Beigman, P.Ya. Pi-rogovskiy, L.P. Presnyakov, A.P. Shevelko, D.B. Uskov // J. Phys. B: At. Mol. Opt. Phys. 1989. V. 22. P. 2493-2502.

22. * Васильев, A.A. Многослойные зеркала нормального падения для экстремального ультрафиолетового излучения / A.A. Васильев, C.B. Гапонов, С.А. Гусев, В.В. Дубров, И.Г. Забродин, А.И. Кузьмичев, Б.М. Лускин, H.H. Салащенко, В.А. Слемзин, И.И. Собельман, А.П. Шевелько // ЖТФ. 1990. Т. 60, вып. 5. С. 85-96.

23. * Gaponov, S.V. Normal-Incidence Multilayer Mirrors for the 120-450 A Wavelength Region / S.V. Gaponov, S.A. Gusev, V.V. Dubrov, A.I. Kuzmichev, B.M. Luskin, N.N. Salashchenko, A.P. Shevelko, V.A. Slemzin, I.I. Sobelman, I.G. Zab-rodin // J. X-Ray Sci. Tech. 1990. V. 2. P. 241-248.

24. Bijkerk, F. Laser-Plasma XUV Sources, a Role for Excimer Lasers? / F. Bijkerk, A.P. Shevelko//Proc. SPIE. 1991. V. 1503. P. 380-390.

25. * Presnyakov, LP. Soft X-ray spectroscopy of high-Z ions in a cool and dense plasma / L.P. Presnyakov, A.P. Shevelko, D.B. Uskov // Z. Phys D. -Atoms Mol. and Clusters. 1991. V. 21. P. 157-158.

26. Пироговский, П.Я. Спектроскопия многозарядных ионов в плотной и холодной плазме / П.Я. Пироговский, Л.П. Пресняков, Д.Б. Усков, А.П. Ше-велько//Труды ФИАН. 1991. Т. 215. С. 1-28.

27. * Bijkerk, F. Absolute Brightness of Laser Plasmas in the Soft X-Ray Emission Band / F. Bijkerk, E. Louis, G.E. van Dorssen, A.P. Shevel'ko, A.A. Vasilyev // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 82-88.

28. Bijkerk, F. Optimization of excimer-laser induced x-ray sources for x-ray projection lithography / F. Bijkerk, L. Shmaenok, E. Louis, A.van Honk, MJ. van der Wiel, Yu.A. Platonov, A.P. Shevelko, A.V. Mitrofanov, F. Vo0, R. Desor, H. Frowein, B. Nikolaus // Proc. SPIE. 1993. V. 2015. P. 128-131.

29. Bijkerk, F. Laser plasma source for soft X-ray projection lithography / F. Bijkerk, L. Shmaenok, A. van Honk, R. Bastiaensen, Yu.Ya. Platonov, A.P. Shevelko, A.V. Mitrofanov, F. VoP, R. Desor, H. Frowein, B. Nikolaus // J. Phys. Ill France. 1994. V. 4. P. 1669-1677.

30. * Shmaenok, L. Issues of laser plasma sources for soft x-ray projection lithography / L. Shmaenok, F. Bijkerk, E. Louis, A. van Honk, M.J. van der Wiel, Yu. Platonov, A. Shevelko, A. Mitrofanov, H. Frowein, B. Nikolaus, F. Vo(5, R. Desor // Microelectronic Engineering. 1994. V. 23. P. 211-214.

31 .Shevelko, A.P. Interaction of a laser-produced plasma with a solid surface: spectroscopy of multiply charged ions in a dense plasma / A.P. Shevelko, D.B. Uskov, L.P. Presnyakov // LLNL Tech.Rep. № B239717. 1994.

32. Shmaenok, L Developments of a high-power, low-contamination laser plasma source for EUV lithography / L. Shmaenok, F. Bijkerk, C. Bruineman, R.K.F. Bastiaensen, A.P. Shevelko, D.M. Simanovskii, A.N. Gladskikh, S.V. Bobashev // Proc. SPIE. 1995. V. 2523. P. 113-121.

33. * Bijkerk, F. A high-power, low-contamination laser plasma source for Extreme UV lithography / F. Bijkerk, L.A. Shmaenok, A.P. Shevelko, R.K.F. Bastiaensen, C. Bruineman, A.G.J.R. van Honk // Microelectronic Engineering . 1995. V. 27. P. 299-301.

34. Ragozin, E.N. Laser-plasma source of polirized monochromatic beams in the XUV round multilayer mirrors / E.N. Ragozin, N.N. Kalachevskii, M.M. Mitropolskii, Yu.Yu. Pokrovskii, A.P. Shevelko, A.A. Vasil'ev, Yu.Ya. Platonov, N.N. Salashchenko II Proc. SPIE. 1995. V. 2520. P. 309-317.

35. * Васильев, A.A. Создание монохроматических поляризованных пучков мягкого рентгеновского излучения с использованием многослойной рентгеновской оптики / А.А. Васильев, М.М. Митропольский, Ю.Я. Платонов, Ю.Ю. Покровский, Е.Н. Рагозин, Н.Н. Салащенко, А.П. Шевелько // Квант, электр.

1995. Т. 22. С. 408-410.

36. * Шевелько, А.П. Абсолютные измерения в ВУФ области спектра с помощью люминесцентного детектора / А.П. Шевелько // Квантовая электроника.

1996. Т. 23. С. 748-750.

37. Shevelko, A.P. Intense Soft X-Ray Radiation Through a Laser Plasma-Wall Interaction / A. Shevelko // Abstract of Papers, International Conference on Soft X-Rays in the 21st Century. 1997. Midway, Utah, January 8-11. P. 15.

38. Shevelko, A.P. X-ray spectroscopy of laser-produced plasmas using a von Hamos spectrograph / A.P. Shevelko // Proc. SPIE. 1998. V. 3406. P. 91-108.

39. * Baily, M. Characteristics of a multilayer mirror polarimeter for measurements at extreme ultraviolet wavelengths / M. Baily, R. Bruch, A. Shevelko, A. Vasilyev // Rev. Sci. Instrum. 1997. V. 68, № i. p. 1051-1054.

40. Bijkerk, F. Extreme Ultraviolet Spectroscopy of a Laser Plasma Source for Lithography / F.Bijkerk, A.P.Shevelko, L.A.Shmaenok, S.S.Churilov // Proc. SPIE.

1997. V. 3157. P. 236-240.

41. * Shevelko, A.P. Extreme Ultraviolet Spectroscopy of a Laser Plasma Source for Lithography / A.P. Shevelko, L.A. Shmaenok, S.S. Churilov, R.K.F. J. Bastiaensen, F. Bijkerk // Physica Scripta. 1998. V. 57. P. 276-282.

42. Shevelko, A.P. High efficiency hard x-ray spectrometer for sub-ps laser-produced plasma investigations / A.P. Shevelko // Proc. SPIE. 1998. V. 3444. P. 679-682.

43. Wang, Q. Hollow Atoms by Laser Plasma-Wall Interaction / Q. Wang, L. Knight, A. Shevelko, J. Peatross // Abstracts of Papers of American Physical Society Four

Corners Section Fall 1998 Meeting, Provo, Utah, October 16-17, 1998. - Provo: BYU, 1998. - P. 29.

44. Knight, L EUV spectroscopy of ultrafast capillary discharges / L. Knight, S. Tur-ley, C. Crawford, D. Hullinger, A. Shevelko, O. Yakushev, R. Miller // Proc. SPIE. 1999. V. 3767. P. 45-49.

45. Shevelko, A.P. A Focusing Crystal von Hamos Spectrometer for X-ray Spectroscopy and X-ray Fluorescence Applications / A.P. Shevelko, A.A. Antonov, I.G. Grigorieva, Yu.S. Kasyanov, L.V. Knight, A. Reyes-Mena, C. Turner, Q. Wang, O.F. Yakushev // Proc. SPIE. 2000. V. 4144. P. 148-154.

46. Turner, D.C. Focusing crystal von Hamos spectrometers for XRF applications / D.C. Turner, L.V. Knight, A. Reyes-Mena, P.W. Moody, H.K. Pew, J.D. Phillips, A.P. Shevelko, S. Voronov, O.F. Yakushev // Advances in X-ray analysis. 2000. V. 44. P. 329-335.

47. Shevelko, A.P. Absolute x-ray calibration of laser-produced plasmas using a CCD linear array and a focusing crystal spectrometer I A.P. Shevelko, L.V. Knight, Q. Wang, O.F. Yakushev II Proc. SPIE. 2001. V. 4504. P. 215-226.

48. Shevelko, A.P. Structure and Intensity of X-ray Radiation in a Laser Plasma-Wall Interaction / A.P. Shevelko, L.V. Knight, J.B. Peatross, Q. Wang // Proc. SPIE. 2001. V. 4505. P. 171-178.

49. Shevelko, A. X-ray focusing crystal von Hamos spectrometer with a CCD linear array as a detector / A. Shevelko, A. Antonov, I. Grigorieva, Yu. Kasyanov , O. Yakushev, L. Knight, Q. Wang // Adv. X-ray analysis. 2001. V. 45. P. 433-440.

50. Шевелъко, А.П. Структура и интенсивность рентгеновского излучения при взаимодействии лазерной плазмы со стенкой / А.П. Шевелько, JI. Найт, К. Ванг // XXII съезд по спектроскопии. Тезисы докладов. Звенигород, Россия, 2001.-С. 241.

51. * Shevelko, A.P. Compact focusing von Hamos spectrometer for quantitative x-ray spectroscopy / A.P. Shevelko, Yu.S. Kasyanov, O.F. Yakushev, L.V. Knight // Rev. Sci, Instrum. 2002. V. 73, № 10. P. 3458-3463.

52. Shevelko, A.P. Formation of quasi-monochromatic soft x-ray radiation from laser-produced plasmas / A.P. Shevelko, I. Beigman, L.V. Knight // Proc. SPIE. 2002. V. 4781. P. 10-16.

53. * Шевелько, А.П. Спектральная аппаратура для проведения абсолютных измерений в ВУФ и мягкой рентгеновской областях спектра / А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев // Поверхность. 2003. № 2. С. 51-55.

54. Shevelko, A.P. X-ray and EUV spectral instruments for plasma source characterization / A.P. Shevelko, L.V. Knight, J. Phillips, R.S. Turley, C. Turner, O.F. Ya-kushev // Proc. SPIE. 2003. V. 5196. P. 282-288.

55. Шевелько, А.П. Новый источник рентгеновского излучения при взаимодействии лазерной плазмы с поверхностью твердого тела / А.П. Шевелько // Материалы совещания "Рентгеновская оптика - 2003," Нижний Новгород, ИФМ РАН, 11-14 марта 2003. - С. 79-84.

56. Шевелько, А.П. Взаимодействие лазерной плазмы с поверхностью твердого тела - новые возможности для рентгеновской спектроскопии / А.П. Шевелько // Тезисы докладов XVII конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия," Звенигород, Россия, 1-5 декабря 2003 г. - С. 64-65.

57. * Шевелько, А.П. Новый источник рентгеновского излучения при взаимодействии лазерной плазмы с поверхностью твердого тела / А.П. Шевелько // Известия РАН. 2004. № 4. С. 507-511.

58. Agranat, М.В. Generation of hard x-rays by a forsterite terawatt laser / 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. 2005. V. 5918. P. 00 1-10.

59. Weeks, T. Absolute soft x-ray calibration of laser produced plasmas using a focusing crystal von Hamos spectrometer / T. Weeks, M. Harrison, M. Johnson, A. P. Shevelko, J. Ellsworth, S. Bergeson, M. Asplund, L. V. Knight // Proc. SPIE. 2005. V. 5918. P.OR 1-10.

60. * Агранат, М.Б. Генерация рентгеновского характеристического излучения с помощью тераваттного фемтосекундного хром-форстерит лазера / М.Б. Агранат, Н.Е. Андреев, С.И. Ашитков, А.В. Овчинников, В.Е. Фортов, А.П. Шевелько У/ Письма ЖЭТФ. 2006. Т. 83, вып. 2. С. 80-83.

61. Шевелько, А.П. Методы фемтосекундной диагностики плазмы / А.П. Шевелько // Препринт ФИАН №35, Москва, 2006. - 62 с.

62. * Шевелько, А.П. Методы фемтосекундной диагностики плазмы / А.П. Шевелько,- Энциклопедия низкотемпературной плазмы. Том V-1, серия Б, "Диагностика низкотемпературной плазмы." Часть I. Под. Ред. В.Н.Колесникова, 2007. С.45-70.

63. Шевелько, А.П. ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL) / А.П. Шевелько, С.Н. Андреев, Д.Е. Блисс, М.Г. Мазаракис, Д.С. Мак-

Гарн, К.В. Струве, Е.Д. Казаков, JI.B. Найт, И.Ю. Толстихина, Т. Уикс // Препринт ФИАН № 22, Москва, 2007. - 48 с.

64. * Бороздин, Ю.Э. Рентгеновская и вакуумно-ультрафиолетовая спектроскопии плазмы с использованием новых фокусирующих многослойных структур / Ю.Э. Бороздин, Е.Д. Казаков, В.И. Лучин, Н.Н. Салащенко, И.Ю. Толстихина, В.В. Чернов, Н.И. Чхало, А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев II Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 87, вып. 1. С. 33-35.

65. * Ivanov, V.V. Mitigation of the Plasmas-Implosion Inhomogeneity in Starlike Wire-Array Z Pinches / V.V. Ivanov, V.I. Sitnikov, A. Haboub, A.P. Shevelko, A.L. Astanovitskiy, A. Morozov, E.D. Kazakov, S. Alternara // Phys. Rev. Lett. 2008. V. 100. P. 025004 1-4.

66. * Бибишкин, M.C. Новые фокусирующие многослойные структуры для рентгеновской спектроскопии плазмы / М.С. Бибишкин, Е.Д. Казаков, В.И. Лучин, Н.Н. Салащенко, В.В. Чернов, Н.И. Чхало, А.П. Шевелько // Квантовая электроника. 2008. Т. 38, вып. 2. С. 169-171.

67. * Шевелько, А.П. ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора "Z-Machine" (SNL) / А.П. Шевелько, Д.Е. Блисс, Е.Д. Казаков, М.Г. Мазаракис, Д.С. МакГарн, Л.В. Найт, К.В. Струве, И.Ю. Толстихина, Т. Уикс // Физика плазмы. 2008. Т. 34, вып. 11. С. 1021-1032.

68. Bergeson, S. EUV Transmission Grating Spectrometer for Absolute Intensity Measurements from 2 to 250 nm / Bergeson, N. Gray, M. Harrison, L. Knight, O. Yakushev and A. Shevelko II Workshop Agenda and Abstracts of 2008 International Workshop on EUV Lithography, Maui, Hawaii, June 10-12,2008 - P.38.

69. Bergeson, S. EUV Spectrometers for Source Development, Characterization, and Optimization / S. Bergeson, B. Allred, N. Gray, L. Knight, A. Shevelko II Book of Abstracts of 2008 International Symposium on Extreme Ultraviolet Lithography, Lake Tahoe, California, September 28-October 1,2008. - P.82.

70. Якушев,О. ВУФ спектрометр с пропускающей решеткой для абсолютных измерений интенсивностей в экстремально широком диапазоне спектра (?.=2-250 нм) / О. Якушев, А. Шевелько, С. Бергесон, Н. Грэй, М. Харрисон, Л. Найт // Материалы совещания "Рентгеновская оптика - 2008", 6-9 октября 2008, Черноголовка, Россия, 2008. - С. 84-85.

71. * Ivanov, V.V. Implosion dynamics and x-ray generation in small-diameter wire-array Z pinches / V.V. Ivanov, V.I. Sotnikov, J.M. Kindel, P. Hakel, R.C. Mancini,

A.L. Astanovitskiy, A. Haboub, S.D. Alternara, A.P. Shevelko, E.D. Kazakov, P.V. Sasorov // Phys. Rev. E . 2009. V. 79. P. 056404 1-13.

72. Шевелъко, А.П. Люминесцентные детекторы на основе ПЗС и ВОД / А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев // Труды XIII Международного Симпозиума "Нано-физика и наноэлектроника," 16-20 марта 2009 г. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2009.-Т. 1. -С. 229.

73. Салащенко, Н.Н. Новые методы ВУФ диагностики плазмы тяжелых элементов и перспективы использования многослойных структур для рентгеновской спектроскопии (обзор) I Н.Н. Салащенко, А.П. Шевелько II Труды XIII Международного Симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника," 16-20 марта 2009 г. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2009. - Т.1. - С. 44-45.

74.* Шевелъко, А.П. Новый спектроскопический метод измерения температуры плазмы тяжелых элементов / А.П. Шевелько // Вестник Поморского Университета. Сер. "Естественные науки. 2009. №4, С. 110-113.

75. Лопатин,А.Я. Рентгенооптические характеристики фокусирующих многослойных структур / А.Я. Лопатин В.И. Лучин, Н.Н. Салащенко, Н.И. Чхало, А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев // Труды XIV Международного Симпозиума "Нанофизика и наноэлектроника," 15-19 марта 2010. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2010. - Т.1. - С. 79-80.

Подписано в печать

Формат 60x84/16. Заказ № ЗЦ. Тираж/?<9экз. П. л. 2,

Отпечатано в РИИС ФИАН с оригинал-макета заказчика. 119991 Москва, Ленинский проспект, 53. Тел. 499 783 3640

71 11-1/140

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА РАН

На правах рукописи

Шевелько Александр Петрович

Рентгеновская и ВУФ спектроскопия многозарядных ионов

в лабораторной плазме

Специальность 01.04.05 - Оптика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Президиум (решение от" (Д.

Росси ,

(Ш

присудил ученую степень, ТОРА

X

Натальи и к управления ВАК Росс

наук Москёа/Жо

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Терминология и список сокращений

Глава 1. Исследование длин волн, интенсивностей сателлитных линий и ионизационного равновесия в лазерной плазме

1.1. Введение

1.2. Длины волн и интенсивности сателлитных линий [Не]-подобных ионов CaXIX и TiXXI в лазерной плазме

A. Общая характеристика сателлитных линий

B. Длины волн сателлитных линий

C. Интенсивность сателлитных линий

1.3. Длины волн и энергии уровней диэлектронных сателлитов линий главной серии [Не]- подобных ионов

1.4. Ионизационный состав лазерной плазмы

A. Определение относительных интенсивностей групп сателлитных линий и зарядового состава лазерной плазмы железа

B. Сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами ионизационного состава и обсуждение результатов

Глава 2. Диагностика плазмы по спектрам [Н]- и [Не]-подобных ионов в Z-пинче сильноточного генератора "Zebra"

Стр. 6 26

27 27 33

33

34 38

42 47

47

53 60

Глава 3. ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного

генератора '^-МасЫпе" (БЖ) 71

3.1. Введение 72

3. 2. Метод исследования 73

3.3. Эксперименты на установке "7-МасЫпе" 76

3.4. Эксперименты с лазерной плазмой 78

3.5. Теоретические расчёты 82

3.6. Результаты экспериментов и их обсуждение 85

A. Лазерная плазма 85

B. Плазма А-К промежутка ("2-МасЫпе ") 89

C. Дополнительные факторы и ограничения 90

3.7. Перспективы использования нового спектроскопического метода измерения температуры плазмы тяжелых элементов. 95 Глава 4. Взаимодействие лазерной плазмы, содержащей многозарядные ионы, с поверхностью твердого тела (преградой) 98

4.1. Введение 98

4.2. Первые эксперименты по обнаружению эффекта 103

4.3. Спектроскопия многозарядных ионов в плотной холодной плазме 105

4.3.1. Экспериментальная установка 105

4.3.2. Пространственная структура рентгеновских

спектров 108

4.3.3. Определение параметров горячего ядра лазерной

плазмы 110

4.3.4. Исследование временных характеристик излучения 111

4.3.5. Пространственная структура рентгеновского и ВУФ излучения 117

4.3.6. Параметры плазмы в области взаимодействия с поверхностью преграды 119

4.3.7. Относительные населенности возбужденных уровней 126

4.3.8. Обсуждение результатов 130

4.4. Структура и интенсивность излучения при различных расстояниях плазма - преграда 133

4.5. Общее описание метода и перспективы использования эффекта

в приложениях 141

Глава 5. Генерация рентгеновского характеристического

излучения из фемтосекундной лазерной плазмы 147

4.1. Введение - Методы рентгеновской диагностики

фемтосекундной лазерной плазмы (краткий обзор литературы) 147

4. 2. Исследование рентгеновского характеристического

излучения, генерируемого при фокусировке фемтосекундного

хром-форстеритного лазера на металлические мишени 167

Глава 6. Формирование интенсивных направленных

квазимонохроматических потоков ВУФ излучения и

рентгеновская - ВУФ спектроскопия лазерной плазмы с

использованием многослойных структур 177

6.1. Излучательные характеристики наносекундной лазерной

плазмы в мягкой рентгеновской области спектра 178

6.2. Исследование абсолютного выхода излучения лазерной плазмы для приложений в ВУФ литографии

6.3. Формирование интенсивных направленных квазимонохроматических потоков ВУФ излучения.

6.4. Рентгеновская и ВУФ спектроскопия лазерной плазмы с использованием многослойных структур

Глава 7. Приборы, техника и методы эксперимента

7.1. Введение

7.2. Лазерные установки

7.3. Формирование квазимонохроматических потоков рентгеновского излучения из лазерной плазмы

7.4. Детекторы излучения

7.5. Дифракционные спектрометры

7.6. Спектрометры кристаллические

7.6.1. Спектрометр Гамоша

7.6.2. Спектрометр на жесткую рентгеновскую область Заключение

Список литературы Авторский список

189

206 217

217

218

223 229 240 245 245 260 264 268 319

ВВЕДЕНИЕ

Рентгеновская и вакуумно-ультрафиолетовая (ВУФ) спектроскопия многозарядных ионов является одним из наиболее эффективных методов исследования высокотемпературной плазмы. Моментом зарождения рентгеновской спектроскопии можно считать открытие в 1895 году рентгеновских лучей. Это послужило стимулом для развития приборной базы, когда в дальнейшем для регистрации и исследования излучения рентгеновских трубок были разработаны различные схемы кристаллических спектрометров. Спектроскопия многозарядных ионов берет свое начало с 30-х годов прошлого века. ВУФ излучение плазмы впервые наблюдалось в 1929 г. Эриксоном и Эдленом [1], в 1930 г. Эдленом и Эриксоном [2], Экенфорсом [3], а также рядом других исследователей в экспериментах с высоковольтными вакуумными искрами. С этих пор начали проводиться измерения длин волн и идентификация спектральных линий в ВУФ области спектра (см. обзор [4] и приведенные в нем ссылки). Следует отметить, что эти исследования линейчатых спектров дают сведения о строении атомов и ионов, а с появлением квантовой механики, они стали носить характер фундаментальной науки.

Первая попытка проведения диагностики лабораторной плазмы по спектрам высокоионизованных ионов была предпринята, по-видимому, Робинсоном [5]. Первые данные по диагностике плазмы солнечной короны были получены в результате исследований спектральных линий в видимом диапазоне спектра, которые были приписаны высокоионизованным состояниям элементов железа и кальция [6].

Роль рентгеновской диагностики лабораторной плазмы значительно возросла с начала 1960-х годов с появлением установок, предназначенных для термоядерных исследований (см., например, [7]). К этому времени относятся, в основном, исследования распределения интенсивности в непрерывном рентгеновском

спектре и профилей линий, уширение которых обусловлено штарк-эффектом [811]. Более 40 лет назад Н.Г. Басовым и О.Н.Крохиным была высказана идея об использовании лазеров в управляемом термоядерном синтезе (УТС) [12]. Это привело к появлению нового источника рентгеновского излучения - лазерной плазмы, которая, в свою очередь, стала объектом интенсивных исследований как по физике многозарядных ионов (первые работы [13, 14]), 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. В нашей стране эти исследования были начаты на ракетах Вертикаль-1, Вертикаль-2 и на спутниках серии Интеркосмос [15]. Следует отметить, что спектральные методы исследования астрофизической плазмы являются не только наиболее универсальными, но и единственно возможными. Эти исследования продолжают активно развиваться и в настоящее время [16,17].

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. Результаты этих исследований опубликованы в многочисленных монографиях и обзорах (см., •например, [18-33]). Одновременно в Институте спектроскопии РАН проводились исследования по изучению высокотемпературной плазмы (в основном - вакуумной искры), работы по прецизионной спектроскопии высокого разрешения и работы по созданию банка данных длин волн и переходов многозарядных ионов многих элементов [34, 35].

В этом кратком введении, конечно, невозможно рассмотреть все аспекты развития спектроскопии многозарядных ионов. К сожалению, автор не может привести литературный источник, в котором была бы полно отражена история этого вопроса. Тем не менее, мы видим, что рентгеновская и ВУФ спектроскопия плазмы многозарядных ионов прошла несколько этапов своего развития. Новые импульсы в развитии спектроскопии всегда были связаны с появлением новых идей, методов исследования и технологий (например, УТС, космические исследования и технологии, мощные лазеры, и т.д.).

Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы активно развивается и в настоящее время. Это развитие является важным как для фундаментальных, так и для прикладных исследований, и связано с появлением новых задач, источников рентгеновского и ВУФ излучения, оптических элементов, новых возможностей для практических приложений и т.д. Отметим, что спектроскопия активно развивается и на стыке смежных наук и технологий -физики плазмы и УТС, радиационной плазмодинамики, физики быстропротекающих процессов, физики коротковолновых лазеров, электроники, биологии, литографии и др.

Одной из актуальных задач настоящего времени продолжает оставаться исследования по УТС. Так, в лаборатории им. Лоуренса в Ливеморе (США) начинают проводиться демонстрационные эксперименты по лазерному УТС (программа NIF, см., например, обзор [36] и ссылки, приведенные в нем). Программа по УТС также развивается и на основе плазмы мощных Z-пинчей [37, 38] на установках Z-Machine, ZR (Национальная лаборатория Сандиа, США), Ангара 5-1 (ТРИНИТИ, Троицк, Россия), Zebra (Университет Невады в г. Рино, США) и др. 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.

В последнее время достигнут значительный прогресс в технологии использования мягкого рентгеновского и ВУФ излучения (см.,например, [39-41]. Этот прогресс обусловлен успехами в разработке источников рентгеновского излучения высокой яркости: синхротронных источников, рентгеновских лазеров [42-44], лазеров на свободных электронах [45-47], фемтосекундной лазерной плазмы [48-50], плазмы 2-, Х- пинчей и др. Усовершенствование старых и разработка новых источников излучения требует как новых подходов для их диагностики, так и открывает новые возможности для исследований. Например, разработка источников для проекционной ВУФ литографии [41,51,52] (лазерная плазма, 2-микропинчи, капиллярный разряд) потребовала разработки диагностики плазмы сложных элементов (Хе, 8п). Генерация сверхкоротких рентгеновских импульсов с помощью лазеров на свободных электронах и фемтосекундной лазерной плазмы позволяет исследовать быстропротекающие процессы (динамика химических реакций и фазовых переходов), получать фазоконтрастные изображения биологических объектов, генерировать пучки протонов для медицинских целей и пр.

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. [39,40,53,54]. 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 [41,51,52].

Все вышеперечисленное позволяет кратко сформулировать задачи, решаемые рентгеновской спектроскопией высокотемпературной плазмы в настоящее время:

1) развитие методов диагностики, измерение и расчет спектроскопических характеристик многозарядных ионов, установление механизмов возбуждения спектров;

2) усовершенствование существующих и разработка новых источников излучения;

3) 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 (см. Рис.1).

Объектами исследования являются высокотемпературная лазерная плазма и лазерная плазма, взаимодействующая с преградами, а также плазма мощных Ъ-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.

hd S о

О

£

V!

Я %

Я

й »

о x о

Р 43 Р

о\

О H

к

Предметом исследования является рентгеновское и ВУФ излучение многозарядных ионов лабораторной плазмы. Спектральный интервал исследований составлял от рентгеновского (длина волны Л~1 А) до ВУФ диапазона (Д-200 А).

Временной интервал выполнения данной работы составляет около 30 лет (с 1980-х годов).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы представлены в 75 работах, из которых 37 из списка ВАК (отмечены *), приведены в авторском списке в хронологическом порядке.

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.

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 (7>=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.

2. 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~(7^-0,5 1 кэВ)

1 Q _о

лазерной плазмы, излучают в плотной {Л^=(1-^4)-10 см } и холодной {7У=50 -100 эВ} плазме приповерхностного слоя.

3. Впервые исследованы рентгеновские спектры и характеристики Ка излучения, возникающего при воздействии на металлические мишени (Бе, Си) фемтосекундных импульсов инфракрасного диапазона спектра, генерируемых тераваттной лазерной системой с активной средой хром-форстерит.

4. Впервые для оценки точности теоретических расчетов, используемых при рентгеноспектральной диагностики плазмы, в спектрах [Не]-подобных ионов Са и Тл детально исследованы в диапазоне Л-2,6 - 3,2 А длины волн (точность Я/ЗЯ> 104) и интенсивности сателлитных линий (ошибка 10-К30%).

5. Впервые экспериментально показано, что при расчетах ионизационного

9П 'У')

состава высокотемпературной (Ге~ 1 кэВ) и плотной (Л^ = 10 -4-10 см") плазмы необходимо учитывать эффект влияния плотности электронов на скорость диэлектронной рекомбинации.

6. Впервые для исследования рентгеновских спектров лазерной плазмы использован спектрометр с вертикальной фокусировкой, который обладает высоким спектральным разрешением (/1/с>Л,~2000), широкой областью регистрации спектра (/1/1-1,5-10 А) и повышенной светосилой, позволяющей регистрировать спектры многозарядных ионов за одну вспышку лазера. Использование кристаллов и многослойных структур в качестве дисперсионных элементов по