Исследование взаимодействия струи благородного газа в вакууме с лазерной плазмой и лазерным излучением методами спектроскопии МР диапазона

В последнее время происходило бурное развитие оптики мягкого рентгеновского (MP) диапазона. К MP диапазону условно относят излучение с длинами волн от 10 А до 300 А. Несмотря на значительные принципиальные трудности — сильное поглощение в воздухе и отсутствие удобных оптических материалов — достигнут значительный прогресс в использовании MP излучения в науке, технике, медицине и других областях.

Интерес к мягкому рентгеновскому диапазону обусловлен несколькими причинами. Во многих случаях MP — излучение предоставляет единственную возможность получения информации об уровнях энергии и краях поглощения многозарядных ионов в лабораторной плазме. Приборы, работающие в MP диапазоне, дополняют приборы видимого диапазона и представляют исключительный интерес для астрофизики, физики плазмы.

В MP области спектра достигается принципиально более высокое пространственное разрешение, определяемое дифракционным пределом, чем в видимом свете. В связи с этим сейчас все более широкое применение находит рентгеновская микроскопия. В отличие от электронного микроскопа, требующего предварительной обработки образцов, рентгеновский микроскоп позволяет изучать образцы в их естественном виде, в том числе живые биологические объекты. Кроме того, изображающая оптика MP диапазона используется в рентгеновской литографии, которая, по-видимому, скоро станет промышленным стандартом.

Освоение MP диапазона осложнено поглощением в воздухе и отсутствием подходящих материалов для элементов прозрачной оптики и отражающей оптики нормального падения. Все материалы в этой области спектра имеют очень высокое поглощение и крайне незначительное отражение при небольших углах падения (от нормали). Поэтому до недавнего времени в MP диапазоне существовали только приборы скользящего падения. Спектрографы со сферической дифракционной решеткой обеспечивали исследователей спектроскопической информацией, но обладали сильным астигматизмом и практически не фокусировали пучок в направлении, перпендикулярном плоскости дисперсии. При этом спектральное изображение точек входной щели (и источника) представляли собой неограниченные по высоте линии, что вынуждало исследователей добиваться пространственного разрешения ценой сильного уменьшения освещенности в спектральных линиях.

Общим недостатком приборов скользящего падения является малое поле зрения. При выведении источника из главной плоскости (#=0) быстро растут геометрические аберрации, что заставляет сильно ограничивать апертуру решетки и соответственно уменьшать светосилу прибора.

Начиная с середины 70-х годов прошлого века, бурно развиваются технология нанесения тонких пленок и микролитография. В результате появляются первые рентгеновские оптические элементы нормального падения — многослойные зеркала (МЗ) и зонные пластинки. Идея многослойных зеркал была впервые высказана А. В. Виноградовым [1] и Э. Шпиллером [2] в 1976 — 1977 годах. Подробный обзор периодических многослойных зеркал дан в [3].

Многослойные зеркала нормального падения совершили революцию в оптике MP диапазона [4]. Современные МЗ представляют собой подложку заданной формы с нанесенным на нее многослойным покрытием. Периодическое многослойное покрытие обычно состоит из нескольких десятков или сотен периодов, составленных из двух чередующихся веществ с постоянными по всей глубине структуры толщинами. Период структуры d должен удовлетворять известному условию Брэгга:

2dncos0.

Здесь п — средний по периоду показатель преломления, 0 — угол падения, считая от нормали, кд — брэгговский порядок отражения. Для уменьшения рассеяния рентгеновского излучения шероховатости подложки и покрытия должны быть минимальными. Обычно удается добиться величины среднеквадратичной шероховатости <�т~1.5А [5]. В MP диапазоне периодические МЗ обладают узким спектром отражения с относительной шириной ДЛ/Л-0.01.0.1 и пиковым коэффициентом отражения вблизи нормального падения Л (Ло)~0Л .0.7 [3].

Многослойные рентгеновские зеркала позволили создать спектрографы [7−13], микроскопы [14,15] и телескопы [16−20] нормального падения, ранее существовавшие только в оптическом диапазоне спектра.

Изображающие МЗ позволили сфокусировать MP излучение лазерной.

10 1 плазмы до интенсивности -10 Вт/см [21], а излучение рентгеновского лазера 469 А) — до ~10п Вт/см2 [23]. Появление МЗ делает возможной проекционную рентгеновскую литографию, требующую высокого пространственного разрешения и большой светосилы для передачи изображения большой площади [24−26]. Технологические достижения и обзор применений многослойных рентгеновских зеркал дан в [21,22].

Значительные усилия направлены на создание рентгеновских лазеров. Создана установка на длине волны 469 А, работающая в импульсно-периодическом режиме (переход 35 xP-3p 'So в ионе Ar IX, столкновительное возбуждение в быстром капиллярном разряде) [27]. Продемонстрировано усиление на переходах 3s-3p большого числа неоноподобных и в ряде никелеподобных ионов (3с?Ap-3c?4d) в столкновительной схеме возбуждения в лазерной плазме (например, Х=22 А в Zn XXI [28], Х=100А Хе XXVII [29] и др.). В [30] достигнута значительная энергия лазерного импульса (5 мДж, Х,=155А, YXXX). В астрофизике MP излучение дополняет другие спектральные диапазоны, используется для получения информации о Солнце, звездах и других объектах. В спектроскопии и материаловедении MP излучение зачастую предоставляет единственную возможность получения информации об уровнях энергии многозарядных ионов и краях поглощения элементов.

Спектроскопия MP диапазона является одним из самых мощных способов диагностики плазмы. Она незаменима в исследованиях термоядерной плазмы, активной среды рентгеновских лазеров, астрофизической плазмы. В последние несколько лет интерес к спектроскопии MP диапазона обострился в связи с разработкой источника MP излучения для проекционной рентгеновской литографии. Предлагаются источники на основе лазерной плазмы [31−34], различные схемы электроразрядных источников [35−37].

Одной из целей настоящей диссертации является исследование и улучшение характеристик (оптимизация) так называемого чистого («безосколочного») источника мягкого рентгеновского излучения, возбуждаемого в импульсной струе ксенона. Такой источник компактен, не загрязняет окружающую оптику фрагментами мишени, может быть полезен в рефлектометрии, абсорбционной спектроскопии, а так же для лабораторных испытаний элементов системы проекционной рентгенолитографии на длине волны около 13.5 нм.

Импульсная струя газа в вакууме представляет интерес сама по себе, поскольку имеет множество применений — она может служить и мишенью, и источником атомов с регулируемой концентрацией, и средой для генерации гармоник. Подробно о применениях импульсной струи будет рассказано в Главе 2. Там же предложен оригинальный метод измерения распределения плотности такой струи, превосходящий по точности и чувствительности применяемые интерферометрические методы в видимом диапазоне.

Так же в работе продемонстрированы возможности современной многослойной оптики и проведен эксперимент по спектроскопическому исследованию взаимодействия импульсной струи инертного газа в вакууме с налетающей лазерной плазмой. Созданы условия, при которых основным процессом будет процесс перезарядки многозарядных ионов лазерной плазмы на атомах струи. Именно спектроскопическое наблюдение взаимодействия, в отличие от пучковых экспериментов, позволяет установить отношения парциальных сечений перезарядки.

В Главе 1 описывается экспериментальная установка — вакуумная камера «Икар», твердотельный лазер (к = 1.08 мкм, 0.4 Дж, 6 не) и оптикоспектральный комплекс для проведения измерений в мягком рентгеновском диапазоне, включающий в себя современные рентгенооптические компоненты. Дается характеристика таким элементам, как многослойные рентгеновские зеркала нормального падения (в том числе и широкополосные на основе апериодических структур), многослойные абсорбционные фильтры и дифракционные решетки на пропускание. Уделяется внимание детекторам MP излучения и показывается возможность проведения абсолютных измерений.

В Главе 2 исследовано распределение плотности в импульсной струе газообразного ксенона при истечении в вакуум через цилиндрическое и коническое (сверхзвуковое) сопла при различных давлениях стагнации. Измерения проводились по поглощению монохроматического мягкого рентгеновского (MP) излучения (X, = 13.6 нм), генерируемого при помощи лазерно-плазменного источника MP излучения наносекундного диапазона. Монохроматизация MP излучения и построение изображений струи «на просвет» (абсорбционных рентгенограмм) осуществлялось с помощью фокусирующих многослойных зеркал нормального падения. Измеренные абсолютные значения плотности и ее распределение находятся в хорошем согласии с расчетами.

В Главе 3 исследован чистый (безосколочный) источник мягкого рентгеновского излучения, возбуждаемый в импульсной струе Хе в вакууме импульсами неодимового лазера. Увеличена эффективность источника в области А,<15 нм за счет снижения фотопоглощения в периферических областях газовой струи при переходе к сверхзвуковому режиму истечения ксенона в вакуум, а так же несимметричном выборе точки фокусировки лазерного излучения. Зарегистрирован спектр источника в диапазоне 12.5 -25 нм. Определены его размеры, яркость и эффективность на длине волны 13.5 нм.

В Главе 4 исследовано взаимодействие струи газа (Не, Ne, Хе) с налетающей лазерной плазмой от удаленной (на ~1 см) твердотельной мишени (В, (СН2)П, CF4). В области взаимодействия «многозарядные ионы газ» зарегистрированы линейчатые спектры, возбуждаемые при перезарядке многозарядных ионов плазмы на атомах благородного газа. По относительным интенсивностям переходов серии Бальмера ионов В V и С VI определены отношения парциальных сечений перезарядки на возбужденные уровни этих ионов. Производилось сопоставление теоретических расчетов и экспериментальных результатов.

В Главе 5 рассматриваются апериодические многослойные структуры, приводится метод расчета их параметров и конструирования структур с заданными свойствами. Разработаны широкополосные многослойные зеркала, обладающие равномерным отражением почти в оетаве длин волн при нормальном падении излучения, на основе 238Uсодержащих апериодических структур. Кроме того, по имеющимся экспериментальным данным на длине волны 0.154 нм производилось восстановление структуры многослойных зеркал скользящего падения, состоящих их пар W/Si и W/B4C. Полученные структуры сравниваются с исходными, а так же с результатами восстановления, выполненными независимо другой группой.

В Заключении диссертации приводятся основные результаты работы и формулируются положения, выносимые на защиту.

Основные результаты, полученные в диссертации, следующие.

Разработан метод измерения плотности импульсной струи газа в вакууме по поглощению монохроматического MP излучения.

Зарегистрированы абсорбционные рентгенограммы установившегося течения ксеноновой струи для цилиндрического и конического (сверхзвукового) сопел, восстановленное по ним распределение плотности струи хорошо соответствует расчетному.

Исследован чистый «безосколочный» лазерно-плазменный источник MP излучения и существенно увеличена эффективность источника в области длин волн короче 15 нм за счет снижения фотопоглощения. Зарегистрирован спектр источника (12.5−25 нм) и определены его размеры и яркость на длине волны 13.5 нм.

Проведено спектроскопическое исследование взаимодействия разреженной лазерной плазмы со струей благородного газа в вакууме. Зарегистрированы линейчатые спектры взаимодействия и показано, что процесс перезарядки является основным механизмом возбуждения спектральных линий.

По относительным интенсивностям переходов серии Бальмера определены отношения парциальных сечений перезарядки на уровни ионов С VI и В V.

Выполнены расчеты широкополосных апериодических многослойных зеркал нормального падения на основе пар материалов 238U/C и 238U/B4C, обладающих равномерным коэффициентом отражения (7.5% в интервале 6.7−11.1 нм и 4% в интервале 4.4−7 нм).

Выполнено «восстановление» структуры широкополосного зеркала скользящего падения по измеренной зависимости коэффициента отражения на длине волны 0.154 нм от. Найденные суммы толщин соседних слоев согласуются с исходными. Найденная в результате восстановления многослойная структура сравнивается с результатами восстановления, полученными независимо другой научной группой.

Положения, выносимые на защиту.

• Метод измерения плотности импульсной струи ксенона по поглощению монохроматического излучения в MP области спектра.

• Оптимизация компактного лазерно-плазменного источника мягкого рентгеновского излучения, возбуждаемого в импульсной струе Хе в вакууме импульсами неодимового лазера. Увеличение выхода излучения при А, < 15 нм. Абсолютное измерение выхода рентгеновского излучения на длине волны 13.5 нм и измерение размеров светящейся области.

• Спектроскопическое исследование процессов перезарядки многозарядных ионов бора и углерода на атомах струи благородного газа (Не, Ne, Хе). Определение отношений парциальных сечений перезарядки на возбужденные уровни ионов В V и С VI.

• Расчеты широкополосных апериодических многослойных зеркал нормального падения на основе пар материалов 238U/B4C и U/C, обладающих равномерным коэффициентом отражения (7.5% в интервале 6.7−11.1 нм и 4% в интервале 4.4−7 нм).

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить глубокую благодарность своим соавторам и коллегам: В. Е. Асадчикову, И. JT. Бейгману, Г. М. Живлюку, В. Г. Капралову, Р. Корде, В. Е. Левашову, А. С. Пирожкову, Н. Н. Салащенко, П. В. Сасорову, И. Ю. Толстихиной, а также всем сотрудникам Кафедры квантовой радиофизики и Отделения оптики ФИАН за поддержку и интерес к работе.

Особую благодарность автор выражает научному руководителю Евгению Николаевичу Рагозину.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.