Применение методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии для диагностики импульсных плазменных источников тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Казаков, Евгений Давидович

• Казаков, Евгений Давидович
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Казаков, Евгений Давидович

Введение.

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

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

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

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

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

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

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

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение методов рентгеновской и ВУФ спектроскопии для диагностики импульсных плазменных источников»

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

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

В данной работе предложено решение двух задач:

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

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

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

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

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

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Казаков, Евгений Давидович

Заключение.

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

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

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

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Казаков, Евгений Давидович, 2008 год

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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