CC BY
74
УДК 539.124.18, 5535-34
ШЕВЕЛЬКО Александр Петрович, кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отделения оптики Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук. Автор 70 научных публикаций, в т.ч. одной монографии
НОВЫЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ МЕТОД
ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ ТЯЖЕЛЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Разработан новый спектроскопический метод определения электронной температуры плазмы тяжелых элементов, который основан на сравнении исследуемых спектров со спектрами хорошо диагностируемой лазерной плазмы. Этот метод успешно использовался для диагностики плазмы железа, образующейся в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора «2-МасЫпе» (БМЪ).
ВУФ и рентгеновская спектроскопия плазмы, 2-пинч, лазерная плазма
Вакуумно-ультрафиолетовые (ВУФ) спектры плазмы элементов с большим атомным номером Аг имеют сложную структуру и содержат много спектральных линий, принадлежащих ионам различной кратности ионизации. Это значительно затрудняет проведение спектроскопической диагностики такой плазмы. Однако именно эти спектры представляют огромный интерес для научных исследований, например спектры Мо и¥в плазме токамаков (материал диверто-ров [1, 2]), спектры W в плазме мощных Z-пин-чей (материал проволочных сборок [3]), спектры Бп в плазменных источниках, предназначенных для проекционной ВУФ литографии [4].
В новом методе определения электронной температуры Те плазмы тяжелых элементов Аг токах наносекундных импульсов на мишени
предлагается сравнивать исследуемые спект- электронная температура горячего ядра плаз-
ры со спектрами хорошо диагностируемой ла- мы зависит только от лазерного потока и слабо
зерной плазмы (рис. 1). зависит от атомного номера Аг мишени [5].
При этом используется важное свойство Диагностика лазерной плазмы проводится по
лазерной плазмы: при умеренных лазерных по- спектрам легких элементов, имеющих структу-
New Method of Те Determination
Рис. 1. Схема метода измерения Те
ру [Н]- и [Не]-подобных ионов, для которых методы измерения электронной температуры хорошо разработаны (см., например, [6, 7]). Спектры тяжелых элементов исследуются при тех же лазерных потоках на мишени, что и для легких элементов. Это позволяет приписать определенную температуру каждому спектру.
Этот метод успешно использовался для диагностики плазмы Fe, образующейся в конечном анод-катодном (A-К) промежутке сильноточного импульсного генератора «Z-Machine» в Национальной лаборатории Сандиа (Sandia National Laboratories (SNL), Albuquerque, New Mexico, USA) [8]. Установка «Z-Machine» в Национальной лаборатории Сандиа представляет собой один из самых мощных импульсных источников рентгеновского излучения на основе плазмы Z-пинча [9].
При пропускании тока -20 МА (длительность импульса 100 не) через вольфрамовые многопроволочные нагрузки генерируется импульс рентгеновского излучения мощностью свыше 200 ТВт и суммарным выходом вплоть до 1,8 МДж. В настоящее время такие источники излучения используются в самых различных экспериментах, в т.ч. 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. (см., например, [9, 10] и ссылки в них).
В будущем при оптимизации установок следующего поколения генераторов основная проблема состоит в том, что дальнейшее повышение мощности может приводить к короткому замыканию (short circuit) A-К промежутка на конечном участке транспортирующей линии. Это препятствует 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 A-К промежутка и происходящих в нем процессов, поэтому любая информация о коротком замыкании в A-К про-
межутке представляет огромный интерес. Для исследования этого эффекта проведена диагностика плазмы Fe (основного элемента электродов) [8], создаваемой в А-К промежутоке установки «Z-Machine».
Специфика экспериментов в SNL предъявляла серьезные требования к спектральной аппаратуре. Используемые приборы должны быть очень компактными и иметь широкий спектральный диапазон регистрации. Дополнительными требованиями являлись: защита от разрушения ударной волной и продуктами взрыва, разработка простой и надежной процедуры юстировки в вакуумной камере, защита от рентгеновского излучения основной нагрузки и от радиационного фона. Кроме ограниченного числа выстрелов, факторами, затрудняющими проведение экспериментов, также являлись малый пространственный угол наблюдения и большое расстояние между объектом и спектрометром.
Для проведения экспериментов в SNL были разработаны различные модификации компактных ВУФ спектрографов скользящего падения, которые удовлетворяли перечисленным выше требованиям. Конструктивно спектрографы состояли из металлического корпуса, в котором установлены входная щель, дифракционная решетка скользящего падения (радиус ^=1 м, угол скольжения 4°, 300 штр/мм, покрытие W/Re) и кассета для фотопленки. Данная геометрия позволяла регистрировать спектр в диапазоне Я=20-800 Ä с максимальным разрешением Ä/ÖÄ-100. В качестве детектора излучения использовалась фотопленка УФ-4. Благодаря использованию внероуландовской схемы регистрации удалось значительно упростить процедуру юстировки прибора. Ранее этот тип спектрографа успешно использовался для ВУФ диагностики лазерной плазмы [11] и плазмы капиллярного разряда [12].
Параллельно в Физическом институте имени П.Н. Лебедева РАН велась работа по исследованию спектров хорошо диагностируемой лазерной плазмы железа при различных условиях фокусировки лазерного излучения, и, соответственно, при различных параметрах плазмы.
Целью этих экспериментов являлась разработка методов диагностики плазмы по ВУФ спектрам Бе и сравнение этих спектров со спектрами плазмы в А-К промежутке установки «X-МасЫпе». При этом были приняты во внимание следующие обстоятельства и начальные условия. ВУФ спектры плазмы элементов с большим атомным номером Аг (для Бе А2=26) имеют сложную структуру и содержат много спектральных линий, принадлежащих ионам с различной кратностью ионизации. По этой причине методы определения электронной температуры по этим спектрам не были разработаны ранее. С другой стороны, спектры ионов с простейшей водородо- и гелиеподобной структурой ([Н]- и [Не]-подобные ионы) для элементов с низкими атомными номерами (Аг=6-15) хорошо исследованы и широко используются для измерения температуры плазмы в диапазоне значений Ге~100-1000 эВ (см., например, [6, 7]). И последнее, для разработки метода определения Те было использовано важное свойство лазерной плазмы: при умеренных лазерных потоках на-носекундных импульсов на мишени (д~1011-1014 Вт/см2) электронная температура горячего ядра плазмы зависит только от лазерного потока д {Ге(эВ)=6-10"4-д4/9} и слабо зависит от атомного номера Аг мишени (для 1< А2<1А) (см., например, [5]). Это вызвано взаимоком-пенсацией двух факторов: при фиксированной Те с увеличением А2 увеличиваются потери на ионизацию, но эти потери компенсируются увеличением поглощенной на один ион энергии лазерного излучения [5].
Таким образом, эксперименты включали исследование двух лазерных плазм, создаваемых при одних и тех же лазерных потоках д на и Бе мишенях. Рентгеновские спектры [Н]-и [Не]-подобных ионов использовались для измерения Те. Для регистрации спектров использовался фокусирующий кристаллический спектрометр, выполненный по схеме Гамоша [13, 14]. В спектрометре использовался кристалл слюды (2^=19,84 А) с радиусом изгиба 20 мм. Рентгеновский спектр регистрировался
с помощью абсолютно калиброванной ПЗС линейки (ТовЫЬа ТСБ 1304 АР). ВУФ спектры Бе исследовались при таких же потоках с помощью спектрографа скользящего падения в том же спектральном диапазоне (Я-20-800 А), что и в экспериментах на установке «7-МасЫпе». Эти эксперименты позволили приписать электронную температуру каждому спектру Бе в диапазоне температур Те -100-400 эВ, ожидаемых в плазме А-К промежутка установки «X-МасЫпе».
В результате экспериментальных исследований лазерной плазмы Бе можно было выделить три области спектра, чувствительных к температуре: структура спектра при высоком спектральном разрешении (спектральный диапазон Я-30-90 А), длина волны Ятахмаксимума распределения интенсивности в спектрах с низким спектральным разрешением, а также структура нулевого порядка. Структура спектра очень чувствительна к электронной температуре. При повышении температуры степень ионизации железа увеличивается, что приводит к сдвигу спектра в коротковолновую область. При этом оказывается, что длина волны Хтах, соответствующая максимуму интенсивности спектрального распределения, также чувствительна к электронной температуре Те. Экспериментальные и теоретические данные могут быть аппроксимированы формулой [8]
1п(Атах) = А х (1/Те) + В, (1)
где Хтах - длина волны Хтш. (в А), соответствующая максимуму интенсивности спектрального распределения,
Те - температура электронов в кэВ,
А яВ - константы (^4=0,082, #=3,82). Сравнение этих экспериментальных и теоретических данных, полученных для лазерной плазмы, с данными экспериментов на установке «2-МасЫпе», позволило определить температуру электронов в плазме А-К промежутка передающей линии. ВУФ спектры плазмы А-К промежутка в спектральном диапазоне 1=0-200 Е представлены на рис. 2.
Наблюдаемый максимум спектрального распределения интенсивности на длине волны ^тах - 70 А соответствует, согласно формуле (1), электронной температуре Ге=(200±40) эВ.
Новый метод, использованный для диагностики плазмы Бе, может быть распространен и на другие элементы. Особенности в ВУФ спектрах тяжелых элементов позволяют выделить узкие участки спектра, представляющие наибольший интерес для диагностики плазмы. Например, предварительные эксперименты [15, 16] показали, что структура и интенсивность спектров W и Мо в области Я-40-250 Е чувствительны к электронной температуре в области Ге=145 - 250 эВ. В будущем этот метод измерения Те предполагается распространить как на более низкие (Те -50 эВ), так и на более высокие значения температур, вплоть до Те =1,5 кэВ.
Список литературы
1. The measurement of the Intrinsic Impurities of Molybdenum and Carbon in the Alcator С-Mod Tokamak Plasma Using Low Resolution Spectroscopy/M.J. May, M. Finkenthal, S.P. Regan etal.//Nucl. Fusion. 1997. №37. P. 881-896.
2. Line analysis of EUV Spectra from Molybdenum and Tungsten Injected with Impurity Pellets in LHD / M.B. Chowdhuri, S. Morita, M. Goto etal. //Plasmas and Fusion Research: Regular Articles. 2007. № 2. P. S1060-1-5.
3. Tungsten Wire-array Z-pinch Experiments at 200 TW and 2 MJ / R.B. Spielman, C. Deeney, G.A. Chandler et al. II Phys. Plasmas. 1998. № 5. P. 2105-2116.
4. EUV Sources for Lithography / ed. Vivek Bakshi. Washington, 2006.
5. Лазерная плазма/О.Б. Ананьин, Ю.В. Афанасьев, Ю.А. Быковский, О.Н. Крохин. М., 2003.
6. ПресняковЛ.П. Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы//УФН. 1976. № 19, С. 49-74.
7. Вайнштейн Л.А., Сафронова У.И., УрновА.М. Диэлектронные сателлиты резонансных линий многозарядных ионов//Тр. ФИАН. 1980. № 119. С. 13-43.
8. ВУФ спектроскопия плазмы, создаваемой в конечном анод-катодном промежутке сильноточного импульсного генератора «Z-Machine» (SNL) / А.П. Шевелько, Д. Е. Блисс, Е. Д. Казаков и др. II Физика плазмы. 2008. №34 (11). С. 1021-1032.
9. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистких электронных пучков / Л.И. Рудаков, М.В. Бабыкин, А.В. Гордеев и др. М., 1990.
10. Pulsed-power-driven High Energy Density Physics and Inertial Confinement Fusion Research / M.K. Matzen, M.A. Sweeney, R.G. Adams et al. //Phys. Plasmas. 2005. № 12 (5). P. 55503-1-16.
11. Extreme Ultraviolet Spectroscopy of a Laser Plasma Source for Lithography / A.P. Shevelko, L.A. Shmaenok, S.S. ChurilovIIPhysica Scripta. 1998. № 57. P. 276-282.
12. Интенсивный источник ВУФ излучения на основе плазмы капиллярного разряда / И.И. Собельман, А.П. Шевелько, О.Ф. Якушев и др. II Квантовая электроника. 2003. № 33(1). С. 3-6.
13. Shevelko A.P. X-ray Spectroscopy of Laser-produced Plasmas Using a von Hamos Spectrograph II Proc. SPIE. 1998. 3406. P. 91-108.
14. 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. 73(10). P. 3458-3463.
Рис. 2. Спектр Ре плазмы, образующейся в конечном анод-катодном промежутке генератора «Ъ-МасЫпе» (7^=200 эВ)
15. EUVTransmission Grating Spectrometer for Absolute Intensity Measurements from 2 to 250 nm / S. Bergeson, N. Gray, M. Harrison et al. II Abstracts of2008 International Workshop on EUV Lithography, Maui, Hawaii, June 10-12, 2008, P. 38.
16. ВУФ спектрометр с пропускающей решеткой для абсолютных измерений интенсивностей в экстремально широком диапазоне спектра (1=2-250 нм) / О. Якушев, А. Шевелько, С. Бергесон и др. II Материалы совещания «Рентгеновская оптика - 2008», Черноголовка, 6-9 октября 2008 г. С. 84-85.
Shevelko Alexandr
NEW SPECTROSCOPIC METHOD FOR MEASURING TEMPERATURE IN PLASMAS OF HEAVY ELEMENTS
New spectroscopic method for measuring the electron temperature in plasmas of heavy elements is developed. The method is based on the comparison of the investigated spectra with the spectra in the well-diagnosed laser-produced plasmas. The method was successfully used for diagnostics of Fe plasmas created in the final Anode-Cathode gap of the “Z-Machine” high-current pulsed generator (SNL).
Контактная информация: e-mail\ shevelko@rambler.ru
Рецензент - Матвеев В.И., доктор физико-математических наук, профессор кафедры теоретической физики Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
