ЖЭТФ, 2022, том 162, вып. 3 (9), стр. 440-443

ИНВЕРСНАЯ ЗАСЕЛЕННОСТЬ УРОВНЕЙ Ar VIII В ПЛАЗМЕ

БЫСТРОГО КОНИЧЕСКОГО РАЗРЯДА

П. С. Анциферов^*, Л. А. Дорохин, К. Н. Кошелев

Институт спектроскопии Российской академии наук

108840, Троицк, Москва, Россия

Поступила в редакцию 29 марта 2022 г.,

после переработки 29 марта 2022 г.

Принята к публикации 5 мая 2022 г.

Быстрый разряд (скорость нарастания тока ∼ 10¹² А/с) через диэлектрическую полость, заполненную ра-

бочим газом, приводит к образованию ударной волны, которая сходится от внутренней стенки разрядной

полости к оси разряда. Специфика кумуляции такой ударной волны в конической полости обеспечивает

пространственный контакт горячей плазмы и холодного рабочего газа (аргона в настоящей работе), что

приводит к эффективной перезарядке ионов Ar IX, возникающих в горячей области, на нейтральных ато-

мах аргона. В работе демонстрируется наличие стимулированного излучения на переходах 3p-9d в Ar VIII

(длина волны 10.78 нм). Такой вывод делается на основе изучения зависимости интенсивности линии

от числа последовательно соединенных конических разрядных полостей. Результат может представлять

интерес для разработки новых источников EUV-излучения.

DOI: 10.31857/S0044451022090188

метром 0.2 мм и длиной до 200 мм [3, 4]. Простран-

EDN: EMDOTT

ственное распределение горячей плазмы, возникаю-

щей в момент кумуляции сходящейся к оси разря-

да ударной волне, определяется геометрией внут-

1. ВВЕДЕНИЕ

ренней стенки разрядной полости. Так, используя

периодически профилированную внутреннюю стен-

Быстрые разряды в цилиндрической полости

ку цилиндрической поверхности, можно получить

(капиллярные разряды) привлекли к себе внима-

плазму с пространственной модуляцией плотности

ние в связи с задачей создания лазеров в мягком

вдоль оси разряда [6], а в случае быстрого разряда

рентгеновском диапазоне [1-4]. В условиях нараста-

в полости, имеющей форму сферического сегмента,

ния разрядного тока со скоростью порядка 10¹² А/с

можно получить сферическую плазму [7].

происходит скинирование разрядного тока на внут-

ренней стенке цилиндрической разрядной полости

Особенностью генерации плазмы в конической

и образование сходящейся к оси разряда ударной

разрядной полости является видимое движение

волне [5]. В возникающей в результате кумуляции

вдоль оси разряда точки кумуляции ударной вол-

неравновесной плазме появляется инверсная засе-

ны, см. рис. 1. В работах [8, 9] это явление было

ленность перехода 3s-3p в неоноподобном аргоне

исследовано с использованием аргона при давлении

за счет столкновительных переходов из основного

80 Па в качестве рабочего газа. В EUV-спектрах

состояния. В процессе движения фронта ударной

(Extreme Ultra Violet) излучения такой плазмы

волны разрядный ток «отстает» от нее и в течение

наблюдается линия с длиной волны

10.78

нм,

некоторого времени остается сконцентрированным

интенсивность которой сравнима с полной ин-

у внутренней стенки капилляра вследствие скин-

тенсивностью спектра в EUV-области, см. рис. 2

эффекта [5]. Это приводит к отсутствию магни-

(спектрограмма рис.

получена в представляе-

тогидродинамических неустойчивостей в возникаю-

мых экспериментах, см. ниже). Линия 10.78 нм

щей горячей плазме, что дает возможность полу-

возникает в промежутке времени

∼

20-70

нс

чить практически идеальный столбик плазмы диа-

от момента начала разряда. С помощью простран-

ственно разрешенных спектров было показано, что

^* E-mail: ants@isan.troitsk.ru

эта спектральная линия излучается компактной

440

ЖЭТФ, том 162, вып. 3 (9), 2022

Инверсная заселенность уровней Ar VIII в плазме. ..

верхнего уровня была предложена перезарядка нео-

ноподобных ионов Ar IX, возникающих в горячей

области, на нейтральных возбужденных атомах

аргона [8, 9]. Непрерывное во времени перемещение

горячей области вдоль оси разряда может создать

условия постоянного контакта горячей плазмы

с холодным рабочим газом, что вызовет эффектив-

ную перезарядку. В возникающей таким образом

неравновесной плазме может возникнуть инверсная

заселенность уровня 9d иона Ar VIII относительно

уровня 3p. В настоящей работе делается попытка

обнаружения такой инверсной заселенности. Основ-

ная идея описываемых экспериментов заключается

Рис. 1. Быстрый конический разряд: 1 — коническая раз-

в создании разрядной полости в виде нескольких

рядная полость, 2 — разрядный ток, 3 — фронт ударной

последовательно соединенных конических элемен-

волны, 4 — горячая плазма в точке кумуляции ударной

тов и в изучении зависимости энергии в линии

волны

10.78 нм от их количества. На рис. 3 приведен чер-

теж такой разрядной полости, состоящей из двух

последовательно соединенных элементов. В случае

наличия инверсной заселенности можно надеяться

увидеть нелинейность зависимости энергии линии

от числа конических элементов.

2. ЭКСПЕРИМЕНТ

Разрядный контур построен на основе индук-

тивного накопителя с полупроводниковым размы-

кателем [10]. Разрядная полость заполнялась арго-

ном при давлении 80 Па. Для устойчивой генерации

ударной волны требуется кондиционирование раз-

рядной полости посредством нескольких десятков

разрядов с ксеноном в качестве рабочего газа при

том же давлении. Такая процедура очищает внут-

Рис. 2. EUV-спектрограмма быстрого конического разряда

реннюю стенку разрядной полости от адсорбирован-

ного из атмосферы вещества. Разрядная полость от-

областью горячей плазмы [9]. Наблюдаемая дли-

делена от диагностического объема электромехани-

на волны близка к длине волны перехода 3p-9d

ческим затвором с временем открытия 3-10 мс. Ти-

в ионе Ar VIII. В качестве механизма заселения

пичная кривая разрядного тока приведена на рис. 4.

Скорость нарастания разрядного тока составляла

величину приблизительно 0.5 · 10¹² А/с.

Для получения EUV-спектров использовался

QFF (quasi flat field) спектрометр скользящего

падения [11]. Эффект плоского поля (поверхность

фокусировки нормальна к лучу зрения) здесь

достигается на обычной сферической дифракцион-

ной решетке с эквидистантными штрихами путем

смещения спектральной щели внутрь окружности

Роуланда. Геометрические параметры спектромет-

ра: радиус кривизны решетки R = 1 м, плотность

Рис. 3. Чертеж разрядной полости с двумя коническими

штрихов 1/d = 1200 штр./мм, входной угол сколь-

элементами

жения 4^◦, расстояние между входной щелью и цен-

441

10*

П. С. Анциферов, Л. А. Дорохин, К. Н. Кошелев

ЖЭТФ, том 162, вып. 3 (9), 2022

ответствуют значениям максимального разрядного

тока I_max = 20 кА (график a) и I_max = 16 кА (гра-

фик b). Максимум разрядного тока I_max (см. рис. 4)

достигается уже после того, как произошло излу-

чение линии 10.78 нм. Значение интервала ошибки

на рис. 5 соответствует уровню 3σ статистического

разброса измерений. Видно примерно 30-процентное

увеличение измеренного сигнала для случая шести-

элементной рабочей полости по сравнению с экстра-

полированным линейным ростом сигнала, построен-

ным на основании данных для двухэлементной раз-

рядной полости. Эффект зависит от максимального

разрядного тока, снижение I_max от 20 кА до 16 кА

приводит к исчезновению нелинейного поведения

интенсивности линии Ar VIII 3p-9d.

Рис. 4. Пример кривой разрядного тока

тром решетки 33 мм, расстояние от центра решетки

до плоскости регистрации 320 мм. Спектрограмма,

приведенная на рис. 2, получена с шириной входной

щели 15

мкм. В качестве детектора излучения

использовался регистратор на основе микроканаль-

ной пластины (МКП). Спектрограмма получена

с экспозицией 20 нс в момент времени 50 нс после

начала разрядного тока. Спектральные линии

идентифицированы согласно данным [12]. Самая

интенсивная линия на спектрограмме интерпре-

тируется как результат перезарядки иона Ar IX,

приводящей к заселению уровня 9d в ионе Ar VIII.

Временной масштаб свечения линии 3p-9d Ar VIII

составляет величину порядка нескольких десятков

наносекунд, что совпадает со временем существо-

Рис. 5. Зависимости измеренной энергии излучения пере-

вания горячей области при кумуляции конической

хода 3p-9d Ar VIII от числа конических элементов разряд-

ударной волны [8, 9].

ной полости: Imax = 20 кА (a), 16 кА (b)

Энергия излучения перезарядочной спектраль-

ной линии измерялась с помощью фотодиода

SXUV

100

в режиме интегрирования сигнала

Можно сделать оценку полной энергии, излу-

по времени. Перед чувствительной площадкой

ченной в рассматриваемой спектральной линии. Ис-

пользуя технические данные фотодиода SXUV 100,

фотодиода была установлена выходная щелевая

диафрагма для выделения излучения изучаемой

получаем, что уровень сигнала в 40 мВ (максималь-

ная точка кривой a на рис. 5) соответствует энер-

линии. Эффективная ширина диафрагмы, пересчи-

танная в длины волн, составляла 0.15 нм. Входная

гии 2.4 · 10-9 Дж. Эффективный телесный угол ре-

гистрируемого излучения определяется спектраль-

щель спектрометра была увеличена с

мкм

до 50 мкм для увеличения уровня сигнала.

ной щелью спектрометра и составляет величину

1.2·10-6 ср. Имея в виду, что нелинейная часть пол-

ной интенсивности невелика и составляет величи-

3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

ну порядка 30 %, можно пренебречь угловой анизо-

тропией излучения и получить оценку полной энер-

На рис. 5 показаны зависимости измеренного

гии линии Ar VIII 3p-9d, излученной в 4π ср, как

сигнала с фотодиода SXUV 100 от числа конических

W = 2 · 10-3 Дж. Реальное значение может быть

элементов разрядной полости (на рис. 3 показан ва-

в 2-3 раза больше, так как в приведенной оценке

риант двух конических элементов). Два графика со-

не учитывается эффективность решетки.

442

ЖЭТФ, том 162, вып. 3 (9), 2022

Инверсная заселенность уровней Ar VIII в плазме. ..

Для оценки величины коэффициента усиления

ЛИТЕРАТУРА

необходима информация об эффективной длине сре-

B. R. Benware, C. H. Moreno, D. J. Burd, and

ды. EUV-обскурограммы разрядной плазмы, по-

J. J. Rocca, Opt. Lett. 22, 796 (1997).

лученные с временным разрешением 10 нс с ис-

пользованием МКП-детектора [8, 9], дают верхнюю

B. R. Benware, C. D. Macchietto, C. H. Moreno, and

оценку размера горячей области вдоль оси разря-

J. J. Rocca, Phys. Rev. Lett. 81, 5804 (1998).

да l ≈ 2 мм. В нашем случае разрядная полость

содержала шесть конических сегментов и произве-

J. J. Rocca, Rev. Sci. Instr. 70, 3788 (1999).

дение kl оценивается как kl ≈ 0.3. Отсюда вытекает

оценка k ≈ 0.3 см-1. Существенное влияние на ве-

C. D. Macchietto, B. R. Benware, and J. J. Rocca,

Opt. Lett. 24, 1115 (1999).

личину k должна оказывать ширина линии, которая

в нашем случае довольно большая и составляет ве-

Н. А. Боброва, С. В. Буланов, Т. Л. Разинкова,

личину λ/δλ ≈ 50. Возможным механизмом ушире-

П. В. Сасоров, Физика плазмы 22, 387 (1996).

ния может быть перезарядка с переносом двух элек-

тронов [13]. При этом наблюдаемый профиль явля-

P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, K. N. Koshelev, and

ется результатом переналожения массива линий ви-

A. V. Nazarenko, J. Phys. D: Appl. Phys. 37, 2527

да 3pnl-9dnl.

(2004).

4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

P. S. Antsiferov and L. A. Dorokhin, Phys. Plasmas

21, 042119 (2014).

В работе изложены результаты изучения горя-

чей плазмы, возникающей в результате кумуля-

P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, and K. N. Koshelev,

ции конической ударной волны в быстром разря-

J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 165601 (2018).

де. Благодаря эффективному движению точки ку-

P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, and K. N. Koshelev,

муляции вдоль оси разряда, возникают условия для

Phys. Rev. E 100, 023204 (2019).

существования нестационарной заселенности уров-

ней Ar VIII в плазме в течение нескольких десят-

10.

P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, Yu. V. Sidelnikov,

ков наносекунд. Пространственный контакт горя-

and K. N. Koshelev, J. Appl. Phys.

105, 103305

чей плазмы в точке кумуляции и холодного рабо-

(2009).

чего газа (аргон 80 Па) приводит к перезарядке

ионов Ar IX и возникновению инверсной заселенно-

11.

P. S. Antsiferov, L. A. Dorokhin, and P. V. Krainov,

сти между уровнями 3p и 9d иона Ar VIII. Такой вы-

Rev. Sci. Instr. 87, 053106 (2016).

вод делается из наличия усиления на переходе 3p-9d

иона Ar VIII с коэффициентом k ≈ 0.3 см-1. Воз-

12.

A. Kramida, Yu. Ralchenko, J. Reader, and

NIST ASD Team (2013). NIST Atomic Spec-

можное использование описываемого разряда в ка-

tra Database (ver.

5.1), online.

Available:

честве источника EUV-излучения предполагает оп-

http://physics.nist.gov/asd [2013, October 24]. Na-

тимизацию по величине разрядного тока, давлению

tional Institute of Standards and Technology,

рабочего газа и геометрическим параметрам разряд-

Gaithersburg, MD.

ной полости (угол конуса, диаметр и длина).

Благодарности.

Авторы

благодарны

13.

F. B. Rosmej, A. Ya. Faenov, T. A. Pikuz, A. I. Ma-

В. М. Кривцуну за техническую помощь.

gunov, I. Yu. Skobelev, T. Auguste, P. D’Oliveira,

Финансирование. Работа была выполнена

S. Hulin, P. Monot, N. E. Andreev, M. V. Chegotov,

в рамках общего бюджета Института спектроско-

and M. E. Veisman, J. Phys. B: Atom. Mol. Opt.

пии Российской академии наук.

Phys. 32, L107 (1999).

443