Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема получения и формирования мощных потоков мягкого рентгеновского излучения (м.р.и.)(10-300 А) имеет большое значение для целого ряда научно-технических задач, таких, как вопросы разрушающего воздействия м.р.и. на вещество (вплоть до получения плазмы), эмиссия частиц, рентгенолитография, рентгеновская микроскопия, . и т.д. Интерес к такого рода исследованиям обусловлен спецификой взаимодействия мягкого рентгеновского излучения с вещест-> вол. Для диапазона ыягкого рентгеновского излучения доминирующи механизмом поглощения в. веществе является фотоэффект, ' причем фотоны поглсдавтся электронами внутренних атомных оболочек. Поэтому м.р.и. представляет собой мощный инструмент для изучения строения ведества к воздействия на него. Для широкого круга уже: отмеченных исследовательских и технологических задач требуется источник м.р.и. со следующими характерными параметрами: перестраиваемая длина волны (1+20 нм), плотность потока 'энергии >10^т/ш*, возможность реализации частотного режима . " работы..При этой, в большинстве случаев, когерентность; излуче-' ния. не является необходимым условием. Анализ существующих ^источников м.р.п. показывает, что ни один из них не обладает * требуешш гара^траш. ч
; ' ;; Рентгеновская трубка, являющаяся наиболее простым и доступиш источником, на удовлетворяет перечисленным выше требованиям на по диапазону длин волн, ни по. возможностям перестройки длины волна, ни по плотности потока энергии излучения. Использование рентгеновского лазера на длине волны »200 А , являющегося одним из наиболее мощных импульсных источников м.р.и., требует чрезвычайно высокого вклада энергии для создания протявенноЯ (строчной) лазерной плазмы (л.п.). Требуемый вклад энергии таков, что создание рентгеновских лазеров возможно только на основе сверхмощных навдональных установок и практическое использование рентгеновских лазеров затруднено.
Интенсивно используются в практике также специализированные синхротронные источники м.р.и. Основными достоинствами синхротрона являются возможность перестройки длины волны излучения в широком диапазоне, непрерывный режим работы, высокая степень монохроматичности. Синхротронний источник обладает высокой средней мощностью излучения, однако получение плотностей потока энергии выше 10э+ ю'Вт/см1 с его помощью невозможна..В то. же время, синхротронные источники являются сложными и громоздкими установками. Однако, в последние десятилетия интенсивно развивались импульсные источники м.р.и. на основе'высокотемпературной плотной плазмы (лазерно-плазмённые, микропинчевые), которые, наряду с несомненными достоинствами, обладают и рядом недостатков. Эти источники отличаются высокой импульсной мощностью, широким спектром излучения, возможностью реализации частотного режима работы, компактностью, относительной простотой конструкции. Анализ характеристик л.п. и гшкропинчевого источника показывает, что потенциально они удовлетворяют поставленным требованиям. Однако их существенным недостатком являются интенсивные потоки продуктов разлета плазмы (ионы и нейтральные частицы), сопровождающие образование м.р.и. Возможны различные пути устранения интенсивных потоков частиц с сохранением других основных характеристик источника. Например, могут использоваться защитные фильтры или различные элементы рентгеновской оптики. Применение защитных фильтров оказалось неэффективным, поскольку фильтры существенно снижают интенсивность м.р.и. и ограничивают его спектр. Более эффективным представляется использование фокусирующей рентгеновской оптики, позволявшей не только устранить потоки частиц, но и получить высокую плотность потока энергии излучения на больших расстояниях от шіазш. К наиболее эффективным фокусирующим рентгенооптическим системам следует отнести зеркала на основе многослойных интерференционных структур (ШС) и волноводные системы на основе эффекта полного внешнего отражения. Анализ параметров л.п. источника, а также возможностей волоконно-оптической, техники показали, что в качестве фокусирующей рентгеновской оптики для целого ряда задач, в том числе,
рентгеновского микроскопа, целесообразно использовать волновод ную рентгенооптическую систему на основе эффекта полного внешнего отражения. Создание источника на базе лазерной плазмы и . волноводной рентгеновской оптики, удовлетворяющего перечисленным ранее требованиям, является актуальной задачей, которой и посвящена диссертационная работа. Целью работы является:
-
разработка и создание источника м.р.и. на основе совместного использования лазерно-плазменного источника и волноводной оптики м.р. диапазона;
-
экспериментальное исследование характеристик излучения на выходе такого источника;
3) разработка 'схемы построения рентгеновского микроскопа на .
основе лазерно-плазменного источника м.р.и.
Научная новизна работы.
-
Предложено использовать -лазерно-плазменный источник м.р.и. совместно с, волноводной оптикой ы.р. диапазона для создания источника м.р.и. с высокой плотностью потока энергии, свободного от потоков частиц.
-
Разработано, изготовлено и исследовано волноводное рентгено-оптическое устройство (концентратор) на основе эффекта полного внешнего отражения для транспортировки и концентрации м.р.и. специально для использования с, лазерной плазмой.
-
Экспериментально измзреш параметры излучения на выходе разработанного источника м.р.и.:. пространственное и спектральное распределения, энергетические характеристики; показано, что энергия м.р.и. на выходе источника достигает si.4 мДж/имп, плотность мощности «гіо'Вт/см*.
4. Впервые экспериментально измерены основные характеристики
фотоэлектронной гшссии, происходящей при воздействии мощного
м.р.и. с плотностью потока энергии »10вВт/смгна поверхности различных материалов.
Научно-практическая ценность работы.
1) Разработан и реализован способ построения мощных источников м.р.и. путем использования лазерной плазмы и волноводной фокусирующей рентгеновской оптики (концентратора).
Создаваемые источником пучки м.р.и. не сопровождаются потоками частиц и имеют плотности потока энергии «1 МВт/см* и выше.
-
Создана экспериментальная установка, представляющая собой источник м.р.и. на основе лазерной плазмы и волноводного рентгенооптического концентратора и включающая в себя: мощную лазерную систему на ш-стекле; ренггенооптический волноводный концентратор, используемый совместно с точечным л.п. источником; диагностический комплекс, позволяющий измерять параметры м.р.и.
-
Получены экспериментальные результаты по ' измерению энергетических и спектральных параметров м.р.и. на выходе источника. Показано, что полученная в эксперименте эффективность источника (отношение энерпш м.р.и. на выходе источника к энерпш лазерного излучения, создающего плазму) на і +'2 порядка превышает эффективность источников на основе лазерной плазмы и многослойной интерференционной рентгеновской оптики. Экспериментально исследованы процессы фотоэлектронной эмиссии с поверхности различных материалов под действием и.р.и. с ; плотностью потока энергии <*1 ЫВт/см3.
-
Экспериментально показано, что л.п. волноеодный источник м.р.и. может быть использован для исследования процессов взаимодействия м.р.и. с веществом, таких, как фотоэлектронная эмиссия, модафшшровние поверхностей и тонких пленок, И Т.Д.
-
Предложены возмознае схеш построения рентгеновского микроскопа на основе лазерно-плазиеняого волноводного' источника м.р.и. На основе полученных экспериментальных результатов показано, что параметра волноводного источника и.р.и, полностью соответствуют требованиям рентгеновской микроскопии.
Вклад автора. Изложенные в. работе результаты получены
автором лично или в соавторстве при его непосредственном учас
тии. ..." ''".
На защиту" выносятся: 1. Способ получения мощных пучков мягкого рентгеновского излучения путем фокусировки излучения лазерной плазмы волноводаой фокусирующей рентгеновской, оптикой (концентратором). Получаемые таким образом пучки м.р.и. не сопрововдаются потоками
-частиц и имеют плотность мощности» 1 МВт/см2 и выше.
. 2. Методика расчета оптимальных рентгеноолтических параметров
волноводного концентратора для получения высокоинтенсивных
пучков мягкого рентгеновского излучения при использовании
таких плазменных источников излучения, как лазерная.„плазма,
пинч, и т.д.
3. Экспериментальная установка, представляющая собой источник
м.р.и. на основе лазерной плазмы и волноводного рентгеноопти-
ческого концентратора; диагностически комплекс, позволяющий . измерять параметры м.р.и.
-
Результаты измерения параметров м.р.и. на выходе источника м.р.и. Показано, что источник создает пучок м.р.и. с плотностью потока до а гхіСЛЗт/см2, при минимальном размере области концентрации « 3 ммг, с, энергией «1.4 мДж/шш в диапазоне длин волн 90 + 130 к.
-
Результата исследования-процессов фотоэлектронной эмиссии под действием м.р.и. с плотностью потока энергии <*10Вт/см2.
-
Схема построения рентгеновского микроскопа на основе лазер-но-плазменного волноводного источника м.р.и;
Апробация работа.
Основные результата диссертационной работы докладывались
на I и II Всесоюзных скшозиумах по радиационной плазмодинами-
ке (п.Даан-Туган, 1S89 г.. п. Нацивёли, 1991 г.), и Всесоюз-
ном семинаре ."Физика, быстрспротекакцих плазменных'процессов"
(г.Гродно, 1989 г.), XV Мегвдународной Школе-Симпозиуме по
Физике Ионизованных Газов (XV SPIG, г.Дубровник, Югославия,
1990 г.). -':,.'""'"
Публикации. - По теме диссертации опубликовано 12 научных работ. - Объем и структура диссертации. диссертация состоиг из введения, пяти глав и заіогочеїшя. Общий объем диссертации составляет 156 страниц машинописного текста, включая зо рисунков и список литературы из 1 із наименований.
