Исследовательская группа профессоров Тихиро Судзуки и Изуми Мураками в Национальном институте термоядерного синтеза вместе с профессором Фумихиро Койке из Софийского университета вводила различные элементы с высокими атомными номерами и производила высокозаряженные ионы (1) в плазме LHD. Измерив спектр излучения в крайнем ультрафиолетовом диапазоне длин волн, они обнаружили новую спектральную линию, ранее не наблюдавшуюся экспериментально. Этот результат важен не только для фундаментальных научных исследований, он также является полезными фундаментальными данными для прикладных исследований плазмы, таких как разработка источников света для литографии в экстремальном ультрафиолетовом диапазоне (2). Этот результат исследования был представлен в приглашенном докладе на 43-й конференции Европейского физического общества по физике плазмы, которая проходила с 4 по 8 июля 2016 г.
Среди элементов с высоким атомным номером от пятого периода и выше в таблице Менделеева (например, олово, золото и др.) также много элементов, чей полный вид спектра неизвестен в периодической системе. плазма. Поскольку для генерации сильно заряженных ионов необходима высокая энергия, когда многие электроны были лишены, экспериментальные устройства, которые могут генерировать сильно заряженные ионы, ограничены. Далее, есть даже ионы, у которых длины волн спектральных линий, предсказываемые теорией, являющиеся фундаментальными физическими величинами, не подтверждены экспериментом. В число этих элементов входят вольфрам, примесь, которая является важным элементом для Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), а также элементы олова и лантанидов в качестве возможных кандидатов на использование в качестве источников света для литографии EUV. Для этих сильно заряженных ионов требуется дальнейшая экспериментальная проверка теоретической модели.
В поисках энергии синтеза во всем мире активно ведутся исследования по удержанию высокотемпературной плазмы магнитным полем. Однако примеси, попавшие в высокотемпературную плазму, становятся сильно заряженными ионами. В этом процессе энергия, полученная от плазмы, излучается в виде света и вызывает понижение температуры. Поскольку LHD может стабильно удерживать высокотемпературную плазму в течение длительного периода времени и допускает большое количество примесей, он намеренно допускает попадание примесей в плазму. Это полезно для исследования спектра излучения высокозаряженных ионов.
Мы используем инкапсулированную твердую таблетку Tracer (TESPEL)(3), разработанную для исследования поведения примесей в высокотемпературной плазме. Олово, гадолиний, вольфрам, золото, висмут и другие элементы, находящиеся в пятом и шестом периодах таблицы Менделеева, инкапсулировались в таблетки, которые инжектировались в высокотемпературную плазму LHD. С помощью вакуумного ультрафиолетового спектрометра Grazing Incidence (4) систематически наблюдалось излучение света в крайнем ультрафиолетовом спектре (длина волны около 1-15 нанометров). Контролируя мощность нагрева после инжекции гранул, от состояния высокой (>2 кэВ) температуры электронов до состояния пустоты, в котором температура ядра становится равной нулю, мы успешно получили спектр в этом широком диапазоне температур. В результате, реагируя на изменение температуры, мы наблюдали резкие изменения. И как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных случаях наблюдались доминирующие спектральные линии высокозаряженных ионов. Среди них, касающиеся спектральных линий тербия, гольмия и тулия (атомные номера 65, 67 и 69), впервые в мире подтверждены экспериментально. Есть спектральные линии, которые хорошо соответствуют теоретически предсказанным длинам волн, и линии спектра, которые немного смещаются, и это полезные данные для проверки теоретических расчетов.
Результаты этих исследований по обнаружению новых спектральных линий, которые до сих пор экспериментально не наблюдались, значимы не только для фундаментальных исследований, они могут быть значимы даже для определения фундаментальных направлений некоторых прикладных исследований плазмы. В результате этого исследования две трети элементов с атомным номером от 50 до 83 были исследованы в LHD, и была составлена систематическая экспериментальная база данных. Среди этих элементов продвигаются исследования олова, гадолиния, тербия и других элементов в качестве плазменных источников света для использования в литографии EUV для проводников следующего поколения. Кроме того, золото и висмут становятся кандидатами в качестве источников света для высококонтрастных биомикроскопов, использующих так называемый диапазон водного окна (5). Вольфрам как материал стенок ИТЭР необходим для понимания механизма испускания света ионами в плазме. База данных экспериментов, полученная в результате этого исследования, предоставит фундаментальные данные, полезные для повышения точности моделирования.
Объяснение терминологии: (1) Сильно заряженные ионы: Ионы, в которых многие электроны лишены нейтральных атомов. Они существуют в высокотемпературной плазме, такой как термоядерная плазма и солнечная корона. Из-за сильной кулоновской силы ядра эти ионы демонстрируют характеристики, отличные от характеристик нейтральных атомов или ионов с низким зарядом.
(2) Литография в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUV): технология изготовления полупроводников, при которой мельчайший рисунок схемы переносится на кремниевую пластину с использованием света в крайнем ультрафиолетовом диапазоне (EUV). В той мере, в какой длина волны короткая, можно воспроизвести мельчайший узор. В настоящее время разрабатывается технология литографии, использующая длину волны 13,5 нанометров из оловянной плазмы.
(3) Твердая таблетка, инкапсулированная трассером (TESPEL): она была разработана в Национальном институте термоядерной науки, чтобы понять поведение примесей в высокотемпературной плазме. Внутри полой сферы из полистирола находится твердый предмет-примесь, вставленный в виде шарика. TESPEL вводится в плазму с помощью инъекционного устройства. Примесь инжектируется непосредственно в плазму вблизи активной зоны.
(4) Вакуумный ультрафиолетовый спектрометр скользящего падения: Спектрометр, используемый в диапазонах длин волн примерно от одного до пятнадцати нанометров, которые не пропускают свет в воздухе. Устройство, которое разделяет свет на каждую длину волны, обычно называют спектрометром. Устройство носит такое название, потому что в этом диапазоне длин волн устройство находится в вакууме и свет должен вводиться под очень малым углом.
(5) Водяное окно: Диапазон длин волн от 2,3 до 4,5 нм, расположенный между краями поглощения характеристического рентгеновского излучения кислорода и углерода. Он называется так потому, что свет в этом диапазоне непрозрачен по отношению к белкам, происходящим в основном из кислорода, однако по отношению к воде он прозрачен. Поскольку живой организм в основном состоит из белков и воды, если мы используем свет в этом диапазоне, то считается, что живые организмы можно легко наблюдать благодаря высокой контрастности. Требуется разработка высокоэффективных источников света для использования в микроскопах.