Настоящая работа посвящается анализу результатов исследований рентгеновских спектров многозарядных ионов в высокотемпературной плазме. В ходе выполненной работы было зарегистрировано и идентифицировано свыше четырехсот спектральных линий многозарядных ионов цинка, фтора, меди, магния, алюминия и никеля в рентгеновском диапазоне. Эти результаты являются важными при создании рентгеновских лазеров, дают обширную возможность исследование физических процессов в высокотемпературной плазме.
Ключевые слова: многозарядный ион, высокотемпературная плазма, спектральная линия, рентгеновский диапазон, рентгеновский лазер.
In thе prеsеnt pаpеr hаs bееn аnаlyzеd thе rеsults оf rеsеаrch thе spеctrа оf multiply chаrgеd iоns in а high-tеmpеrаturе plаsmа. During thе wоrk hаs bееn rеgistеrеd аnd idеntifiеd mоrе thаn fоur spеctrаl linеs оf multiply chаrgеd iоns оf zinc, fluоridе, cоppеr, mаgnеsium, аluminum аnd nickеl in thе Х-rаy rаngе. Thеsе rеsults аrе impоrtаnt in crеаting Х-rаy lаsеrs, prоvidе аmplе оppоrtunity tо study physicаl prоcеssеs in thе high-tеmpеrаturе plаsmа.
Kеy wоrds: multiply chаrgеd iоn, high-tеmpеrаturе plаsmа, spеctrаl linе, Х-rаy rаngе, Х-rаy lаsеr
Введение. Потребность интерпретации спектроскопических характеристик атомов, находящихся в особых условиях, возник в основном по двум причинам. Во-первых, в экспериментах по исследованию возможности создания рентгеновских лазеров не обойтись без знания структуры электронных оболочек атомов. Кроме этого, изучения спектроскопических констант атомов, которые широко используется в различных направлениях науки и техники, является одним из важных направлений фундаментальной физики. Во-вторых, проведенные исследования в направлении управляемого термоядерного синтеза показали, что одним из наиболее точных, порой единственным методом диагностики высокотемпературной плазмы является рентгеноспектральная диагностика по интенсивностям спектральных линий многозарядных атомов. Такие характеристики излучений в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах, очевидно, недостаточны для понимания физических процессов, протекающих в высокотемпературной плазме.
Тем не менее, к настоящему времени подробно исследовались лишь К-спектры многозарядных ионов. Но L- и M-спектры многих электронов изучены пока гораздо хуже. Полностью отсутствуют спектроскопические данные для нескольких изоэлектронных последовательностей ряда элементов. Все вышесказанное делает важным изучение L- и M-спектров в диапазоне длин волн λ=5÷20 Ǻ. Сложность идентификации, связанная с большой плотностью спектральных линий в этом диапазоне, обязывает применять горячие источники с малыми размерами и светосильной регистрирующей аппаратурой.
Рентгеновские спектры излучения многозарядных ионов цинка. Были измерены длины волн и выполнена идентификация L-спектров многозарядных ионов цинка, полученных ранее в лазерной плазме [1]. Результаты этих измерений приведена денситограмма спектра излучения ионов цинка в окрестности резонансных линий 3C, 3D и 3Е неоноподобного иона ZnХХI (рис. 1). Как показывают расчеты [5], соответствующие им сателлитные переходы типа 2p–3d в cелом существенно интенсивнее, чем сателлиты линий 3А, 3В и 3F, 3G неоноподобного иона.
Рис. 1. Денситограмма спектра излучения ионов цинка ZnХХI
Рис. 2. Модельный спектр излучения (обозначен пунктиром) Nа-подобного иона ZnХХ и ZnХХI
Как видно из рис.1, наиболее интенсивные линии 3С (
) и 3 D (
) имеют растянутые длинноволновые крылья, образованные, по-видимому, спектрально неразрешающимися ди-электронными сателлитами с более высоких (
) дважды возбужденных уровней 
(
означает дырку в оболочке с n=2) натриеподобного иона. Подавляющее число изолированных линий рис. 1 надежно идентифицируется с переходами в кислородоподобном ионе ZnХХIII и фтороподобном ионе ZnХХII. Анализ рис. 1 показывает, что в рассматриваемом диапазоне длин волн имеет место именно такой сложный случай накладывающихся друг на друга линий, обусловленных переходами в различных ионах (в основном от натриеподобных до кислородоподобных).
На рис. 2 представлен модельный спектр излучения (обозначен пунктиром) Nа-подобного иона ZnХХ, соответствующий корональному распределению интенсивностей при температуре электронов 400 эВ. Составленный модель учитывает заселение автоионизационных уровней только за счет диэлектронного захвата, поскольку прямое возбуждение электронным ударом уровней 1s22s22p63l для сравнительно легких ионов цинка имеет существенное значение лишь в сильно недоионизованной плазме. Рис. 2 позволяет провести сопоставление модельного и экспериментального спектров, результат сопоставления представлен в таблице 1.
Несмотря на то, что точность совпадения длин волн предполагаемых пар модельного и экспериментального спектров в основном соответствует точности эксперимента, интенсивности линий не вполне описываются рассчитанным спектром; особенно это касается чрезмерно интенсивной линии 1.059 нм теоретического спектра. Ее интенсивность складывается из интенсивностей по крайней мере трех линий с теоретическими длинами волн 1.05886, 1.05888 и 1.05907 нм; возможно, расчеты дают слишком близкие длины волн и в действительности эта спектральная группа не столь компактна — ее интенсивность более “размазана” по оси длин волн.
Таблица 1
|
Номер на рис. 2. |
|
|
|
Номер на рис. 2. |
|
|
|
|
3С |
1.0457 |
1.0459 |
-0.2 |
10 |
1.0687 |
1.0684 |
0.3 |
|
1 |
1.0502 |
1.0501 |
0.1 |
11 |
1.0727 |
1.0726 |
0.1 |
|
2 |
1.0508 |
1.0507 |
0.1 |
12 |
1.0748 |
1.0748 |
0 |
|
3 |
1.0555 |
1.0556 |
-0.1 |
13 |
1.0763 |
1.07637 |
-0.4 |
|
4 |
1.0572 |
1.0570 |
0.2 |
14 |
1.0781 |
1.0781 |
0 |
|
5 |
1.0590 |
1.0590 |
0 |
15 |
1.0790 |
1.0792 |
-0.2 |
|
6 |
1.0614 |
1.0613 |
0.1 |
16 |
1.0810 |
1.0811 |
-0.1 |
|
7 |
1.0624 |
1.0622 |
0.2 |
17 |
1.0824 |
1.0825 |
-0.1 |
|
8 |
1.0639 |
1.0636 |
0.3 |
18 |
1.0831 |
1.0831 |
0 |
|
3D |
1.0667 |
1.0664 |
0.3 |
|
|
|
|
Рентгеновские спектры ионов FVIII и FIХ. Типичная спектрограмма содержащая спектральные линии Н- и Hе-подобных ионов FIХ, VIII, приведена на рис. 3.
Рис. 3. Спектры излучения лазерной плазмы фторопластовой мишени, зарегистрированные спектрографом с кристаллом CsАP
Рис. 2. Спектры излучения лазерной плазмы магниевой (а) и алюминиевой (б) мишеней, зарегистрированные спектрографом с кристалл-лом кварца.
Из рис. 3 видно, что на расстояниях r > 1 мм от мишени линии становятся очень узкими, их ширина 
не превосходит 2 пм. Оценки, выполненные для различных механизмов уширения, показывают, что наблюдаемая ширина не связана с характеристиками источника спектров, а является аппаратной, т. е. определяется шириной кривой отражения используемого кристалла CsАP [6]. Поскольку положение центра линии можно измерить с погрешностью ~ 0.1 , то предельно достижимая для данного спектрографа погрешность относительных измерений длин волн 
. Для реализации такой же точности абсолютных измерений необходимо иметь достаточно большое число узких реперных линий, длины волн которых известны с погрешностью, значительно меньшей, чем , Такими реперами могут быть спектральные линии, обусловленные переходами np→1s в Н- и Не-подобных ионах. При этом существенно, что эти областями плазмы, что и измеряемые, так что возможный доплеровский сдвиг, связанный с разлетом плазменного факела, не приведет к увеличению погрешности абсолютных измерений.
В качестве реперов (в таблице отмечены звездочками) использовались линии 1snp→1s2 Hе-подобного иона FVIII, теоретические значения длин волн которых, известные с погрешностью не хуже 
, были взяты из [7]. По реперным линиям строилась дисперсионная кривая спектрографа, для чего полиномом второго порядка по методу наименьших квадратов апроксиимировалось отклонение реальной дисперсионной кривой от идеальной, соответствующей схеме Иоганна. Из таблицы 2 видно, что отличие измеренных значений линий длин ионе F VIII от теоретических, во-первых, не превышает 0.25 пм и, во-вторых, уменьшается при увеличении r (линии становятся уже). Для r < 2 мм, например, расхождение экспериментальных и теоретических значений уже не превышает 0.1 пм, что дает относительную погрешность измерений 
. Примерно такую же точность следует ожидать и для результатов измерения длин волн сателлитов резонансной линии иона FIХ, также приведенных в таблице 2.
Таблица 2
Результаты измерений длин волн спектральных линий ионов FVIII, IХ, излучаемых областями разлетающейся лазерной плазмы, расположенными r от поверхности мишени; реперные линии отмечены звездочкой
|
Переход |
|
|
|
||
|
0.1
|
1.0 |
2.0 |
2.5 |
||
|
* 1s2p 3P1→1s2 1S0 2p2 1D2→1s2p 1P1 2p2 3P2→1s2s 3S1 2p2 1P1 →1s2s 1S0 2p 2P3/2, 1/2 →1s 2S1/2 * 1s3p 1P1→1s2 1S0 1s4p 1P1→1s2 1S0 1s5p 1P1→1s2 1S0 1s6p 1P1→1s2 1S0 * 1s7p 1P1→1s2 1S0 * 1s8p 1P1→1s2 1S0 |
1694.99 1528.5 1521.9 1515.7 1498.2 1445.80 1378.15 1348.90 1333.51 1324.39 1318.54 |
1695.0 1529.0 1521.6 1515.8 1498.3 1445.8 1378.4 1348.9 1333.5 1324.5 1318.3 |
1695.0 1529.1 1521.5 1515.9 1498.4 1445.8 1378.3 1348.8 1333.2 1324.4 1318.6 |
1695.0 1529.3 1521.4 1516.0 1498.1 1445.8 1378.2 1349.0 1333.4 1324.4 1318.5 |
1695.0 — — — 1498.1 1445.8 1378.2 1349.0 1333.4 — — |
В качестве примера на рис. 4 приведены спектры плазмы Mg и А1, зарегистрированные с помощью кристалла кварца ориентации [1010] (2d = 851.2 пм), установленного в схеме Иоганна при диаметре круга Роуланда 50 см. В отличие от описанных выше экспериментов, в данном случае для получения пространственного разрешения в направлении разлета плазмы кристалл был изогнут в виде сферы радиусом R = 50 см, Следует, однако, отметить, что такая точность может быть достигнута лишь для линий, эффективно излучаемых далекими от мишени областями плазмы (например, для линий, хорошо возбуждаемых в процессе рекомбинации), а для линий, излучаемых лишь примишенной областью, погрешность измерений будет несколько выше.
L-спектры многозарядных ионов Ni и Cu, образующихся в плазме Х-пинча. Для измерения длин волн L-спектров многозарядных ионов предложено использовать разлетающуюся рекомбинирующую плазму, образующуюся при взрыве металлических проволочек в проcессе разряда в сильноточном диоде. Tак, на [3] приведен типичный пример спектрограммы, полученной при взрыве проволочки алюминия (диаметр 35 мкм) в конфигурации Х-пинча с помощью спектрографа со сферически изогнутым кристаллом слюды. На спектрограммах и денситограммах, приведенных на рис.1 [3], хорошо различаются переходы типа 
для Nе-подобных ионов АlХII. Видно, что очень широкие в центре (в перекрестии проволочек) спектральные линии в процессе разлета ионов из перекрестья (из “горячей точки”) сильно сужаются. На расстоянии нескольких миллиметров от центра они становятся очень узкими, но при этом все еще достаточно интенсивными, что очень важно для измерений и идентификации их длин волн, высоких точностях.
Фотографии спектрограмм никеля и меди, полученных в нашем эксперименте, приведены на рис. 5, 6. Там же показаны денситограммы этих спектров. На них хорошо различаются яркие линии Nе-подобных ионов, длины волн которых были ранее с хорошей точностью измерены в экспериментах с лазерной плазмой [2], поэтому при обработке спектрограмм мы использовали их в качестве реперов.
Рис. 5. Спектрограмма (а) и денситограмма (б) спектров многозарядных ионов Ni в плазме Х-пинча
Рис. 6. Спектрограмма (а) и денситограмма (б) спектров многозарядных ионов Cu в плазме Х-пинча
На спектрограммах отчетливо проявляется отмеченная выше особенность Х-пинчевых спектрограмм — сильное сужение линий на периферии спектра, что позволило определить относительные координаты линий с максимальной точностью никеля и меда.
Особенно это касается линий, принадлежащих сателлитным линиям Nа-подобных ионов. Для их окончательной идентификации требуется детальный кинетический анализ заселения и распада уровней различных ионов с привлечением экспериментальных интенсивностей спектральных линий.
Заключение. В настоящей работе приведены результаты систематических исследований спектров многозарядных ионов в высокотемпературной плазме, включающее в себя развитие методов возбуждения и регистрации спектров ионов различной кратности с потенциалами ионизации Еi > 1 кэВ. При выполнении данной работы было зарегистрировано и идентифицировано свыше четырехсот спектральных линий многозарядных ионов цинка, фтора, меди и никеля в рентгеновском диапазоне. Эти результаты являются важными для таких направлений, как: возможность создания рентгеновских лазеров, исследование физических процессов в высокотемпературной плазме.
Литература:
1. V. А. Bоikо, S. А. Pikuz, А.Yа. Fаеnоv. J. Quаnt. Spеctrоsc. Rаd. Trаnsfеr., 19, 11 (1978).
2. В. А. Бойко, В. Г. Пальчиков, И. Ю. Скобелев, А. Я. Фаенов. Рентгеновская спектроскопия многозарядных ионов. –M.: Энергоатомиздат, 1988.
3. Х. М. Мадаминов, С. З. Зайнабидинов, Н. Маткаримова, Ш. А. Эрматов, Ж.Қаҳҳоров. Изучения внутренней электронной структуры атомов твердых тел, с помощью лазеров. Материалы Республиканской научно-технической конференции “Физика конденсированных сред и актуальные задачи материаловедения”, Фергана, 2014 г., стр. 38–39.
4. W. C. Mаrtin. Phys. Scriptа, 24, 725 (1981).
5. J. Ilsеn Аtоmic Dаtа аnd Nuclеаr Dаtа Tаblеs, 41, 131 (1989).
6. В. А. Бойко, Б. А. Брюнеткин, А. Б. Гильварг и др. ПТЭ, 6, 179 (1983).
7. В. А. Бойко, В. Г. Пальчиков, И. Ю. Скобелев, А. Я. Фаенов. Спектроскопические константы атомов и ионов. — М.: Изд-во стандартов, 1988.
