Рентгеновские спектры многозарядных ионов в высокотемпературной лазерной плазме | Статья в журнале «Молодой ученый»

Библиографическое описание:

Зайнабидинов С. З., Маткаримова Н. Б., Мадаминов Х. М., Эрматов Ш. А. Рентгеновские спектры многозарядных ионов в высокотемпературной лазерной плазме // Молодой ученый. — 2015. — №9. — С. 48-53. — URL https://moluch.ru/archive/89/17942/ (дата обращения: 22.06.2018).

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.

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.

Основные термины (генерируются автоматически): ион, высокотемпературная плазма, линия, FVIII, многозарядный ион цинка, лазерная плазма, длина волн, VIII, рентгеновский диапазон, экспериментальный спектр.


Ключевые слова

многозарядный ион, высокотемпературная плазма, спектральная линия, рентгеновский диапазон, рентгеновский лазер

Похожие статьи

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

1.4 Излучение плазмы. Плазма по своей структуре способна излучать, представляется в виде электромагнитных волн, длина которых может достигать от радиоволн до волны

С его помощью были определены интенсивные линии экспериментального спектра. Литература

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

Таким образом, исследованием масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и ядер атома Ве в интервале плотности мощности излучения лазера q =1091012 Вт/см2 установлено формирование зарядового спектра ядер Ве4+ лазерной плазмы.

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Рис. 1. Вакуумно-дуговой источник плазмы. Для определения интенсивности линий и длины волны, снимались спектральные характеристики дугового разряда в диапазоне от 350 до 950 нм.

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Экспериментальная часть. Для получения наночастиц оксида цинка на межфазной поверхности нами выбран известный метод наноструктурирования твердого тела в импульсной плазме, создаваемой в жидкостях.

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм.

− тормозное излучение свободного электрона в поле иона

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Пунктирная линия показывает температуру плавления частиц. Из рис. 1 видно, что в диапазоне τ = 10−11–10−10 c максимальная температура меняется

Наиболее важная из них — смещение центра провала в коротковолновую область спектра относительно лазерной длины волны.

Управление технологическими процессами с помощью магнитных...

– вакуумно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции (дуговой разряд).

Постепенно снижая диапазон рабочих давлений, снижая показатель напряжения на

Величина влияния магнитного поля на заряженные частицы электроны и ионы сильно различна.

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

На рис. 3 приведены спектры ХПЭ для кремния, имплантированного ионами Ва+ с энергией 0,5 кэВ с различной дозой облучения.

Это смещение на рис.3 показано вертикальными пунктирными линиями.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle

Похожие статьи

Исследование и моделирование спектров излучения газового...

1.4 Излучение плазмы. Плазма по своей структуре способна излучать, представляется в виде электромагнитных волн, длина которых может достигать от радиоволн до волны

С его помощью были определены интенсивные линии экспериментального спектра. Литература

Исследование спектра ядер атома Ве с помощью...

Таким образом, исследованием масс-зарядовых спектров многозарядных ионов и ядер атома Ве в интервале плотности мощности излучения лазера q =1091012 Вт/см2 установлено формирование зарядового спектра ядер Ве4+ лазерной плазмы.

Определение параметров плазмы по сравнительному анализу...

Рис. 1. Вакуумно-дуговой источник плазмы. Для определения интенсивности линий и длины волны, снимались спектральные характеристики дугового разряда в диапазоне от 350 до 950 нм.

Фотокаталитические свойства наноразмерного оксида цинка...

Экспериментальная часть. Для получения наночастиц оксида цинка на межфазной поверхности нами выбран известный метод наноструктурирования твердого тела в импульсной плазме, создаваемой в жидкостях.

Излучение атома и плазмы | Статья в журнале «Молодой ученый»

Фактически все спектры излучения атома располагаются в видимых и ультрафиолетовых областях, длина волны которых достигает от 200 до 1190 нм.

− тормозное излучение свободного электрона в поле иона

Оптодинамические эффекты в системах связанных плазмонных...

Пунктирная линия показывает температуру плавления частиц. Из рис. 1 видно, что в диапазоне τ = 10−11–10−10 c максимальная температура меняется

Наиболее важная из них — смещение центра провала в коротковолновую область спектра относительно лазерной длины волны.

Управление технологическими процессами с помощью магнитных...

– вакуумно-дуговой источник плазмы коаксиальной конструкции (дуговой разряд).

Постепенно снижая диапазон рабочих давлений, снижая показатель напряжения на

Величина влияния магнитного поля на заряженные частицы электроны и ионы сильно различна.

Экспериментальные и теоретические исследования влияния...

На рис. 3 приведены спектры ХПЭ для кремния, имплантированного ионами Ва+ с энергией 0,5 кэВ с различной дозой облучения.

Это смещение на рис.3 показано вертикальными пунктирными линиями.

Задать вопрос