Среди элементов с высоким атомным номером из пятого периода и выше в периодической таблице (например, олово, золото и другие) также есть много элементов, полный вид спектра которых неизвестен в плазме. Поскольку высокая энергия необходима для генерации высокозарядных ионов там, где многие электроны были лишены, экспериментальные устройства, которые могут генерировать высокозарядные ионы, ограничены. Кроме того, есть даже ионы, длины волн спектральных линий которых предсказываются теорией, которые являются фундаментальными физическими величинами, не подтвержденными экспериментами. В число этих элементов входят вольфрам, примесь, которая является важным элементом для Международного термоядерного экспериментального реактора (ИТЭР), а также элементы олова и лантаноидов в качестве возможных кандидатов для источников света EUV-литографии.
Для этих высокозарядных ионов требуется дальнейшая экспериментальная проверка теоретической модели.
Стремясь получить термоядерную энергию, 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 снижение температуры. Поскольку LHD может удерживать высокотемпературную плазму стабильным образом в течение длительного периода времени и допускает попадание большого количества примесей, он преднамеренно позволяет примесям проникать в плазму. Это полезно для исследования спектра излучения высокозарядных ионов.
Мы используем Tracer Encapsulated Solid Pellet (TESPEL) (* 3), разработанный для исследования поведения примесей в высокотемпературной плазме. Олово, гадолиний, вольфрам, золото, висмут и другие элементы, входящие в пятый и шестой периоды таблицы Менделеева, были заключены в гранулы, и эти гранулы были введены в высокотемпературную плазму LHD.
Используя вакуумный ультрафиолетовый спектрометр скользящего падения (* 4), систематически наблюдали световое излучение крайнего ультрафиолетового спектра (длина волны около 1-15 нанометров). Контролируя мощность нагрева после впрыска гранул, от состояния высокой (> 2 кэВ) температуры электронов до состояния полости, при котором температура ядра становится равной нулю, мы успешно достигли спектра в этом широком диапазоне температур. В результате, реагируя на изменение температуры, мы наблюдали резкое изменение. И как в высокотемпературных, так и в низкотемпературных случаях наблюдались доминирующие спектральные линии высокозарядных ионов.
Среди них, что касается спектральных линий тербия, гольмия и тулия (атомные номера 65, 67 и 69), они были впервые в мире подтверждены экспериментально. Есть спектральные линии, которые хорошо соответствуют теоретически предсказанным длинам волн, и спектральные линии, которые слегка скользят, и это полезные данные для подтверждения теоретических расчетов.
Эти результаты исследований по обнаружению новых спектральных линий, которые до сих пор не наблюдались экспериментально, важны не только для фундаментальных исследований, они также могут иметь значение даже для представления фундаментальных направлений некоторых прикладных исследований плазмы. На основании этого исследования две трети элементов от атомного номера 50 до атомного номера 83 были исследованы в LHD, и была составлена систематическая экспериментальная база данных. Среди этих элементов продвигаются исследования в отношении олова, гадолиния, тербия и других элементов в качестве источников плазменного света для использования в EUV-литографии для проводников следующего поколения. Кроме того, золото и висмут становятся кандидатами в качестве источников света для высококонтрастных биомикроскопов, которые используют так называемый диапазон водяного окна (* 5).
Вольфрам, как материал стенки для ИТЭР, необходим для понимания механизма испускания света ионов в плазме. База данных экспериментов, полученная в результате этого исследования, предоставит фундаментальные данные, полезные для повышения точности моделирования.
Пояснение терминологии: (* 1) Высокозарядные ионы: ионы, в которых много электронов оторвано от нейтральных атомов. Они существуют в высокотемпературной плазме, такой как термоядерная плазма и солнечная корона.
Из-за сильной кулоновской силы, исходящей от ядра, эти ионы показывают характеристики, отличные от нейтральных атомов или ионов с низким зарядом.
(* 2) Литография в экстремальном ультрафиолете (EUV): технология изготовления полупроводников, которая переносит мельчайший рисунок схемы на кремниевую пластину с использованием света с экстремальной ультрафиолетовой длиной волны (EUV). Если длина волны мала, можно воспроизвести мельчайший узор.
Технология литографии, использующая длину волны 13.5 нанометров из оловянной плазмы в настоящее время разрабатывается.
(* 3) Твердая гранула, инкапсулированная с индикатором (TESPEL): была разработана в Национальном институте термоядерных исследований для понимания поведения примесей в высокотемпературной плазме. Внутри полой сферы из полистирола находится твердый предмет-примесь, вставленный в виде гранулы.
TESPEL вводится в плазму с помощью инъекционного устройства. Примесь инжектируется непосредственно в плазму вблизи сердцевины.
(* 4) Вакуумный ультрафиолетовый спектрометр скользящего падения: спектрометр, используемый в диапазонах длин волн приблизительно от одного до пятнадцати нанометров, которые не пропускают воздух в воздухе.
Устройство, которое разделяет свет на каждую длину волны, обычно называется 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) Водное окно: диапазон длины волны от 2.От 3 до 4.5 нанометров, расположенных между краями поглощения характеристических рентгеновских лучей кислорода и углерода.
Это называется так, потому что свет в этом диапазоне непрозрачен по отношению к белкам, которые поступают в основном из кислорода, однако, что касается воды, он прозрачен. Поскольку живой организм в основном состоит из белков и воды, если мы используем свет в этом диапазоне, считается, что живые организмы можно легко наблюдать с высокой контрастностью.
Требуется разработка высокоэффективных источников света для использования в микроскопах.