毛细管放电泵浦类钯氙软X射线光谱研究

摘要

毛细管放电泵浦的软X射线激光方案作为最有可能实现X射线激光小型化的方案之一,已经实现了类氖氩46.9nm软X射线激光深度增益饱和输出。然而,该方案至今未能实现比46.9nm波长更短的激光输出。而国际上已经采用飞秒激光泵浦的光场感生电离(OFI)方案实现了类钯氙41.8nm激光输出。本文对采用毛细管放电泵浦方案实现类钯氙41.8nm激光输出进行了理论和实验的探索。
　　理论上,首先阐述了采用毛细管放电方案实现类钯氙41.8nm激光输出的物理机制,包括Z箍缩效应、离子的电子碰撞激发和亚稳态能级的单极激发。然后采用Cowan物理程序计算了类钯氙4d95d1S0—4d95p1P141.8nm激光跃迁相关的能级参数,并画出了激光跃迁的部分能级图。发现激光下能级到基态的16.47nm跃迁辐射衰变速率很大。最后利用局部热力学平衡的SAHA方程计算了各价Xe离子丰度及电子密度随电子温度的变化规律,发现产生类钯氙离子的最佳电子温度较低。
　　实验上,在实验室建造的毛细管放电装置上,首先利用X射线二极管测量了Xe等离子体辐射的时间特性。在主脉冲电流幅值15kA、上升沿30ns左右的放电条件下,测量了8Pa～62Pa气压范围内辐射的时间特性曲线。在8Pa～14Pa范围内得到了辐射的小尖峰,总结了该尖峰随气压的变化规律。在相同的放电条件下,利用X射线光谱仪测量了8Pa～40Pa、10nm～70nm范围内的Xe等离子体辐射光谱,并对谱线进行了识别。10nm～20nm的谱线强度远大于其他波长范围谱线强度,谱线主要来自Xe8+、Xe9+和Xe10+。类钯氙41.8nm激光下能级到基态的16.47nm谱线强度较强,和理论计算吻合。说明箍缩产生了一定丰度的类钯氙离子,且通过电子碰撞能将部分基态类钯氙离子激发到激光下能级。在初始气压17.3Pa,主脉冲电流15kA时观察到了类钯氙41.8nm跃迁谱线,但没有获得激光输出。分析表明电子能量不够高,不足以将大量的类钯氙离子从基态泵浦到激光上能级。
　　为了探索毛细管放电实现类钯氙41.8nm激光的可能性,总结了相同放电条件下,Xe10+离子、Xe9+离子和Xe8+离子的丰度随初始氙气气压的变化关系,得出了各价离子产生的最佳初始气压范围。得到了在相同的初始气压、不同主脉冲电流幅值下Xe10+离子、Xe9+离子和Xe8+离子的丰度的变化规律。对理论计算结果和实验结果的分析表明,之所以未能实现类钯氙41.8nm激光输出,主要因为类钯氙离子容易过电离和箍缩产生等离子体的电子温度偏低。

目录

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 研究的目的和意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究目的和意义

1.2 毛细管放电泵浦软X射线激光研究进展

1.3 OFI电子碰撞机制类钯氙41.8nm激光研究进展

1.4 分析与总结

1.5 主要研究内容

第2章 毛细管放电泵浦类钯氙软X射线的理论研究

2.2.1 毛细管放电Z箍缩效应

2.2.2 离子的电子碰撞激发[68]

2.2.3 亚稳能级的单极激发[68]

2.3.1 类钯氙能级参数的计算

2.3.2 各价离子丰度的计算

第3章 毛细管放电泵浦软X射线激光实验装置

3.2.1 Marx发生器

3.2.2 Blumlein传输线

3.2.3 主开关

3.2.4 预脉冲隔离开关

3.3 预脉冲系统

3.3.1 预脉冲电路

3.3.2 延时电路

3.4 探测系统

3.4.1 X射线二极管

3.4.2 罗兰圆谱仪

3.5 本章小结

第4章 毛细管放电氙等离子体辐射时间特性和光谱

4.1 引言

4.2 毛细管放电氙气的辐射时间特性

4.3 毛细管放电氙气光谱的测量结果及分析

4.3.1 10nm~20nm光谱测量结果及分析

4.3.2 20nm~30nm光谱测量结果及分析

4.3.3 30nm~40nm光谱测量结果及分析

4.3.4 40nm~50nm光谱测量结果及分析

4.3.5 50nm~60nm光谱测量结果及分析

4.3.6 60nm~70nm光谱测量结果及分析

4.4.1 各价离子谱线强度随气压的变化

4.4.2 各价离子谱线强度随电流幅值的变化

4.6 本章小结

结 论

参考文献

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致 谢