Элтон Р. Рентгеновские лазеры

Подождите немного. Документ загружается.

Заключение. Применения и перспективы

311

зарядных ионов, вплоть до Hg

17+

, со средним зарядом 9,8+ (см.

работу [8]). Такие холодные ионы также представляют интерес

для получения на них генерации, поскольку коэффициент уси-

ления обратно пропорционален ширине линии и, следовательно,

температуре для доплеровски уширенных линий.

4.2.1е. Фотозаселение возбужденных состояний. Фотовозбужде-

ние вызывает резонансную флуоресценцию в атомах и ионах (обсу-

ждается в следующих разделах). Насыщение населенности возбу-

жденного состояния позволяет количественно изучить дальнейшее

возбуждение и ионизацию с помощью фотонов или электронов.

Из этого обстоятельства вытекает важное следствие. Например,

процесс столкновительной ионизации из возбужденного состояния

является обратным к процессу диэлектроннои рекомбинации. По-

этому с помощью детального баланса скоростей можно получить

скорость диэлектроннои рекомбинации из скорости ионизации.

4.2.1г.

Резонансное поглощение и флуоресценция. Существуют

мощные методы измерения плотности населенности основного со-

стояния в атомах и ионах и температуры, отвечающей населен-

ности возбужденных состояний, с помощью настройки узкополос-

ных перестраиваемых лазеров на переход поглощения. Относи-

тельно прямолинейное измерение количества поглощенного излу-

чения дает эту плотность без абсолютных измерений интенсивно-

стей, когда известны силы осцилляторов в поглощении. Наиболее

желательным источником для таких исследований является лазер

с хорошей расходимостью, который позволяет проводить дистан-

ционный анализ [17], не требующий оптики, собирающей излуче-

ние с больших телесных углов.

Дальнейшее и более тонкое развитие этого метода, которое по-

зволяет измерить температуру, отвечающую населенности возбу-

жденного состояния, заключается сначала в насыщении перехода

поглощения. Затем измеряется абсолютная интенсивность флуо-

ресценции из этого возбужденного состояния либо в другом напра-

влении, либо на переходе на другой нижний уровень. Предполагая

при условии насыщения, что населенности основного и возбужден-

ного состояний пропорциональны статистическим весам, можно

определить плотность населенности верхнего уровня. Зная плот-

ность населенности нижнего состояния, например из измерения

поглощения, можно определить эту температуру.

На сегодняшний день такие измерения выполнены с нейтраль-

ными атомами, где на поглощающий переход настраиваются пе-

рестраиваемые лазеры на красителях видимого диапазона. Такое

312

Глава 7

резонансное поглощение и насыщение может приводить к увели-

чению ионизации за счет сверхупругих столкновений. Это тоже

важно для диагностики плазмы (см. п. 4.2.3).

4.2.td.

Миниатюрный ускоритель электронов. Интересная кон-

цепция миниатюрного ускорителя, сокращенно «миниак», пред-

ложенная Хофштадтером [23], является односантиметровым ана-

логом двухмильного Стэнфордского линейного ускорителя. Это

устройство работало бы в кристалле на дискретных импульсах от

метастабильных атомных состояний, генерируемых падающим ко-

герентным лазерным пучком. Процесс ускорения является обрат-

ным к процессу неупругого рассеяния электронов на атомах. Рас-

пад Оже является одним из примеров того, как энергия возбужде-

ния может быть сконцентрирована на частице уже в атоме. Для

реализации этой концепции требуется когерентный источник на-

качки, подобный рентгеновскому лазеру.

4.2.2.

Электронная спектроскопия для химического анализа

(ECSA)

В этой разновидности исследования поверхности один или более

электронов из внутренних оболочек фотоионизуются рентгенов-

ским излучением или испускаются при оже-переходах и анализи-

руется распределение их кинетической энергии [24, 25]. Это по-

зволяет определить химический состав и состояние поверхности

образца без его разрушения. Такой метод исследования применя-

ется в металлургии, катализе и изучении органических соедине-

ний. Таким образом, рентгеновские лазеры могут найти примене-

ние в этих областях [8].

Наиболее важными характеристиками, которые требуются для

ESCA, являются выходная мощность и узкая линия генерации.

Для ионизации из внутренних оболочек также желательна длина

волны ~ 10А. Наиболее подходящая мощность лежит в диапазоне

от киловатт до мегаватт. Удовлетворительные значения ширины

линии составляют < 1 эВ. Это соответствует Au

i/u

i = 10""

при hv

i = 1 кэВ (А

/ = 12,4А), т. е. примерно в три раза

больше, чем принятая ранее величина доплеровского уширения.

Выли бы желательны и более узкие линии порядка 0,01-0,1 эВ

(Av

i/i/

i = 10""

— 10~

при 1 кэВ), что возможно за счет эф-

фекта сужения лазерной линии при значительном усилении. Воз-

можность перестройки длины волны лазера в пределах нескольких

электрон-вольт вблизи края поглощения могла бы позволить прове-

сти интересные спектроскопические исследования. Когерентность

Заключение. Применения и перспективы 313

и расходимость несущественны для таких приложений, если они

не влияют на ширину линии.

Малость диаметра луча рентгеновского лазера имеет как пре-

имущества, так и недостатки. Ряд микропроб с последующим

электронно-микроскопическим анализом поверхности может дать

полезную информацию по распределению химического состава по-

верхности. Однако высокие потоки энергии, связанные с малым

диаметром луча, могут также разрушить образец, что является

довольно частой проблемой.

4.2.3. Диагностика плотной термоядерной плазмы

В области управляемого термоядерного синтеза на сжатых как с

помощью лазерного испарения, так и с помощью пучков частиц

мишенях необходимо рентгеновское зондирование плазмы с высо-

кой плотностью. Такая плазма сжимается инерционным путем ~

в 5000 раз до сверхплотных состояний (> 10

см"

) и нагревает-

ся до температуры кТ в несколько десятков килоэлектрон-вольт.

Для зондирования такой плазмы необходимо, чтобы длина вол-

ны электромагнитного излучения А была короче критической А

определяемой плазменной частотой [26]

Г4тгЛГ

1/2

2π

(7)

где N

— электронная плотность, а е и тп

— заряд и масса элек-

трона соответственно. Это условие прозрачности можно перепи-

сать для длины волны в ангстремах в виде

А<Ар =

3,4-10

А.

(8)

(АГ

)1/

Следовательно для плотностей плазмы 10

, 10

и 10

см"

требуется длина волны зондирующего излучения короче 1000, 100

и 10А соответственно.

Одной важной проблемой, на которую следует обратить вни-

мание, является стабильность границы раздела между термоядер-

ным топливом и оболочкой мишени, которая в конечном счете вли-

яет на нейтронный выход [8]. Для разрешения этой проблемы не-

обходимо получать рентгеновские изображения сжатой плазмы с

микрометровым пространственным и пикосекундным временным

разрешениями. Этим требованиям удовлетворяют рентгеновские

лазеры, которые, кроме того, имеют хорошую расходимость. Дру-

гой важной информацией, которую надо получить, являются дан-

ные о поглощенной энергии и эволюции сжатия. Так как рентге-

314

Глава 7

новский лазер является активным внешним источником, получе-

ние этой ин4>ормации не зависело бы от состояния мишени.

Одним из методов анализа сжатой плазмы является простое из-

мерение поглощения. В чистой термоядерной плазме поглощение

рентгеновского излучения было бы обусловлено переходами между

свободными электронами, а не поглощением в линиях. Этот эф-

фект иногда называют обратным тормозным поглощением.

Количественные результаты по диагностике плазмы можно по-

лучить с помощью а) теневых фотоснимков, б) интерферометрии

и в) шлиреновской методики [27]. Все три метода основаны на

преломлении лучей в плазме. В методе «а» рентгеновский пучок

просто отклоняется плазмой, и по снимку можно определить из-

менение градиента показателя преломления в поперечном сечении

плазмы [28]. В случае «б» плазма размещается между брэгговски-

ми отражателями с параллельными отражающими плоскостями.

Выходной пучок сначала фокусируется, а затем рассеивается по

приемной площадке детектора. В фокальной плоскости размеща-

ется край ножа, который позволяет определить, как различные

лучи отклоняются в плазме. Тщательный анализ сигнала с детек-

тора дает профиль электронной плотности. В этом методе требует-

ся малая входная апертура и, следовательно, интенсивный и/или

коллимированный пучок, т. е. пучок рентгеновского лазера. В ме-

тоде «в» плазма размещается в одном из плеч интерферометра и

электронная плотность определяется по смещению полос.

Метод резонансной флуоресценции, описанный в п. 4.2.1 г, мо-

жет быть применен к ионам плазмы с помощью ультрафиолето-

вых и рентгеновских лазеров. Такие измерения очень полезны

в исследованиях по термоядерному синтезу, а также при изуче-

нии коротковолновых плазменных лазеров и в астрофизике. В

настоящий момент, однако, для термоядерных исследований тре-

буются перестраиваемые лазеры с узкой линией вблизи α-, /?-, γ-

линий Лаймана и т. д. атомарного водорода (переходы поглоще-

ния с rii = 1 в п/ = 2,3,4 и т. д.) в диапазоне ΙΟΟΟΑ. Флуоресцен-

ция на переходах с η > 2 в η = 2 может наблюдаться в удобном

видимом диапазоне. Этим методом можно определять концентра-

цию атомов водорода, а также температуру в широком диапазоне.

Излучение с требуемой длиной волны в настоящее время получа-

ют в результате резонансного четырехволнового смешения, напри-

мер в парах ртути, причем непрерывная перестройка в широком

ВУФ-диапазоне возможна за счет перестройки частоты одного из

длинноволновых лазеров видимого диапазона. Схема этого метода

показана на рис. 6 [29]. Процесс является когерентным. Когда

среда (пары ртути) помещается в лазерное поле с частотами ω\ и

Заключение. Применения и перспективы

315

Непрерывный спектр

Порог ионизации

Ид (6s8s

)

(84,184 см"

)

(74,404 см'

)

αχ

ω.

Hg(6s

)

0 см

)

Рис. 6. Метод четырехволнового смешения частот на парах ртути

для диагностики плазмы методом резонансной флуоресценции [29].

о>2,

часть энергии преобразуется в излучение с частотой 2ωχ + со-

процесс становится резонансным, когда частота 2ωχ совпадает с

частотой перехода поглощения. Перестройка осуществляется ча-

стотой

W2,

как указано на рисунке. Недавно по этой теме был

опубликован обширный обзор [30] (см. также разд. 1 гл. 6).

4.2.4.

Процессы ядерных распадов

На ядерные процессы можно воздействовать с помощью рентге-

новских лазеров через электроны, окружающие ядро. Такими про-

цессами являются внутренняя конверсия и захват /С-электрона.

Для таких приложений рентгеновских лазеров важной характе-

ристикой является яркость.

4.2.4а.

Внутренняя конверсия. При внутренней конверсии проис-

ходит распад возбужденного ядра с выбиванием связанного элек-

трона. Этот процесс можно подавить путем удаления несколь-

ких ^-электронов с помощью, например, фотоионизации. Этот

эффект может использоваться для детального изучения ядерных

процессов.

4.2.46.

К-захват. При АГ-захвате атомный электрон захватывает-

ся ядром. Этот процесс конкурирует с позитронным /?-распадом.

С помощью рентгеновского лазера можно было бы препятство-

вать /f-захвату и осуществлять контроль при ядерных исследо-

316

Глава 7

ваниях. Одним из наблюдаемых эффектов было бы уменьшение

γ-излучения.

4.2.5. Радиационная химия

При облучении вещества фотонами с высокой энергией, очевидно,

происходят химические превращения. Точная природа и дина-

мика таких изменений представляют большой интерес [8]. К этой

же области относятся, в частности, фотолиз с использованием уль-

трафиолетового излучения и радиолиз под действием γ-излучения

с энергией квантов порядка 1 МэВ. В промежутке между эти-

ми диапазонами мог бы успешно использоваться в качестве ис-

точника рентгеновский лазер. Методы спектроскопии EXAFS

(протяженная тонкая структура рентгеновских спектров поглоще-

ния) могли бы быть полезными для количественных исследований

[31].

Рентгеновские лазеры позволяют применить EXAFS-методы

в изучении химических процессов на очень коротких временах

(10"

—

10~"

с). Короткие импульсы излучения будут полезны для

наблюдения возбужденных состояний с малым временем жизни, а

также для определения высоких скоростей элементарных реакций

в конденсированной среде. Кроме того, под действием излучения

рентгеновского лазера возможна диссоциация соединений и, сле-

довательно, изучение процесса фотолиза. Так как большинство

исследований в радиационной химии проводится с веществами в

жидком состоянии, желательна длина волны излучения < lA.

4.3.

Технические применения

4.3.1.

Изготовление решеток и растров

С помощью рентгеновских лазеров возможно изготовление ди-

фракционных решеток с очень большим разрешением. По-видимо-

му, удастся изготовить решетки с расстоянием между штрихами

менее ЮООА [32]. Такие решетки и растры могут использоваться

в качестве миниатюрных дифракционных и преломляющих опти-

ческих элементов и как инструменты для исследований в области

физики твердого тела [33].

Для изготовления рентгеновских пропускающих дифракцион-

ных решеток с уменьшенным расстоянием между штрихами, кото-

рые обладают высоким разрешением, были предложены два метода

[21].

Первый, называемый «деление пространственного периода»,

заключается в том, что для получения на фоторезисте интерфе-

ренционной картины с улучшенным разрешением используются

Заключение. Применения

перспективы

317

гармоники дифракционной картины

от

исходной пропускающей

дифракционной решетки.

Луч

рентгеновского лазера необязатель-

но должен быть когерентным, однако требуются монохроматич-

ность

высокая интенсивность.

Для

исходной решетки

пери-

одом

200θΑ («

5000 штрих/мм) двойные

тройные гармоники

образовывали

бы

структуры

числом штрихов

на

миллиметр

до

15000.

Второй способ заключается

использовании методов гологра-

фии

для

изготовления отражающих решеток.

помощью моно-

хроматического луча рентгеновского лазера, разделенного

на два

пучка, которые сводятся

на

поверхности фоторезиста, например

ПММА, можно было

бы

создавать интерференционную картину.

Для этого метода требуется высокая когерентность пучков, кото-

рая пока недоступна

имеющимися

настоящий момент рентге-

новскими лазерами-

настоящее время длина продольной коге-

рентности ограничивает расстояние между штрихами

на

уровне

ЮООА.

Однако

будущем можно рассчитывать

на

достижение рас-

стояний порядка

100А

[33]. Кроме того, качество решетки опреде-

ляется контрастом интерференционных полос.

Для

этого требу-

ется улучшить продольную когерентность

еще в 100 раз [21]. Тем

не менее

эта

область применения рентгеновских лазеров остается

перспективной.

4.3.2. Фотолитография

Одной

из

наиболее перспективных областей применения рентге-

новских лазеров является фотолитография высокого разрешения

1 мкм) [8]. По

рентгеновской литографии,

так же как и по

литографии

помощью пучков электронов

ионов, опубликована

серия обширных обзоров

[34].

Рентгеновское излучение предпо-

чтительнее,

чем

ультрафиолетовое,

так как

позволяет уменьшить

эффекты дифракции, рассеяния

отражения

на

субмикронном

уровне разрешения.

Для

контактной рентгеновской литографии

регистрирующая среда должна иметь очень малую зернистость.

Обычно ввиду большей чувствительности (сравнение можно най-

ти

работе

[35])

применяется негативный фоторезист, например

ПММА (полиметилметакрилат),

котором полимеризация проис-

ходит

под

действием излучения (см.

п.

6.4.16 гл.

2). При

травлении

происходит удаление резиста

некоторых мест

зависимости

от

дозы облучения

и на

поверхности образуется рельеф.

Для

получе-

ния линий

шириной менее

юооА

желательно, чтобы длина вол-

ны излучения лежала

диапазоне

5-20А,

котором достигаются

минимальная глубина проникновения

максимальный контраст.

318

Глава 7

Столь маленькие размеры обеспечивают большую плотность ли-

ний для сложных микросхем, повышенную надежность и высокое

быстродействие.

Микроэлектронные устройства, подходящие для изготовления

с помощью рентгеновской литографии, можно отнести к трем

группам:

а) интегральные микросхемы, дифракционные решетки и уст-

ройства памяти на цилиндрических магнитных доменах

больших размеров (> 5 мм

);

б) транзисторы и приборы с поверхностными акустическими

волнами средних размеров (~ 1 мм

);

в) чрезвычайно малые приборы, требующие разрешения 0,1

мкм. Сюда входят решетки для твердотельных лазеров с

распределенной обратной связью, криогенные приборы с

джозефсоновскими контактами и интегральная оптика.

Для стандартных рентгеновских источников требуются боль-

шие времена экспозиции, от десятков минут до часов. Разрешение

ограничивается величиной зазора между шаблоном и подложкой

с резистом и угловой расходимостью пучка, зазор необходим для

сохранности шаблона и высокой производительности. Тем не ме-

нее сообщалось [36] о достижении ширины линии порядка 200А.

Рентгеновский лазер обеспечил бы необходимую высокую интен-

сивность и хорошую расходимость. Кроме того, длину волны мож-

но подобрать с учетом коэффициента поглощения материалов ша-

блона и резиста. Когерентное излучение рентгеновских лазеров

также имело бы преимущество для голографии и получения изо-

бражений фазовых объектов.

Проводились эксперименты по литографии с некогерентным

излучением плазмы. Схема типичного эксперимента [37] показана

на рис. 7. Структура, полученная на этой установке, изображена

на рис. 8.

Постоянной проблемой является угроза разрушения материала

из-за теплового удара от интенсивного короткого импульса рент-

геновского лазера. Поэтому его интенсивность должна контро-

лироваться. Другая проблема заключается в необходимости рас-

ширять пучок до диаметра 1-10 см, поддерживая в то же вре-

мя хорошую расходимость. Наконец, существуют экономические

проблемы, связанные с эффективностью, размерами, стоимостью

и частотой повторения импульсов рентгеновского лазера. С уче-

том всего этого в литографии наиболее вероятно использование

Заключение. Применения и перспективы

319

Рис.

7. Установка для рентгеновской литографии. Источником

рентгеновского излучения является плазма, образующаяся при об-

лучении мишени из золота лазером с длиной волны 0,53 мкм. Диа-

метр пятна фокусировки составляет 120 мкм [37]. 1 — мишень; 2 —

лазерный луч; 3 — рентгеновский резист; 4 — шаблон; 5 — магнит.

других источников, многие из которых, такие, как синхротроны

и ускорители, имеют несколько экспозиционных станций.

4.3.3. Фотоэлектронная спектроскопия

Фотоэлектронная спектроскопия является универсальным мето-

дом анализа поверхностных состояний в твердых телах [38]. Фото-

ны выбивают электроны с поверхности, и с помощью анализатора

измеряется их распределение по энергии. Рентгеновская фото-

электронная спектроскопия имеет обычно меньшую чувствитель-

ность к поверхности, и этим методом изучаются наряду с валент-

ными электронами электроны внутренних оболочек атомов. Этот

метод дает ответы на следующие вопросы:

а. Какие элементы присутствуют?

б. Какова структура материала?

в.

Каким образом валентные электроны расположены в про-

странстве и какова их энергия?

320

Глава 7

I I

1 мкм )

Рис.

8. Структура, полученная на установке, изображенной на

рис, 7 [37].

г. На какой глубине в образце находятся адсорбированные эле-

менты?

Для контроля глубины проникновения рентгеновские лазеры

обеспечивают необходимую интенсивность в коллимированном

пучке, а также монохроматичность. Мягкое рентгеновское излу-

чение удачно дополняет ультрафиолетовые методы анализа.

4-3.4-

Металлургия

Неразрушающий рентгеновский контроль металлов делится на две

категории: поверхностные исследования и объемные.

4.3.4&-

Исследования поверхности. Для изучения поверхностей

металлов не требуется проникновения излучения в глубь вещества,