CZ305364B6

CZ305364B6 - Method of extracting XUV and/or soft X-ray radiation from a chamber to vacuum and device for making the same

Info

Publication number: CZ305364B6
Application number: CZ2009-805A
Authority: CZ
Inventors: Václav Prukner; Karel Koláček; Jiří Schmidt; Jaroslav Štraus; Oleksandr Frolov
Original assignee: Ústav Fyziky Plazmatu Akademie Věd České Republiky, V. V. I.
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2015-08-19
Also published as: CZ2009805A3

Abstract

The present invention relates to a method of and device for extracting XUV and/or soft X-ray radiation from a chamber (3) filled with a liquid to vacuum. The method of the present invention uses explosion of a metal wire (2) disposed vacuum-tight within a dielectric plug (4) and connected in the chamber (3) to a high-voltage electrode (1) a in an evacuated space (8) to an earth electrode (7). The chamber (3) and the evacuated space (8) are separated from each other by a parting wall (5) with the dielectric plug (4) mounted in vacuum-tight manner therein. After application of a high-voltage pulse to the high-voltage electrode (1), electric current flowing between the high-voltage electrode (1) and the earth electrode causes melting of the wire (2), which evaporates and ionizes creating thus a channel filled with a hot, dense plasma generating intense XUV and/or soft X-ray radiation propagating in the evacuated space (8). After termination of the current pulse, the channel with liquid walls like in the chamber (3) filled with liquid, ceases to exist, the melt of the walls of the opening in the dielectric plug (4) closes said opening and cools down separating thus again vacuum-tight the chamber (3) filled with liquid from the evacuated space (8).

Description

Oblast technikyTechnical field

Předložený vynález se týká zařízení pro vyvedení XUV a/nebo měkkého rentgenového záření z experimentální komory naplněné kapalinou při explozi drátku v kapalině do vakua a způsobu realizace tohoto procesu.The present invention relates to an apparatus for discharging XUV and / or soft X-rays from an experimental liquid-filled chamber upon explosion of a wire in a liquid into a vacuum and to a method for carrying out this process.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

V současné době se projevuje velká snaha o nalezení účinného impulzního zdroje koherentního i nekoherentního XUV záření, což je extrémní ultrafialové záření s vlnovými délkami přibližně mezi 5 a 90 nm, a/nebo měkkého rentgenového (dále jen rtg) záření, což je rovněž elektromagnetické záření s vlnovými délkami přibližně mezi 0,1 a 7 nm. K tomuto účelu se používají synchrotrony, lasery na volných elektronech, viditelné femtosekundové lasery s nelineární transformací do vyšších harmonických frekvencí a plazmatické zdroje, mezi něž patří plazma generované viditelnými a infračervenými impulzními lasery při jejich interakci s plynnými terči i s terči z pevných látek včetně kovů, plazma Z-pinčů. X-pinčů, silnoproudých impulzních kapilárních výbojů a explodujících drátků. Má-li se jednat o koherentní zdroje XUV a/nebo měkkého rtg záření, pak z plazmatických zdrojů přicházejí v úvahu jen ty, které mají jeden rozměr výrazně delší než ostatní, tj. zdroje s interakcí lineárně fokusovaných laserů s terči nebo kapilární výboje. Nej levnější a nej dostupnější jsou však silnoproudé impulzní kapilární výboje.There is currently a great deal of effort to find an efficient pulsed source of coherent and non-coherent XUV radiation, which is extreme ultraviolet radiation with wavelengths between about 5 and 90 nm, and / or soft X-rays, also electromagnetic radiation. with wavelengths between about 0.1 and 7 nm. Synchrotrons, free electron lasers, visible femtosecond lasers with non-linear higher harmonic transformation, and plasma sources, including plasma generated by visible and infrared pulsed lasers when interacting with gas targets and solid targets, including metals, are used for this purpose, Z-pinch plasma. X-pins, high-current pulsed capillary discharges and exploding wires. If they are to be coherent sources of XUV and / or soft X-rays, only those having one dimension considerably longer than the other, i.e. sources with the interaction of linearly focused lasers with targets or capillary discharges, are suitable for plasma sources. However, the most expensive and the most affordable are high-current pulsed capillary discharges.

Aktuálně se již rutinně dosahuje laserování v kapiláře plněné argonem na vlnové délce 46,88 nm. Kromě toho bylo prokázáno laserování na neonu (Ne) podobné síře (S) (λ = 60,8 nm) a neonu (Ne) podobném chloru (Cl) (λ = 52,9 nm). Pomineme-li lasery s rekombinačním pumpováním nebo s pumpováním výměnou náboje, které jsou velmi nespolehlivé a nereprodukovatelné, nebyl zatím žádný z pokusů o zkrácení vlnové délky laseru úspěšný. Kratší vlnové délky u excitačního pumpování vyžadují použití neonu (Ne) nebo niklu (Ni) podobných iontů par kovů. Injekce par kovů do kapiláry je však obtížná, a proto bylo zkoušeno dodání atomů stříbra (Ag) do kapiláry ablací stěn kapiláry z Ag₂S, dodání atomů titanu (TÍ) do kapiláry ablací struktury segmentovaných kruhů titanu ve stěně kapiláry nebo explozí titanového drátku v kapiláře. Ve všech těchto případech se však páry kovů usazují na stěnách kapiláry a významně snižují její životnost.At present, lasering in a capillary filled with argon at a wavelength of 46.88 nm is routinely achieved. In addition, lasering on neon (Ne) similar to sulfur (S) (λ = 60.8 nm) and neon (Ne) similar to chlorine (Cl) (λ = 52.9 nm) has been demonstrated. Aside from recombination or charge exchange lasers, which are very unreliable and unrepeatable, none of the attempts to shorten the laser wavelength have been successful so far. Shorter wavelengths in excitation pumping require the use of neon (Ne) or nickel (Ni) -like metal vapor ions. However, injection of metal vapor into the capillary is difficult, and therefore the supply of silver atoms (Ag) to the capillary by ablation of the capillary walls of Ag ₂ S, the supply of titanium atoms (Ti) to the capillary by ablation of the segmented titanium ring structure in the capillary wall capillaries. In all these cases, however, metal vapors settle on the capillary walls and significantly reduce its life.

Úkolem vynálezu je tak navržení zcela nového zařízení pro realizaci vyvedení XUV a/nebo měkkého rtg záření z komory naplněné kapalinou do vakua a způsob realizace takového procesu, které by zmíněné nedostatky popsaného stavu techniky odstranily.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an entirely new device for carrying out the removal of XUV and / or soft X-rays from a liquid-filled chamber to a vacuum and a method for carrying out such a process.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky odstraňuje a vytčený úkol řeší zařízení pro vyvedení XUV a/nebo měkkého rentgenového záření z uzavřené komory do evakuovaného prostoru podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že do komory, která jev konečném provozním stavu naplněná kapalinou, zasahuje vysokonapěťová elektroda a komora je od evakuovaného prostoru oddělená stěnou, ve které je uspořádaná tepelně deformovatelná dielektrická zátka, ke které jev evakuovaném prostoru přisazená zemnicí elektroda, která je v konečném provozním stavu připojená k vysokonapěťové elektrodě napnutým kovovým drátkem, který prochází kapalinou v komoře a je vakuotěsně uložený v dielektrické zátce, takže před přivedením vysokonapěťového impulzu na vysokonapěťovou elektrodu je drátek v pevném stavu a komora je vakuotěsně oddělená od evakuovaného prostoru, po přivedení vysokonapěťového impulzu na vysokonapěťovou elektrodu jeThe aforementioned drawbacks are overcome by a device for discharging XUV and / or soft X-rays from a closed chamber into an evacuated space according to the invention, characterized in that a high-voltage electrode and a chamber reach the chamber, which is in its final operating state. is separated from the evacuated space by a wall in which a thermally deformable dielectric plug is arranged, to which a grounding electrode is placed in the evacuated space, which is ultimately connected to a high voltage electrode tensioned by a metal wire which passes through the liquid in the chamber and the plug, so that before the high voltage pulse is applied to the high voltage electrode, the wire is in a solid state and the chamber is vacuum-tightly separated from the evacuated space, after the high voltage pulse is applied to the high voltage electrode,

-1 CZ 305364 B6 z drátku husté horké plazma vyzařující intenzivně v oblasti XUV a/nebo měkkého rentgenového záření vyplňující kanál s kapalnými stěnami jak v kapalině komory, tak v dielektrické zátce, který spojuje vysokonapěťovou elektrodu s evakuovaným prostorem a jehož otvor v dielektriké zátce je po zániku vysokonapěťového impulzu uzavřený ztuhlou taveninou materiálu dielektrické zátky vzniklou na povrchu tohoto otvoru, takže komora naplněná kapalinou je znovu vakuotěsně oddělená od evakuovaného prostoru.A dense hot plasma wire emitting intensively in the XUV and / or soft X-ray area filling the liquid wall channel in both the chamber liquid and the dielectric plug that connects the high voltage electrode to the evacuated space and whose opening in the dielectric plug is after the high voltage pulse has ceased, it is closed by the solidified melt of the dielectric plug material formed on the surface of the opening, so that the liquid-filled chamber is again vacuum-tightly separated from the evacuated space.

Podle vynálezu je výhodné, je-li axiální tloušťka dielektrické zátky v místě průchodu drátku menší než tloušťka dělicí stěny.According to the invention, it is advantageous if the axial thickness of the dielectric plug at the point of wire passage is smaller than the thickness of the partition wall.

Další výhodné provedení zařízení spočívá v tom, že evakuovaný prostor je vybavený detekčním zařízením XUV a/nebo měkkého rentgenového záření nebo ozařovaným vzorkem.Another advantageous embodiment of the device is that the evacuated space is equipped with an XUV and / or soft X-ray detection device or an irradiated sample.

V dielektrické zátce je s výhodou ze strany komory s kapalinou vytvořené válcové zahloubení, zejména s kuželovým dnem, které je souosé s otvorem pro drátek.Preferably, a cylindrical recess is formed in the dielectric plug, preferably with a conical bottom, which is coaxial with the hole for the wire.

Podle vynálezu je tak navržené zařízení, ve kterém se explozí drátku v kapalině vytváří plazmatický kanál s parami kovů radiálně ohraničený s kapalnými stěnami. Plazmatický kanál je tak stabilizován blízkou stěnou, podobně jako v případě kapilárního výboje, ale stěna tohoto kanálu bude vždy nová.Thus, according to the invention, a device is proposed in which an explosion of a wire in a liquid forms a plasma vapor channel with radially bounded liquid walls. The plasma channel is thus stabilized by the proximal wall, as in the case of a capillary discharge, but the wall of this channel will always be new.

Podstata pracovního způsobu, jímž se proces vyvedení XUV a/nebo měkkého rentgenového záření z komory naplněné kapalinou do vakua resp. evakuovaného prostoru, při kterém se využívá exploze kovového drátku, realizuje, spočívá podle vynálezu v tom, že se drátek připojí k vysokonapěťové elektrodě zasahující do komory s alespoň částečně vypuštěnou kapalinou, na drátek se navlékne dielektrická zátka, ta se vakuově upevní do stěny oddělující komoru od evakuovaného prostoru, zároveň se vakuotěsně zalepí natažený drátek v otvoru dielektrické zátky tak, že prochází komorou v přímém směru, a připojí se k zemní elektrodě umístěné u dielektrické zátky vně komory, po zaschnutí lepidla se komora doplní kapalinou, k vnější části komory se vakuotěsně připojí kolem zátky potrubí, jehož vnitřní prostor se poté evakuuje, na vysokonapěťovou elektrodu se přivede vysokonapěťový impulz, takže mezi vysokonapěťovou elektrodou a zemní elektrodou proteče elektrický proud, kterým se drátek roztaví, odpaří a zionizuje a tak se vytvoří kanál naplněný horkým hustým plazmatem, které generuje intenzivní XUV a/nebo měkké rentgenové záření, které se vyvede kanálem v dielektrické zátce do evakuovaného prostoru, po skončení proudového pulzu se kanál s kapalnými stěnami uzavře jak kapalinou v komoře, tak v dielektrické zátce, kde se uzavře taveninou materiálu stěn otvoru zátky, ta se zchladí a tím se opět vakuotěsně oddělí komora naplněná kapalinou od evakuovaného prostoru.The principle of the operating method by which the process of discharging XUV and / or soft X-rays from a liquid-filled chamber into a vacuum or resp. According to the invention, the wire is connected to a high voltage electrode extending into a chamber with at least partially drained liquid, a dielectric plug is threaded onto the wire, which is vacuum-attached to a wall separating the chamber from the evacuated area, at the same time vacuum-sealed wire in the hole of the dielectric plug is sealed by passing through the chamber in a direct direction and connected to the ground electrode located near the dielectric plug outside the chamber. connects a pipeline around the plug, the interior of which is then evacuated, a high voltage pulse is applied to the high voltage electrode, so that an electric current flows between the high voltage electrode and the ground electrode to melt, vaporize and ionize the wire, Hot dense plasma, which generates intense XUV and / or soft X-rays, which is led through the dielectric plug channel into the evacuated space, after the current pulse, the liquid wall channel is closed by both the liquid in the chamber and the dielectric plug where it closes. by melting the material of the wall of the plug opening, it is cooled and the chamber filled with liquid is separated from the evacuated space again in a vacuum-tight manner.

Navržený způsob generace XUV a/nebo měkkého rtg záření se dosud nepoužívá, protože nikdo dosud neuměl extrahovat vzniklé záření do vakua, což je jediné prostředí, kde se toto záření šíří bez útlumu. Předložený vynález tento problém úspěšně řeší.The proposed method of generating XUV and / or soft X-rays has not been used so far, because no one has been able to extract the resulting radiation into vacuum, which is the only environment where this radiation propagates without attenuation. The present invention successfully solves this problem.

Objasnění výkresůClarification of drawings

Podstata vynálezu bude v následujícím popisu blíže objasněna na ilustrativním příkladu možného konkrétního provedení zařízení znázorněného schematicky na připojeném obr. 1.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be explained in more detail below with reference to an illustrative example of a possible specific embodiment of the apparatus shown schematically in the accompanying FIG.

Příklad uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Všechny podstatné znaky zařízení na vyvedení XUV a/nebo měkkého rtg záření z experimentální komory 3 naplněné kapalinou do vakua podle vynálezu jsou dobře patrné z jeho schematického vyobrazení na připojeném obrázku 1. V komoře 3 naplněné kapalinou je umístěná vysokonapě-2CZ 305364 B6 ťová elektroda 1. Komora 3 naplněná kapalinou, v níž vybuchuje drátek 2, je svojí stěnou 5 oddělená od evakuovaného prostoru 8, do kterého se vyvádí XUV a/nebo měkké rtg záření. Do stěny 5 nebo její odnímatelně části je ze strany komory 3 naplněné kapalinou vsazená dielektrická zátka 4 ve tvaru válce, kužele nebo osazeného tělesa, nejlépe kruhového příčného průřezu, která je zhotovená z plastu nebo keramiky a ve své podélné ose má vytvořený průchozí otvor. Tímto otvorem kruhového průřezu prochází kovový drátek 2, který jev otvoru uložený vakuotěsně. Podle výhodného provedení může být drátek 2 v materiálu dielektrické zátky 4 zalitý nebo zalepený. V evakuovaném prostoru 8 je těsně za zátkou 4 umístěná zemnicí elektroda 7, ke které je připojený drátek 2. Druhý konec drátku 2 je připojený k vysokonapěťové elektrodě I umístěné v ose komory 3 naplněné kapalinou.All the essential features of the device for extracting XUV and / or soft X-rays from the liquid-filled experimental chamber 3 to the vacuum of the invention are well evident from its schematic illustration in the attached figure 1. A high-voltage electrode 1 is disposed in the liquid-filled chamber 3. The liquid-filled chamber 3 in which the wire 2 explodes is separated by its wall 5 from the evacuated space 8 into which XUV and / or soft X-rays are emitted. A cylindrical, cone or stepped body, preferably of circular cross-section, made of plastic or ceramic and having a through hole formed in its longitudinal axis, is inserted into the wall 5 or the detachable part thereof from the liquid-filled chamber side 3. Through this orifice of circular cross-section passes a metal wire 2 which is vacuum-tight in the opening. According to a preferred embodiment, the wire 2 in the material of the dielectric plug 4 can be sealed or glued. In the evacuated space 8, a grounding electrode 7 is placed just behind the plug 4, to which a wire 2 is connected. The other end of the wire 2 is connected to a high voltage electrode 1 located in the axis of the liquid-filled chamber 3.

V evakuovaném prostoru 8, vybaveném např. detekčním zařízením nebo ozařovaným vzorkem, může být s výhodou uspořádaná alespoň jedna neznázoměná rychlouzávěrka, která umožní průchod XUV a/nebo měkkého rtg záření, ale nikoli letící kapalině, která pronikne otvorem v zátce 4 dříve, než se vzniklý kanál zataví.In an evacuated space 8, equipped eg with a detection device or an irradiated sample, at least one quick-release fastener (not shown) may be provided to allow the passage of XUV and / or soft X-rays, but not the flowing liquid that penetrates the opening in the plug 4 the resulting channel will be sealed.

Funkce zařízení podle vynálezu je následující. Přivedením vysokonapěťového elektrického impulzu na vysokonapěťovou elektrodu i, ke které je připojený vysokonapěťový konec drátku 2, proteče drátkem 2 proud, roztaví jej, odpaří a zionizuje včetně té jeho části, která je uvnitř dielektrické zátky 4. Tak se vytvoří plazmatický kanál, jímž projde XUV a/nebo měkké rtg záření do evakuovaného prostoru 8 v potrubí 6, které jej ohraničuje. Přitom se zároveň roztaví povrchová-vrstva otvoru v zátce 4. Jakmile plazmatický kanál zanikne, roztavený materiál povrchové vrstvy otvoru v zátce 4 tento otvor uzavře, zataví jej a ztuhne. Neznázoměná rychlouzávěrka v evakuovaném prostoru 8 se uzavře v takovém čase po explozi drátku 2, že umožní průchod XUV a/nebo měkkého rtg záření, avšak nikoli letící kapaliny.The function of the device according to the invention is as follows. By applying a high voltage electrical pulse to the high voltage electrode 1 to which the high voltage end of the wire 2 is connected, a current flows through the wire 2, melts it, vaporizes it, and zionizes it, including the portion thereof inside the dielectric plug 4. and / or soft X-rays to the evacuated space 8 in the duct 6 that encloses it. At the same time, the surface layer of the opening in the plug 4 melts. Once the plasma channel has ceased, the molten surface layer material of the opening in the plug 4 closes the opening, fuses it and solidifies. The quick-release (not shown) in the evacuated space 8 closes at such a time after the explosion of the wire 2 that it allows the passage of XUV and / or soft X-rays, but not of the flying liquid.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vynález se uplatní všude tam, kde budou ke generaci XUV a/nebo měkkého rtg záření použity explodující drátky v kapalině. Husté, horké plazma kovových par je účinným zdrojem XUV a/nebo měkkého rtg záření, které může být použito např. v biologii k zobrazování, ke studiu radiačního poškození atp., v chemii pro studium rychlých chemických reakcí, ve fyzice pro studium povrchů, tenkých vrstev, příměsí v polovodičích, fotoindukovaných procesů, nelineární optiky, dynamiky krystalové mřížky, fázových procesů, pro diagnostiku plazmatu, v technice pro vývoj XUV detektorů, rtg litografie atd.The invention is applicable wherever exploding wires in a liquid will be used to generate XUV and / or soft X-rays. Dense, hot metal vapor plasma is an effective source of XUV and / or soft X-rays, which can be used eg in biology for imaging, radiation damage studies, etc., in chemistry for fast chemical reactions, in physics for surface, thin layers, impurities in semiconductors, photoinduced processes, nonlinear optics, crystal lattice dynamics, phase processes, plasma diagnostics, XUV detector development techniques, X-ray lithography, etc.

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims

Apparatus for discharging XUV and / or soft X-rays from a closed chamber (3) into an evacuated space (8), characterized in that a chamber (3) which is in a final operating state filled with liquid and into which a high voltage electrode ( 1), it is separated from the evacuated space (8) by a wall (5) in which a thermally deformable dielectric plug (4) is arranged, to which an earth electrode (7) is placed in the evacuated space (8), which is in the final operating state connected to the high voltage electrode (1) by a tensioned metal wire (2) passing through the liquid in the chamber (3) and being vacuum-tightly housed in the dielectric plug (4), the wire (2) being fixed in the solid prior to applying the high voltage pulse state and the chamber (3) is vacuum-tightly separated from the evacuated space (8), after applying a high voltage pulse to the high voltage electrode (1) it is made of wire ( 2)

Device according to claim 1, characterized in that the evacuated space (8) is equipped with a detection device or an irradiated sample.

Device according to claim 1 or 2, characterized in that in the dielectric plug (4) a cylindrical recess is coaxial with the opening of the metal wire (2) having a conical bottom from the liquid-filled chamber (3).

Dense hot plasma emitting intensively in the XUV and / or soft X-ray region and filling the liquid wall channel in both the chamber liquid (3) and the dielectric plug (4) that connects the high voltage electrode (1) with the evacuated a space (8) and whose opening in the dielectric plug (4) is closed by a solidified melt of the dielectric plug material (4) formed on the surface of the opening after the high-voltage pulse on the high-voltage electrode (1) so that the liquid-filled chamber (3) is vacuum-tight separated from the evacuated area (8).

Method for discharging XUV and / or soft X-rays from a liquid-filled chamber (3) into a vacuum using an explosion of a metal wire (2), characterized in that the wire (2) is connected to a high voltage electrode (1) into the chamber (3) with at least partially drained liquid, a dielectric plug (4) is put on the wire (2), which is vacuum-tightly attached to the wall (5) of the chamber (3) separating the chamber (3) from the evacuated space (8) a vacuum-tightened pre-tensioned wire (2) is inserted in the opening of the dielectric plug (4) so that it passes through the chamber (3) in a straight line and connects to the ground electrode (7) located near the dielectric plug (4) outside the chamber (3); drying of the wire fastening material (2), the chamber (3) is filled with liquid, to the outer part of the chamber (3) it is vacuum-tightly connected around the plug (4) of the pipeline (6), the inside of which is then evacuated, to the high voltage electrode (1) up so that an electrical current flows through the high voltage electrode (1) and the ground electrode (7) to melt, vaporize and ionize the wire (2), thus forming a hot dense plasma channel that generates intense XUV and / or soft X-ray radiation, which is led through the duct in the dielectric plug (4) into the evacuated space (8) in the duct (6), upon termination of the current pulse the liquid wall duct disappears both in the liquid-filled chamber (3) and in the dielectric plug (4) where it is closed by the melt of the wall material of the plug opening (4), which is cooled and the liquid-filled chamber (3) is again vacuum-tightly separated from the evacuated space (8).