Спектроскопия ионизованных атомов тяжелых элементов, плазмы твердых и газообразных сред и межмолекулярных взаимодействий

В рамках темы Государственного задания ИСАН «Спектроскопия ионизованных атомов тяжелых элементов, плазмы твердых и газообразных сред и межмолекулярных взаимодействий» выполнен ряд комплексных теоретических и экспериментальных исследований. Проведены исследования, связанные с разработкой плазменных источников экстремального ультрафиолетового излучения (ЭУФ) для литографии нового поколения и изучению источников плазменного загрязнения оптики, работающей в экстремальном ультрафиолете. С использованием ЭУФ спектрометра скользящего падения излучения, обладающего высоким спектральным разрешением, изучены резонансные переходы 3d2 – (3d4p + 3p53d3) в шестикратно ионизованном железе. Подробно исследована область спектра 19.3–19.7 нм, что позволило идентифицировать десять линий в спектре Солнца, две из которых впервые. В спектрах поглощения однократно ионизованного свинца и двукратно ионизованного висмута идентифицировано соответственно 8 и 20 линий как линии переходов 5d106s26p-5d96s26p2, возникающие возбуждением электрона из внутренней оболочки 3d10. В рамках релятивистской теории возмущений с модельным потенциалом нулевого приближения проведены расчеты энергетических уровней конфигураций 3p63d94ℓ и 3p53d104ℓ (ℓ = 1–3) никеле подобных ионов с зарядом ядра 36–56 [3]. Рассчитаны вероятности электрических дипольных и квадрупольных, а также магнитодипольных излучательных переходов в основное состояние. Подробно исследованы свойства ЭУФ индуцированной плазмы (плазмы, создаваемой мощным лазерным излучением длины волны 13.5 нм в литографе, заполненном водородом при давлении 1-10 Па) как для случая одиночного ЭУФ импульса, так и для периодических ЭУФ импульсов имеющихся в реальных источниках ЭУФ излучения, и ее взаимодействие с элементами литографа для максимального сохранения отражательной способности зеркал и сведения к минимуму молекулярных загрязнений и загрязнения литографа частицами. Анализ свойств ЭУФ индуцированной плазмы проводился путем компьютерного моделирования с помощью метода Монте-Карло в модели частица в ячейке (particle-in cell PIC), которая была расширена для случая сложной трехмерной геометрии и для учета многократности импульсов возникновения плазмы. Выполнено сравнение результатов моделирования с имеющимися измерениями на лабораторных макетах и их масштабирование на случай реального литографа. Создан источник ускоренных ионов для доведения формы поверхности ЭУФ оптических элементов и ее шероховатости путем травления ионным пучком. Главной особенностью этого источника является формирование пучка малой апертуры (FWHM ∼ 1.5 мм) с рекордной плотностью ионного тока (j ≈ 95 мА/см2). Источник позволяет довести форму поверхностей оптических элементов до субнанометровой точности по параметру RMS в диапазоне пространственных частот до 1.3х10-3 мкм-1 для случая токопроводящих и до 9.5х10-4 мкм-1 для диэлектрических материалов. Опыт в расчете ЭУФ оптики и ЭУФ многослойных отражающих покрытий, накопленный в работе над данным проектом, позволил сделать предложения по конструированию поглощающих слоев в видимой и ИК областях спектра, а также рассчитать астигматизм интраокулярной линзы при ее децентрации и наклону к оптической оси глаза. Предложен новый алгоритм обработки экспериментальных спектров для определения максимальной температуры неоднородной зоны горения (2-Т) методом абсорбционной спектроскопии с диодными лазерами (ДЛАС). В этом алгоритме экспериментальный спектр излучения, прошедшего неоднородную зону, представляется в виде суперпозиции «холодной» части с температурой Tlow и «горячей» с температурой Thot. Предложенный (2-Т) алгоритм опробован в экспериментах с трех-щелевой горелкой Вольфхарда-Паркера, пламя которой является примером стационарного, пространственно-неоднородного горячего объекта. Разработана новая модель абсорбционного спектрометра с диодными лазерами (ДЛАС) для определения параметров горячих зон. Разработанная методика измерения методом ДЛАС основана на частотной модуляции излучения зондирующего лазера с последующим детектированием линии поглощения тестовой молекулы на первой гармонике частоты модуляции (1f-WMS). Ключевым элементом нового ДЛАС-сенсора является микро-призменный отражатель, который обеспечивает механическую стабильность ДЛАС-сенсора и существенное снижение уровня широкополосного термического излучения горячего газа, попадающего в детектор и снижающего величину сигнал/шум. Существенное снижение уровня паразитной термической засветки позволило применить алгоритм дифференциального логарифмического преобразования (ДЛП) аналитического сигнала. Применение метода ДЛП обеспечило подавление избыточной амплитудной модуляции зондирующего излучения диодного лазера и других источников модуляции, не связанных с селективным поглощением зондирующего излучения. Комбинация метода ДЛП и 1f-WMS обеспечила новый вариант безэталонного определения параметров горячих зон методом ДЛАС. Усовершенствована схема разработанного ранее эмиссионного спектрометра с линейкой, позволяющей регистрировать спектр в диапазоне 200-900 нм. Модернизация линейки обеспечила снижение интерференции на окне перед решеткой и позволила за счет этого увеличить чувствительность определения серы в графите в 2 раза. Разработана методика определения самария и гадолиния в чистом графите, использующемся в атомной промышленности. Определены оптимальные эмиссионные линии обоих элементов, максимально свободные от спектральных интерференций с атомарными и молекулярными линиями макрокомпонентов графита. Разработана эмиссионная методика определения хлора в чистом графите. Порог определения составляет примерно 1 ppm, диапазон линейной характеристики составляет 1-100 ppm. Продолжена работа по созданию аппаратно-программного комплекса для измерения спектров излучения диодных лазеров и характеристик интерференционных фильтров. Основным элементом комплекса является мини-спектрометр. В конструкцию комплекса введен волоконно-оптический разветвитель, который позволяет регистрировать излучение из двух каналов. Зарегистрированы спектры излучения гетеродиода. Разработана процедура коррекции шкалы длин волн и интенсивностей, позволяющая существенно уточнить положения линий излучения диода и их интенсивность. Получена новая информации о структуре и динамике молекулярных комплексов, включающих молекулы планетарных атмосфер (NH3, N2, Ne). Наблюдались возбужденные состояния внутренних вращений мономеров в комплексах. Определены параметры сверхтонкого ядерного квадрупольного взаимодействий. Проведено сравнение полученных экспериментальных данных с результатами расчетов методами квантовой химии.