毛细管放电抽运获得类镍氪32.8nm激光可能性研究

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类氖氩46.9nm激光是目前通过毛细管放电抽运方式得到最短波长的X射线激光,这制约了X射线激光研究领域的向前发展,因此探索波长比46.9nm更短的X射线激光是非常有意义的。要想获得波长比46.9nm更短的X射线激光,可以使用具有较高Z值的Kr气作为增益介质,并且在实验上已经通过光场感生电离方式获得了类镍氪32.8nm激光。本文在理论上和实验上对通过毛细管放电抽运方式得到类镍氪32.8nm激光的可能性进行了研究。在理论上,首先对离子的电子碰撞激发以及亚稳能级的单极激发过程进行介绍,可以更深入地理解类镍氪32.8nm激光产生的物理机理。然后,采用Cowan物理程序以及相关理论计算了类镍氪系统具有的相关原子参数,给出了类镍氪32.8nm激光有关能级之间的跃迁示意图,计算得到了从激光上能级3d94d1S0向下跃迁至激光下能级3d94p1P1所形成激光的波长为32.8nm,而且在激光下能级3d94p1P1和基态能级3d101S0之间的跃迁波长为11.6nm。最后,建立和类镍氪系统有关能级的速率方程,并在准稳态近似下对其进行求解。计算研究了3d94f、3d94d以及3d94p这三个组态的能级对获得激光的作用,并分析了激光有关能级的粒子数分布以及激光上、下能级之间的增益特性。通过计算获得了产生该激光对应的最佳电子温度和最佳电子密度,分别为75eV和1018cm-3。该电子温度、电子密度与在实验上通过毛细管放电抽运方式得到类氖氩46.9nm激光所对应的电子温度、电子密度很接近,在理论上表明了通过毛细管放电抽运方式有可能得到类镍氪32.8nm激光。在实验上,分别在幅值为11kA的较小电流以及16kA的较大电流条件下,在10~100Pa的Kr气气压范围内,对5~70nm的毛细管放电氪等离子体光谱进行测量。在这两种电流条件下,观察到了在激光下能级3d94p1P1和基态能级3d101S0之间跃迁的Kr8+11.6nm谱线,该实验结果与理论计算一致,同时表明了在激光下能级有粒子积累。分析表明在11kA的电流条件下,由于通过Z箍缩产生等离子体具有的电子温度和电子密度均偏低,从而使Kr8+离子无法通过电子碰撞从基态能级向上抽运到激光上能级。在16kA的电流以及40~50Pa的高气压条件下,出现了类镍氪32.8nm跃迁谱线,但是并没有得到类镍氪32.8nm激光。这说明了在16kA的电流条件下,部分Kr8+离子可以从基态能级向上抽运到激光上能级,但由于通过Z箍缩产生等离子体具有的电子密度和电子温度还不够高,使激光上能级和下能级之间的增益不够大,无法得到产生激光所需要的等离子体状态。另外,分析了在这两种电流条件下,Kr7+29.7nm谱线、Kr8+11.6nm谱线和Kr9+9.9nm谱线强度随着气压的变化情况,得到了Kr7+、Kr8+和Kr9+谱线随气压变化的一般规律。通过分析理论和实验的结果可知,没有获得类镍氪32.8nm激光是由于Z箍缩产生等离子体具有的电子密度和电子温度不够高造成的。但通过改变实验条件是有可能得到类镍氪32.8nm激光的,可以增大实验中的主脉冲电流,并将Kr气气压调到高气压范围,有效提高等离子体具有的电子密度和电子温度,最终获得激光输出。
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