Využití rentgenových laserů v radiační fyzice a chemii

Transkript

1 Využití rentgenových laserů v radiační fyzice a chemii Libor Juha Oddělení radiační a chemické fyziky Fyzikální ústav AV ČR, v.v.i. juha@fzu.cz

2 Proč studujeme interakci intenzivního rentgenového záření s hmotou? 1. Vývoj optických prvků určených pro vedení a fokusaci svazků rentgenových laserů nové generace vyžaduje exaktní odhad možného radiačního poškození jejich povrchu a nalezení postupů, jak se takovému poškození vyhnout nebo je minimalizovat. 2. Odhad poškození vnitřních stěn termonukleárních reaktorů (pro ICF i optických prvků) exponovaných intenzivním rentgenovým zářením z fúzního plazmatu. 3. Difrakčně-limitované nanostrukturování materiálů pro přípravu elektronických prvků ultra-vysoké integrace, optických mřížek, atp. 4. Využití stupně (prostorového rozdělení) poškození terčového materiálu ke stanovení parametrů pole záření. 5. Vytváření a zkoumání plazmatu s unikátními parametry - velmi hustého, relativně chladného, s rovnoměrně rozloženými vlastnostmi.

3 aktuální motivace: ELI beamlines

4 Warm Dense Matter (WDM) prohřátá hustá hmota parametr neideálnosti (coupling parameter; čím je větší, tím méně částic se nachází ve sféře, jejíž průměr je dán Debyeovou délkou)

5 objemový (volumetrický) ohřev v místě, kde oscilační frekvence elektronů (plazmová frekvence; Langmuirův kmitočet) v oscilujícím elektrickém poli je právě rovna frekvenci laserového záření, nabývá index lomu plazmatu nulovou hodnotu - EM vlna se nemůže plazmatem dále šířit a odráží se Langmuirův kmitočet je funkcí elektronové hustoty plazmatu e2 = ne e2 / 0 me laserová frekvence se rovná Langmuirovu kmitočtu při kritické elektronové hustotě nc [elektronů v cm3] = 1021 x -2 [ m] pro < 10 nm je tedy nc > 1025 cm-3 rtg. záření nevytvoří kritickou plochu, jeho energie se deponuje v objemu pod ozářeným povrchem pevné látky

6 FLASH (Free-electron LASer in Hamburg) dříve VUV FEL, TTF2 FEL Λ = laser je proladitelný od 7 do 60 nm tp = 25 fs, Evzorek= ~ 10 µj (1012 fotonů) rr = 2 Hz resp. 5 Hz injektor s Cs2Te fotokatodou poháněný 5ps UV laserovými impulzy

7

8 také dilute systems : malý účinný průřez resp. nízký výtěžek sledovaného děje

9 analýza tvaru kráteru vytvořeného svazkem FLASH při 21,7 nm tvar je parabolický, což plyne z gaussovského rozložení intenzity ve svazku {lat - atenuační délka; Epulse energie impulzu; Eth, - energie prahu ablace; r radiální polární souřadnice, ρ poloměr svazku ve fokusu} J. Chalupský a kol.: Opt. Express 15, 6036 (2007) E pulse r 2 d ( r ) = lat ln 2 E ρ th

10 10 surface level 0-10 depth (nm) DESORPTION -50 measured profile fitted profile ABLATION X cross-section [µ m] Desorpce indukovaná jedním impulzem laseru FLASH (21,7 nm) v PMMA. Desorpční účinnost ηd<10% zatímco ablační účinnost je 100%. Experimentální body jsou fitovány modelem počítajícím s gaussovským rozložením intenzity ve svazku.

11 Závislost erozní účinnosti na lokální dávce záření Erozní účinnost (material removal efficiency) určité molekulární pevné látky definujeme jako poměr dávkově závislé hustoty částic (atomů, molekul, iontů = malých těkavých fragmentů) odstraněných z ozářeného povrchu a celkové hustoty částic. nr ( ε ) η(ε) = n

12 Kráter vytvořený fokusovaným svazkem FLASH na 21,7 nm při plošné hustotě energie mírně nad ablačním prahem

13 Drsnosti povrchu desorbované, ablaované a přechodové oblasti

14 mikrofokusace 13,7-nm záření laseru s volnými elektrony FLASH mimoosou parabolou (OAP)

15 výsledky mikrofokusace mimoosou parabolou simulace; h.e. 0,3 nm; FWHM = = 300nm rok 2007 rok 2008: S. Bajt, A. Nelson, J. Krzywinski + LBL, LLNL, DESY, CL [Opt. Express 17, (2009)] P=F0/Fth Q S1/e 194,4 0,87 μm2 0,482 μm2 SFWHM 0,326 μm2 DQ D1/e FWHM 1,05 μm 0,784 μm 0,644 μm

16 závislost propustnosti Al fólie tloušťky 52 nm pro svazek FLASH fokusovaný OAP na intenzity W/cm2 [B. Nagler a kol.: Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photo-ionization, Nature Physics 5, 693 (2009)]

17 elektronová struktura pevného hliníku (L slupka)

18 fotoionizace jednoho p elektronu ze slupky L

19 krátkovlnný (modrý) posuv absorpční L hrany; fotoionizace dalších p elektronů fotony o energii 92 ev již není z L slupky možná

20 výpočty: B. Nagler, S. Vinko, aj.

21 výpočty: B. Nagler, S. Vinko, aj. homogenní prozáření hmoty řešení problému gradientů Te a ne

22 dělení svazku v autokorelátoru

23 7 10 Al I intensity [counts] 6 10 Al I Al II-IV Al I Al III Al II,III Al II 5 10 Al III Al II wavelength [nm] OES hliníku exponovaného svazkem FLASH naladěným na 13,7 nm fokusovaným OAP na intenzitu převyšující 1016 W/cm2 [J. Cihelka a kol.: Optical emission spectroscopy of various materials irradiated by soft x-ray free-electron laser, Proc. SPIE 7361, 73610P (2009)]

24 simulace optických emisních spekter Al I kódem MARIA Al I spectral distribution Texc = 0.4 ev 0.8 ev 1.5 ev výpočty: F. Rosmej, O. Renner, aj. 1.0 Simulation vs experiment experimental data Al I Al II 2.5 intensity [a.u.] intensity [a.u.] wavelength [nm] wavelength [nm] excitační teplota plazmatu vychází kolem 0,8 ev 600

25 optické emisní spektrum Ce:YAG ozářeného 13,7 nm laserovým zářením na 1015 W/cm2 Al I 5 Intensity (10 counts) 6 Y II Y I, Y II Y I, Y II Y II 4 YI Al I Wavelength (nm) 500

26 T. Burian, J. Chalupský, V. Hájková, P. Boháček, L. Juha: LCLS (Linac Coherent Light Source) - hodnotný dar ke čtyřicátým narozeninám fyziky vysokých hustot energie, Čs. čas. fyz. 59, 357 (2009) čtyři kampaně commissioning / user beamtimes

27 AFM topografický obraz PMMA ozářeného jedním impulzem LCLS záření s energií fotonů 830 ev na fluenci výrazně převyšující (F = 3Fth) ablační práh.

28 Plocha původního povrchu PMMA poškozená ablací indukovanou jedním impulzem záření o vlnové délce 1,5 nm (830 ev) jako funkce energie impulzu. Je dobře patrné, že ablace jedním impuzem začíná na Fth = 100 mj/cm2. Škálováním výsledků z FLASH podle vlnové délky však odhadujeme hodnotu Fth = 420 mj/cm2. Podobný výsledek dávají i anorganická dielektrika, např. PbWO4 začíná ablaovat na 140 mj/cm2 LCLS záření o vlnové délce 1,5 nm a ne na 400 mj/cm2 dle škálování. Pozorujeme zřejmě účinek jednotlivých energetických fotonů.

29 300 pulzů 300 pulzů 300 pulzů Epulse~5*10-7mJ Epulse~5*10-6mJ Epulse~5*10-5mJ F ~ 0,4 mj/cm2 F ~ 4 mj/cm2 F ~ 40 mj/cm2 dmax= 80 nm dmax= 145 nm dmax= 660 nm Prahová fluence poškození PMMA jedním impulzem LCLS (830 ev) byla nalezena na Fth=100 mj/cm2. Neočekávaně dobrá stabilita zdroje výstřel od výstřelu (< 15 % r.m.s.) umožnila efektivně sledovat erozi materiálu indukovanou mnoha pulzy na fluencích pod prahem ablace jedním impulzem.

30 Ablační hloubka [nm] Ablační hloubka [nm] PMMA PI Fluence [J/cm ] H. Fiedorowicz a kol., WAT - Vojenská polytechnika ve Varšavě 0, ,01 0,1 2 1 Fluence [J/cm ] ablace PMMA a PI indukovaná nekoherentním kev-ovým zářením emitovaným z velké dvojité Xe@He trysky ozářené laserovým pulzem s obsahem 0,5 kj atenuační délky jsou na 1,24 nm pro: PMMA 3.0 µm a PI 2.5 µm

31 PbWO4 (LCLS na 2keV) PbWO4 (LCLS na 2keV) plynový atenuátor T = 0,01 plynový atenuátor T = 0,02 bez Be filtru s Be filtrem T = 0,2

32

33 J. Chalupský, T. Burian, M. Grisham, V. Hájková, S. Heinbuch, K. Jakubczak, L. Juha, T. Mocek, P. Pira, J. Polan, J. J. Rocca, B. Rus, J. Sobota, L. Vyšín: Fokusovaný svazek repetičního kapilárního laseru na 46,9 nm, Čs. čas. fyz. 58, 234 (2008)

34

35 závěrem v sekci výkonových systémů FZÚ je interakce XUV/rtg. záření s hmotou resp. plazmatem studována v širokém oboru interakčních parametrů od 100 nm až k několika Å od 10 fs do 10 ns od 106 W/cm2 nad 1017 W/cm2 od 0o do 90o

36 výhledy: klíčové výzkumné směry na ELI (a) rtg. koherentní zobrazování s atomárním rozlišením (b) rtg. holografie s atomárním rozlišením (c) časově rozlišená rtg./částicová difrakce/radiografie (d) sub-pikosekundová pulzní radiolýza: pohled na velmi časné fáze interakce ionizujícího záření s hmotou (e) ovlivňování a sledování vysoce zředěných systémů: molekulární a klastrové svazky, nanokapky a nanokrystality, povrchy a fázová rozhraní

37 poděkování Věra Hájková Jaromír Chalupský Tomáš Burian Luděk Vyšín Jaroslav Cihelka Michaela Kozlová Oldřich Renner Bedřich Rus

38 děkuji vám za pozornost