2020 Fiscal Year Annual Research Report
協同的トムソン散乱法を用いた多価電離プラズマ生成条件と放射スペクトルの関係解明
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20H01880
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
富田 健太郎 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70452729)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西原 功修 大阪大学, レーザー科学研究所, 名誉教授 (40107131)
砂原 淳 大阪大学, レーザー科学研究所, 招へい准教授 (00370213)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | トムソン散乱計測 / 軟X線光源 / EUV光源 / 電子密度 / 電子温度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、レーザー生成多価電離プラズマの電子密度、電子温度、イオン温度、平均イオン価数の2次元空間分布・時間変化計測を、協同的トムソン散乱のイオン項・電子項計測システムにより行う。計測の空間・時間分解能はそれぞれ20 μm, 0.2 nsを想定している。電子密度・電子温度・イオン価数は、軟X線や極端紫外線光源用プラズマを想定し、それぞれ10^22-10^26 m^-3, 1-500 eV, 1-20としている。X線CCDカメラによる波長1-20 nm範囲の放射スペクトルを計測する。これまで不明確であったプラズマ生成条件と放射スペクトル分布を、プラズマパラメータで定量的に関連付けることを、本研究の最終目的としている。
この目的にむけ、初年度である2020年度は、軟X線領域スペクトル計測のためのX線CCDカメラを納入した。次に協同トムソン散乱計測に関しては、ナノ秒パルスYAGレーザー（波長1064nm）を固体カーボンターゲットに照射して生成したプラズマ内の、電子密度・温度・イオン価数の空間2次元分布及び時間発展計測を実施した。イオン項スペクトル幅は、100pm～200pm程度と狭く、かつ計測レーザー波長（532nm）周辺に観測される。そのため、計測レーザー波長極近傍での、十分な迷光除去性能が必要となるが、差分散型6回折格子分光器を作製し、使用することで迷光の問題を克服した。計測は生成用レーザー入射中や、入射直後の時刻で行った。このようなプラズマ生成の初期過程における各種プラズマパラメータの計測例は少なく、今回行った低レーザー強度10^9W/cm^2では初めての計測例となる。計測の結果、電子温度の高温領域（10eV以上）は、レーザー入射時刻直後であっても、ターゲットから離れた位置に存在し、さらにその高温領域は、時間とともにターゲット表面から離れていくことが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究の最大の独自性や創造性は、電子密度・電子温度・イオン価数や、プラズマの速度場といった、プラズマを流体として扱うために必要な様々な物理量を、レーザー散乱法により2次元空間分布として実際に計測する点にある。この内容に対して、初年度はナノ秒パルスYAGレーザー（波長1064nm）を固体カーボンターゲットに照射して生成したプラズマに対して、トムソン散乱計測システムの動作確認を行うところまでを計画していた。しかし実際には、レーザー生成カーボンプラズマ内の、電子密度・温度・イオン価数の空間2次元分布及び時間発展計測までを計測することができた。ここで計測対象としている協同的トムソン散乱のイオン項スペクトル幅は、100pm～200pm程度と狭く、かつ計測レーザー波長（532nm）周辺に観測される。そのため、計測レーザー波長極近傍での、十分な迷光除去性能が必要となるが、差分散型6回折格子分光器を作製し、使用することで迷光の問題を克服した。計測は生成用レーザー入射中や、入射直後の時刻で行った。このようなプラズマ生成の初期過程における各種プラズマパラメータの計測例は少なく、今回行った低レーザー強度10^9W/cm^2では初めての計測例となる。計測の結果、電子温度の高温領域（10eV以上）は、レーザー入射時刻直後であっても、ターゲットから離れた位置に存在し、さらにその高温領域は、時間とともにターゲット表面から離れていくことが分かった。さらに、プラズマの2次元速度場についても情報を得ることができた。その結果、プラズマ初期過程での、プラズマ流れ速度の非等方性を得ることができた。このように、トムソン散乱計測に関して、当初予定より大幅に進展したため、区分(1)とした。本研究成果は、現在論文誌に投稿中である（まだアクセプトはされておらず）。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度（2020年度）は、協同トムソン散乱計測に点で、当初の予定を大幅に上回る成果を得ることができた。これにより、軟X線およびEUV光源用プラズマの、電子密度・電子温度・イオン価数の2次元分布及び時間発展の様子を得るための基盤ができた。このような状況を受け、今年度は、初年度に納入したX線CCDカメラを用いた、波長1-20nm領域のスペクトル観測に重点を置いて、研究を進めていく予定である。分光に向けての真空排気装置は確保済み得あるが、EUV領域用の回折格子の購入がまだであるため、すぐに行う。1-20nmの領域の内、まずはEUV露光で重要となる、5-20nm程度のスペクトル分光を目指す。回折格子の刻線本数は、1200本/mmとする。この時、入射角度は87度程度の斜入射となる。EUV光源生成用チャンバーと結合させた分光用真空容器には、入口スリット（幅20μm程度を想定）の後、回折格子を設置する。ベローズ型配管を利用し、斜入射角度に対応した角度位置に、X線CCDカメラの検出器を調整・設置できるようにする。プラズマからのデブリにより回折格子が汚染されないよう、プラズマ光源から分光器入口スリットまでは、400m以上の距離を置くようにする。入口スリットから回折格子までは、200㎜程度の距離とし、1対1転写でカメラに結像させる。
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Research Products
(2 results)
