从高度带电的重离子中发现新的发射线

国立融合科学研究所的Chihiro Suzuki和Izumi Murakami的研究小组与索菲亚大学的Fumihiro Koike教授一起，注入了高原子序数的各种元素，并在LHD等离子体中产生高电荷离子(* 1)。通过测量极紫外波长范围的发射光谱，他们发现了一条过去未通过实验观察到的新光谱线。该结果不仅对基础科学研究具有重要意义，而且对于等离子体应用研究(如极紫外光刻(* 2)光源的开发)也是有用的基础数据。

在第五周期中具有高原子序数且在周期表中具有较高原子序数的元素(例如，锡，金等)中，还存在许多在等离子体中其光谱的全部方面未知的元素。因为高能量是产生高电荷离子所必需的，其中许多电子被剥离，所以可以产生高电荷离子的实验装置是有限的。此外，甚至存在离子，其理论预测的谱线波长是基本物理量，尚未通过实验验证。在这些元素中，包括钨，作为国际热核实验反应堆(ITER)的重要元素的杂质，以及作为EUV光刻光源的可能候选物的锡和镧系元素。

为了实现聚变能，在世界范围内正在积极地进行关于通过磁场限制高温等离子体的研究。然而，进入高温等离子体的杂质变成高电荷离子。在该过程中，从等离子体获得的能量作为光发射并导致温度降低。因为LHD可以长时间稳定地限制高温等离子体并且允许大量杂质，所以它故意允许杂质进入等离子体。这有利于研究高电荷离子的发射光谱。

我们使用Tracer Encapsulated Solid Pellet(TESPEL)(* 3)开发用于研究高温等离子体中杂质的行为。将位于元素周期表第五和第六周期的锡，钆，钨，金，铋和其它元素封装在粒料中，并将这些粒料注入LHD高温等离子体中。使用Grazing Incidence Vacuum紫外光谱仪(* 4)，系统地观察到极紫外光谱(波长约1-15纳米)的光发射。通过控制颗粒注入后的加热功率，从高(> 2keV)电子温度的条件到核心温度变为零的空心状态，我们成功地在这个宽温度范围内获得了光谱。结果是，为了应对温度的变化，我们观察到了巨大的变化。并且在高温情况和低温情况下，观察到主要的高电荷离子谱线。其中，关于铽，钬和th的谱线(原子序数65,67和69)，这些在世界上首次通过实验证实。存在与理论预测的波长匹配良好的谱线和略微滑动的谱线，这些是用于理论计算验证的有用数据。这些都是世界上第一次通过实验证实。存在与理论预测的波长匹配良好的谱线和略微滑动的谱线，这些是用于理论计算验证的有用数据。这些都是世界上第一次通过实验证实。存在与理论预测的波长匹配良好的谱线和略微滑动的谱线，这些是用于理论计算验证的有用数据。

这些研究结果，在发现迄今尚未经过实验观察的新光谱线时，不仅对于基础研究具有重要意义，即使为某些应用等离子体研究提出基本方向，它们也可能具有重要意义。从这项研究中，已经在LHD中研究了原子序数50到原子序数83的三分之二元素，并编制了系统的实验数据库。在这些元素中，关于锡，钆，铽和其他元素的研究正在进步，作为用于下一代导体的EUV光刻的等离子体光源。此外，金和铋正成为使用所谓的水窗范围(* 5)的高对比度生物显微镜的光源材料的候选材料。钨，作为ITER的墙壁材料，需要了解等离子体中离子的发光机理。从这项研究中获得的实验数据库将提供有助于提高模拟精度的基础数据。

术语解释：(* 1)高电荷离子：从中性原子剥离许多电子的离子。它们存在于高温等离子体中，例如聚变等离子体和日冕。由于来自原子核的强库仑力，这些离子显示出与中性原子或低电荷离子不同的特性。

(* 2)极紫外(EUV)光刻：使用极紫外波长(EUV)光将微小电路图案转移到硅晶片上的半导体制造技术。在波长短的范围内，可以再现微小图案。目前正在开发使用来自锡等离子体的13.5纳米波长的光刻技术。

(* 3)示踪剂封装固体颗粒(TESPEL)：这是在国家融合科学研究所开发的，目的是了解高温等离子体中杂质的行为。在由聚苯乙烯制成的空心球内部是作为颗粒插入的固体物质杂质。使用注射装置将TESPEL注射到血浆中。将杂质直接注入核心附近的等离子体中。

(* 4)放牧入射真空紫外光谱仪：一种光谱仪，用于波长范围约为1至15纳米，在空气中不透射。将光分离成每个波长的装置通常称为光谱仪。该设备具有此名称，因为在该波长范围内，设备处于真空状态，并且必须以非常小的角度引入光。

(* 5)水窗：位于氧和碳的特征X射线的吸收边之间的波长为2.3至4.5纳米的范围。之所以这样称呼是因为此范围内的光对于主要来自氧的蛋白质是不透明的，然而，对于水而言，它是透明的。因为生物体主要由蛋白质和水组成，如果我们使用这个范围内的光，那么人们认为通过高对比度可以很容易地观察到生物体。需要开发用于显微镜的高效光源。