國(guó)立融合科學(xué)研究所的Chihiro Suzuki和Izumi Murakami的研究小組與索菲亞大學(xué)的Fumihiro Koike教授一起，注入了高原子序數(shù)的各種元素，并在LHD等離子體中產(chǎn)生高電荷離子(* 1)。通過(guò)測(cè)量極紫外波長(zhǎng)范圍的發(fā)射光譜，他們發(fā)現(xiàn)了一條過(guò)去未通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察到的新光譜線。該結(jié)果不僅對(duì)基礎(chǔ)科學(xué)研究具有重要意義，而且對(duì)于等離子體應(yīng)用研究(如極紫外光刻(* 2)光源的開(kāi)發(fā))也是有用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

在第五周期中具有高原子序數(shù)且在周期表中具有較高原子序數(shù)的元素(例如，錫，金等)中，還存在許多在等離子體中其光譜的全部方面未知的元素。因?yàn)楦吣芰渴钱a(chǎn)生高電荷離子所必需的，其中許多電子被剝離，所以可以產(chǎn)生高電荷離子的實(shí)驗(yàn)裝置是有限的。此外，甚至存在離子，其理論預(yù)測(cè)的譜線波長(zhǎng)是基本物理量，尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在這些元素中，包括鎢，作為國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆(ITER)的重要元素的雜質(zhì)，以及作為EUV光刻光源的可能候選物的錫和鑭系元素。

為了實(shí)現(xiàn)聚變能，在世界范圍內(nèi)正在積極地進(jìn)行關(guān)于通過(guò)磁場(chǎng)限制高溫等離子體的研究。然而，進(jìn)入高溫等離子體的雜質(zhì)變成高電荷離子。在該過(guò)程中，從等離子體獲得的能量作為光發(fā)射并導(dǎo)致溫度降低。因?yàn)長(zhǎng)HD可以長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定地限制高溫等離子體并且允許大量雜質(zhì)，所以它故意允許雜質(zhì)進(jìn)入等離子體。這有利于研究高電荷離子的發(fā)射光譜。

我們使用Tracer Encapsulated Solid Pellet(TESPEL)(* 3)開(kāi)發(fā)用于研究高溫等離子體中雜質(zhì)的行為。將位于元素周期表第五和第六周期的錫，釓，鎢，金，鉍和其它元素封裝在粒料中，并將這些粒料注入LHD高溫等離子體中。使用Grazing Incidence Vacuum紫外光譜儀(* 4)，系統(tǒng)地觀察到極紫外光譜(波長(zhǎng)約1-15納米)的光發(fā)射。通過(guò)控制顆粒注入后的加熱功率，從高(> 2keV)電子溫度的條件到核心溫度變?yōu)榱愕目招臓顟B(tài)，我們成功地在這個(gè)寬溫度范圍內(nèi)獲得了光譜。結(jié)果是，為了應(yīng)對(duì)溫度的變化，我們觀察到了巨大的變化。并且在高溫情況和低溫情況下，觀察到主要的高電荷離子譜線。其中，關(guān)于鋱，鈥和th的譜線(原子序數(shù)65,67和69)，這些在世界上首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。存在與理論預(yù)測(cè)的波長(zhǎng)匹配良好的譜線和略微滑動(dòng)的譜線，這些是用于理論計(jì)算驗(yàn)證的有用數(shù)據(jù)。這些都是世界上第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。存在與理論預(yù)測(cè)的波長(zhǎng)匹配良好的譜線和略微滑動(dòng)的譜線，這些是用于理論計(jì)算驗(yàn)證的有用數(shù)據(jù)。這些都是世界上第一次通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)。存在與理論預(yù)測(cè)的波長(zhǎng)匹配良好的譜線和略微滑動(dòng)的譜線，這些是用于理論計(jì)算驗(yàn)證的有用數(shù)據(jù)。

這些研究結(jié)果，在發(fā)現(xiàn)迄今尚未經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察的新光譜線時(shí)，不僅對(duì)于基礎(chǔ)研究具有重要意義，即使為某些應(yīng)用等離子體研究提出基本方向，它們也可能具有重要意義。從這項(xiàng)研究中，已經(jīng)在LHD中研究了原子序數(shù)50到原子序數(shù)83的三分之二元素，并編制了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)。在這些元素中，關(guān)于錫，釓，鋱和其他元素的研究正在進(jìn)步，作為用于下一代導(dǎo)體的EUV光刻的等離子體光源。此外，金和鉍正成為使用所謂的水窗范圍(* 5)的高對(duì)比度生物顯微鏡的光源材料的候選材料。鎢，作為ITER的墻壁材料，需要了解等離子體中離子的發(fā)光機(jī)理。從這項(xiàng)研究中獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)將提供有助于提高模擬精度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

術(shù)語(yǔ)解釋：(* 1)高電荷離子：從中性原子剝離許多電子的離子。它們存在于高溫等離子體中，例如聚變等離子體和日冕。由于來(lái)自原子核的強(qiáng)庫(kù)侖力，這些離子顯示出與中性原子或低電荷離子不同的特性。

(* 2)極紫外(EUV)光刻：使用極紫外波長(zhǎng)(EUV)光將微小電路圖案轉(zhuǎn)移到硅晶片上的半導(dǎo)體制造技術(shù)。在波長(zhǎng)短的范圍內(nèi)，可以再現(xiàn)微小圖案。目前正在開(kāi)發(fā)使用來(lái)自錫等離子體的13.5納米波長(zhǎng)的光刻技術(shù)。

(* 3)示蹤劑封裝固體顆粒(TESPEL)：這是在國(guó)家融合科學(xué)研究所開(kāi)發(fā)的，目的是了解高溫等離子體中雜質(zhì)的行為。在由聚苯乙烯制成的空心球內(nèi)部是作為顆粒插入的固體物質(zhì)雜質(zhì)。使用注射裝置將TESPEL注射到血漿中。將雜質(zhì)直接注入核心附近的等離子體中。

(* 4)放牧入射真空紫外光譜儀：一種光譜儀，用于波長(zhǎng)范圍約為1至15納米，在空氣中不透射。將光分離成每個(gè)波長(zhǎng)的裝置通常稱為光譜儀。該設(shè)備具有此名稱，因?yàn)樵谠摬ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)，設(shè)備處于真空狀態(tài)，并且必須以非常小的角度引入光。

(* 5)水窗：位于氧和碳的特征X射線的吸收邊之間的波長(zhǎng)為2.3至4.5納米的范圍。之所以這樣稱呼是因?yàn)榇朔秶鷥?nèi)的光對(duì)于主要來(lái)自氧的蛋白質(zhì)是不透明的，然而，對(duì)于水而言，它是透明的。因?yàn)樯矬w主要由蛋白質(zhì)和水組成，如果我們使用這個(gè)范圍內(nèi)的光，那么人們認(rèn)為通過(guò)高對(duì)比度可以很容易地觀察到生物體。需要開(kāi)發(fā)用于顯微鏡的高效光源。