Экстремальное ультрафиолетовое излучение ( EUV или XUV ) или ультрафиолетовое излучение высокой энергии — это электромагнитное излучение в той части электромагнитного спектра, которая охватывает длины волн , короче линии Лаймана-альфа водорода, от 121 нм до рентгеновского диапазона 10 нм, и, следовательно, (по уравнению Планка–Эйнштейна ), имеющие фотоны с энергией от 10,26 эВ до 124,24 эВ. EUV естественным образом генерируется солнечной короной и искусственно плазмой , источниками генерации высоких гармоник и источниками синхротронного света . Поскольку UVC распространяется на длину волны до 100 нм, эти термины частично совпадают.
Основными применениями крайнего ультрафиолетового излучения являются фотоэлектронная спектроскопия , получение изображений Солнца и литография . В воздухе EUV является наиболее сильно поглощаемым компонентом электромагнитного спектра, для передачи которого требуется высокий вакуум .
Нейтральные атомы или конденсированное вещество не имеют достаточно больших энергетических переходов , чтобы излучать EUV-излучение. Ионизация должна произойти в первую очередь. EUV-свет может излучаться только электронами, связанными с многозарядными положительными ионами; например, чтобы оторвать электрон от +3 заряженного иона углерода (три электрона уже удалены), требуется около 65 эВ . [1] Такие электроны более прочно связаны, чем типичные валентные электроны . Существование многозарядных положительных ионов возможно только в горячей плотной плазме . Альтернативно, свободные электроны и ионы могут временно и мгновенно генерироваться интенсивным электрическим полем лазерного луча очень высокой гармоники . Электроны ускоряются, возвращаясь к родительскому иону, высвобождая фотоны с более высокой энергией и меньшей интенсивностью, которая может находиться в EUV-диапазоне. Если высвободившиеся фотоны представляют собой ионизирующее излучение , они также ионизируют атомы среды, генерирующей гармоники , истощая источники генерации высших гармоник. Освободившиеся электроны убегают, поскольку электрическое поле EUV-света недостаточно интенсивно, чтобы перевести электроны на более высокие гармоники, а родительские ионы уже не так легко ионизируются, как первоначально нейтральные атомы. Следовательно, процессы генерации и поглощения ЭУФ (ионизации) сильно конкурируют друг с другом.
Однако в 2011 году Шамбху Гимире и др. впервые наблюдал генерацию высоких гармоник в объемных кристаллах оксида цинка . Вызывает интерес рассмотреть возможность и механизм ГГВГ в твердом состоянии. EUV-излучение может испускаться в диоксиде кремния или сапфире .
EUV-свет также может излучаться свободными электронами, вращающимися вокруг синхротрона .
Непрерывно настраиваемый узкополосный EUV-свет может генерироваться путем четырехволнового смешивания в газовых ячейках криптона и водорода до длин волн всего 110 нм. [2] В газовых камерах без окон фиксированное четырехволновое смешивание наблюдалось на длине волны всего 75 нм.
Когда фотон EUV поглощается, фотоэлектроны и вторичные электроны генерируются в результате ионизации , очень похоже на то, что происходит, когда рентгеновские лучи или электронные лучи поглощаются веществом. [3]
Реакция материи на EUV-излучение может быть отражена в следующих уравнениях:
Точка поглощения:
Энергия фотона EUV = 92 эВ, = энергия связи электрона + начальная кинетическая энергия фотоэлектрона
В пределах 3-х длин свободного пробега фотоэлектрона (1–2 нм):
Снижение кинетической энергии фотоэлектронов = потенциал ионизации + кинетическая энергия вторичных электронов;
В пределах 3 средних пробегов вторичного электрона (~30 нм):
Фотоэлектрон впоследствии вызывает эмиссию вторичных электронов в процессе ударной ионизации . Иногда возможен также оже-переход , приводящий к испусканию двух электронов с поглощением одного фотона.
Строго говоря, фотоэлектроны, оже-электроны и вторичные электроны сопровождаются положительно заряженными дырками (ионами, которые можно нейтрализовать, вытягивая электроны из близлежащих молекул), чтобы сохранить нейтральность заряда. Электронно-дырочную пару часто называют экситоном . Для высокоэнергетических электронов расстояние между электронами и дырками может быть довольно большим, а энергия связи соответственно низкой, но при более низкой энергии электрон и дырка могут быть ближе друг к другу. Сам экситон диффундирует на довольно большое расстояние (>10 нм). [4] Как следует из названия, экситон представляет собой возбужденное состояние; только когда он исчезает по мере рекомбинации электрона и дырки, могут образовываться стабильные продукты химической реакции.
Поскольку глубина поглощения фотонов превышает глубину вылета электронов, поскольку высвободившиеся электроны со временем замедляются, они в конечном итоге рассеивают свою энергию в виде тепла. Длины волн EUV поглощаются гораздо сильнее, чем более длинные волны, поскольку соответствующие энергии фотонов превышают ширину запрещенной зоны всех материалов. Следовательно, их эффективность нагрева значительно выше и характеризуется более низкими порогами термоабляции в диэлектрических материалах. [5]
Определенные длины волн EUV различаются в 50 раз между солнечными минимумами и максимумами [6] , что может способствовать потеплению стратосферы и образованию озона . Это, в свою очередь, может повлиять на атмосферную циркуляцию и климатические условия в течение краткосрочных и долгосрочных солнечных циклов. [6]
Как и другие формы ионизирующего излучения , EUV и электроны, высвобождаемые прямо или косвенно EUV-излучением, являются вероятным источником повреждения устройства . Повреждение может быть результатом десорбции оксида [7] или захваченного заряда после ионизации. [8] Повреждение также может произойти из-за неопределенного положительного заряда в результате эффекта Мальтера . Если свободные электроны не могут вернуться, чтобы нейтрализовать суммарный положительный заряд, десорбция положительных ионов [9] является единственным способом восстановить нейтральность. Однако десорбция по существу означает, что поверхность разрушается во время воздействия, и, кроме того, десорбированные атомы загрязняют любую экспонированную оптику. Повреждение EUV уже было задокументировано при радиационном старении ПЗС телескопа экстремального ультрафиолетового излучения (EIT). [10]
Радиационные повреждения — хорошо известная проблема, которая изучалась в процессе плазменной обработки повреждений. Недавнее исследование синхротрона Университета Висконсина показало, что длины волн ниже 200 нм способны вызывать измеримый поверхностный заряд. [11] EUV-излучение показало положительный заряд в сантиметрах за пределами воздействия, тогда как VUV (вакуумное ультрафиолетовое) излучение показало положительный заряд в границах воздействия.
Исследования с использованием фемтосекундных импульсов EUV в Лазере на свободных электронах в Гамбурге ( FLASH ) показали, что пороги повреждения, вызванного термическим плавлением, ниже 100 мДж/см 2 . [12]
Более раннее исследование [13] показало, что электроны, создаваемые «мягким» ионизирующим излучением, все еще могут проникать на ~100 нм ниже поверхности, что приводит к нагреву.
СМИ, связанные с экстремальным ультрафиолетом, на Викискладе?