Экстремальное ультрафиолетовое излучение ( EUV или XUV ) или высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение — это электромагнитное излучение в части электромагнитного спектра, охватывающей длины волн короче водородной линии Лайман-альфа от 121 нм до рентгеновского диапазона 10 нм. Согласно уравнению Планка-Эйнштейна, фотоны EUV имеют энергию от 10,26 эВ до 124,24 эВ, где мы вводим энергии рентгеновского излучения. EUV естественным образом генерируется солнечной короной и искусственно плазмой , источниками генерации высоких гармоник и источниками синхротронного света . Поскольку UVC простирается до 100 нм, в терминах есть некоторое совпадение.
Основные области применения экстремального ультрафиолетового излучения — фотоэлектронная спектроскопия , получение изображений Солнца и литография . В воздухе EUV является наиболее поглощаемым компонентом электромагнитного спектра, требующим высокого вакуума для передачи.
Нейтральные атомы или конденсированное вещество не имеют достаточно больших энергетических переходов для испускания EUV-излучения. Сначала должна произойти ионизация . EUV-свет может испускаться только электронами, которые связаны с многозарядными положительными ионами; например, для удаления электрона из +3-заряженного иона углерода (три электрона уже удалены) требуется около 65 эВ . [1] Такие электроны связаны сильнее, чем типичные валентные электроны . Существование многозарядных положительных ионов возможно только в горячей плотной плазме . В качестве альтернативы свободные электроны и ионы могут временно и мгновенно генерироваться интенсивным электрическим полем лазерного луча с очень высокой гармоникой . Электроны ускоряются по мере возвращения к родительскому иону, высвобождая фотоны с более высокой энергией при уменьшенной интенсивности, которая может находиться в диапазоне EUV. Если высвобождаемые фотоны представляют собой ионизирующее излучение , они также ионизуют атомы среды, генерирующей гармоники , истощая источники генерации более высоких гармоник. Освобожденные электроны вырываются, поскольку электрическое поле EUV-света недостаточно интенсивно, чтобы перевести электроны на более высокие гармоники, в то время как родительские ионы уже не так легко ионизируются, как изначально нейтральные атомы. Следовательно, процессы генерации и поглощения (ионизации) EUV-излучения сильно конкурируют друг с другом.
Однако в 2011 году Шамбху Гимире и др. впервые наблюдали генерацию высоких гармоник в объемных кристаллах оксида цинка . Это привлекает интерес к изучению возможности и механизма HHG в твердом состоянии. EUV-излучение может испускаться в диоксиде кремния или сапфире .
EUV-свет также может испускаться свободными электронами, вращающимися вокруг синхротрона .
Непрерывно настраиваемый узкополосный EUV-свет может быть получен путем смешения четырех волн в газовых ячейках с криптоном и водородом с длиной волны до 110 нм. [2] В газовых камерах без окон зафиксированное смешение четырех волн наблюдалось на длине волны до 75 нм.
При поглощении EUV-фотона в результате ионизации образуются фотоэлектроны и вторичные электроны , что очень похоже на то, что происходит при поглощении рентгеновских лучей или электронных пучков веществом. [3]
Реакцию вещества на КУФ-излучение можно описать следующими уравнениями:
Точка поглощения:
Энергия фотона EUV = 92 эВ, = энергия связи электрона + начальная кинетическая энергия фотоэлектрона
В пределах 3 длин свободного пробега фотоэлектрона (1–2 нм):
Уменьшение кинетической энергии фотоэлектронов = потенциал ионизации + кинетическая энергия вторичных электронов;
В пределах 3 длин свободного пробега вторичного электрона (~30 нм):
Фотоэлектрон впоследствии вызывает испускание вторичных электронов посредством процесса ударной ионизации . Иногда возможен также оже-переход , приводящий к испусканию двух электронов с поглощением одного фотона.
Строго говоря, фотоэлектроны, электроны Оже и вторичные электроны сопровождаются положительно заряженными дырками (ионами, которые можно нейтрализовать, вытягивая электроны из соседних молекул) для сохранения нейтральности заряда. Пару электрон-дырка часто называют экситоном . Для высокоэнергетических электронов разделение электронов и дырок 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 является возбужденным состоянием; только когда он исчезает при рекомбинации электрона и дырки, могут образовываться стабильные продукты химической реакции.
Поскольку глубина поглощения фотонов превышает глубину выхода электронов, поскольку освобожденные электроны в конечном итоге замедляются, они рассеивают свою энергию в конечном итоге в виде тепла. Длины волн EUV поглощаются гораздо сильнее, чем более длинные волны, поскольку их соответствующие энергии фотонов превышают ширину запрещенной зоны всех материалов. Следовательно, их эффективность нагрева значительно выше и отмечена более низкими порогами тепловой абляции 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 влиять на циркуляцию атмосферы и климатические модели в течение краткосрочных и долгосрочных солнечных циклов. [6]
Как и другие формы ионизирующего излучения , EUV и электроны, высвобождаемые напрямую или косвенно EUV-излучением, являются вероятным источником повреждения устройства . Повреждение может быть вызвано десорбцией оксида [7] или захваченным зарядом после ионизации. [8] Повреждение также может возникнуть из-за неопределенного положительного заряда из-за эффекта Малтера . Если свободные электроны не могут вернуться, чтобы нейтрализовать чистый положительный заряд, десорбция положительных ионов [9] является единственным способом восстановить нейтральность. Однако десорбция по сути означает, что поверхность деградирует во время воздействия, и, кроме того, десорбированные атомы загрязняют любую экспонированную оптику. Повреждение EUV уже было задокументировано в старении ПЗС-излучения телескопа Extreme UV Imaging Telescope (EIT). [10]
Радиационное повреждение — хорошо известная проблема, которая изучалась в процессе повреждения при плазменной обработке. Недавнее исследование в Университете Висконсина Синхротрон показало, что длины волн ниже 200 нм способны измеримо заряжать поверхность. [11] EUV-излучение показало положительный заряд в сантиметрах за пределами границ воздействия, в то время как VUV (вакуумное ультрафиолетовое) излучение показало положительный заряд в пределах границ воздействия.
Исследования с использованием фемтосекундных импульсов EUV на установке Free Electron Laser в Гамбурге ( FLASH ) показали пороги повреждения, вызванные термическим плавлением, ниже 100 мДж/см2 . [ 12]
Более раннее исследование [13] показало, что электроны, создаваемые «мягким» ионизирующим излучением, все еще могут проникать на глубину ~100 нм под поверхность, что приводит к нагреву.
Медиа, связанные с Экстремальный ультрафиолет на Wikimedia Commons