Investigation of the radiation characteristic in the vacuum UV spectral range of a resonant microwave-heated plasma

Abstract

Mit der vorliegenden Arbeit wurden eine auf dem Prinzip der Elektron-Zyklotron-Resonanz-Heizung beruhende Plasmastrahlungsquelle entwickelt und die Strahlungsemission des Plasmas im Vakuum-UV mittels quantitativer und ortsaufgelöster Spektroskopie untersucht. Die Strahlungsquelle erzeugt im Dauerstrich-Betrieb mit Mikrowellenleistungen bis 50 W und einer Resonanzfrequenz von 10 GHz intensive Linienstrahlung bis in den Röntgenbereich. Plasmen der Edelgase von Helium bis Xenon sowie von Stickstoff wurden untersucht. Die Spektren zeigen charakteristische Emissionslinien hoher Ladungszustände wie N 5+ oder Ar 12+ . Die Untersuchung der Abhängigkeit der Phasenlage der Mikrowelle zur Resonanzzone ergab drei sich wesentlich in ihrer Elektronenenergie- und Ladungszustandsverteilung unterscheidende Zust¨ ande des EZR-Plasmas. Die experimentelle Bestätigung theoretischer Simulationen zur Dichte- und Energiedichteverteilung der Elektronen im Plasma anhand der Strahldichteprofile im VUV und die Auswertung simultan gemessener VUV- und Röntgenspektren bezüglich der Ladungszustands- und Elektronenenergieverteilung erklären das Auftreten dieser drei Zustände. Es wurde gezeigt, dass hochgeladene Ionen und hohe Strahlstärken der VUV-Emissionslinien nur bei einem hohen Energieübertrag von der Mikrowelle auf die magnetisch gut eingeschlossenen Plasmaelektronen und bei niedrigen Arbeitsgasdrücken erreicht werden können (Zustand maximalen Ionisationsgrades). Bei einer zu niedrigen Dichte der atomaren Plasmakomponente bzw. einer zu hohen Mikrowellenleistung entkoppeln jedoch die hochenergetischen Elektronen vom Plasma. Die Strahlstärke der VUV-Emission geht dann um mehrere Größenordnungen zurück und das Plasma ist nur schwach ionisiert (Zustand maximaler Elektronenenergie). Bei einer Energieübertragung von der Mikrowelle vorrangig auf magnetisch nicht eingeschlossene Elektronen werden hohe Dichten niederenergetischer Elektronen jedoch keine hochenergetischen Elektronen erzeugt. Das Plasma emittiert dann im VUV intensive Linienstrahlung niedrig geladener Ionen (Zustand maximaler Strahlstärke im VUV). In dem Zustand des EZR-Plasmas, der durch das Auftreten hoher Ladungszustände gekennzeichnet ist, erfüllt die Strahlungsquelle wesentliche Anforderungen, die an radiometrische Transfernormale zur Kalibrierung der nächsten Generation weltraumgestützter VUV-Spektrometersysteme für die Beobachtung heißer, optisch dünner stellarer Plasmen gestellt werden. Sie emittiert Linienstrahlung auch hoher Ladungszustände bis in den Röntgenbereich bei praktisch unbegrenzter Betriebsdauer. Die Beschränkungen der etablierten Transfernormale Hohlkathoden- und Penningentladungsquellen (keine hohen Ladungszustände, Strahlungsemission nur oberhalb von 10 nm, begrenzte Betriebsdauer) werden so überwunden