Interakce intenzivního XUV/rtg. záření s hmotou

Die chemischen Wirkungen der Röntgenstrahlen kommen auf ganz andere Weise zustande als die chemischen Wirkungen des Lichtes. [J. Eggert: Lehrbuch der physikalischen Chemie in elementarer Darstellung. Sechste Auflage, S. Hirzel, Leipzig; Seite 654]

Ačkoli interakce intenzivního elektromagnetického, především laserového, záření s hmotou je velmi dobře prostudována v UV-Vis-IR oborech spektra [1], s klesající vlnovou délkou se míra našich znalostí o interakčních procesech dramaticky snižuje. Na vlnových délkách kratších než 100 nm, tedy v XUV spektrálním oboru, resp. pod 30 nm, což představuje hranici měkké rentgenové (rtg.) oblasti, existuje zatím zatím jen několik desítek prací věnovaných procesům indukovaným vysokoenergetickými impulzy takového záření na povrchu různých materiálů. Přehled raných prací jsme podali např. v [2,3]. Samostatné a důkladné studium těchto procesů je přitom nutné, neboť k absorpci krátkovlnného, tj. XUV a rtg záření dochází úplně jinak, než k absorpci optického záření a prostá extrapolace interakčních jevů z optického do rtg. oboru může být krajně zavádějící. To je již drahnou dobu známo radiačním chemikům (viz citát v záhlaví). Interakce XUV/rtg. záření s hmotou

a) probíhá převážně fotoefektem a je tedy ve svých základních charakteristikách závislá především na prvkovém složení materiálu a jeho hustotě; jen velmi slabě závisí na jeho chemické konstituci,
b) vede k narušení struktury materiálu i jednotlivými fotony, které nesou energii vysoce převyšující disociační energie kovalentních vazeb, energie zakázaných pásů a kohezní energie krystalů,
c) není omezována odrazem záření na kritické ploše plazmatu, protože kritická hustota silně závisí na vlnové délce a pro XUV/rtg. záření dosahuje elektronové hustoty pevné fáze. Záření tedy proniká do nitra hmoty, rovnoměrně ji ionizuje a prohřívá, za vzniku relativně chladného a hustého plazmatu.

Kromě snahy o fundamentální porozumění zmíněných procesů, lze pro jejich systematický výzkum rozpoznat i několik praktických důvodů:

1) Je třeba získat spolehlivé poznatky o podmínkách a následcích interakce intenzivního XUV/rtg. záření s materiály rentgenové optiky vedoucích k jejich poškození (fázové přechody, zdrsnění povrchu, ablace), které umožní posoudit vhodnost a meze použitelnosti různých optických prvků zamýšlených a vyvíjených pro nové zdroje krátkovlnného záření o vysokém jasu, především rtg. lasery na volných elektronech.
2) Další třídou materiálů, které stojí v popředí praktického zájmu jsou ty, o kterých se uvažuje ke konstrukci vnitřního pláště (tzv. first wall materials) termojaderných reaktorů. Ty musí odolat vysokým tokům XUV/rtg. záření, neutronů, nabitých částic a velkých množství expandujícího rekombinujícího plazmatu. Naše experimenty a počítačové simulace, zaměřené na poškození XUV/rtg. zářením, umožní vybrat a certifikovat materiály vhodné pro prostředí, v němž taková emise hraje nezanedbatelnou roli.
3) Intenzivní XUV/rtg záření by mělo být vzhledem ke své krátké vlnové délce schopno na površích různých materiálů přímo (desorpčně či ablačně) vytvářet struktury s charakteristickými rozměry desítek nanometrů. Zajímají nás tudíž možnosti přenosu našich výsledků do sféry vývoje nových technologií nanostrukturování technicky významných materiálů.
4) Následky interakce XUV/rtg. záření s vhodně zvolenými materiály lze využít ke stanovení charakteristik pole záření. Můžeme například rekonstruovat prostorové rozložení intenzity ve fokusovaném svazku XUV/rtg. laseru desorpčně (mnoha pulzy) nebo ablačně (jedním impulzem) otištěném v materiálu. Zmíněné procesy lze využít i pro určení celkového obsahu energie v pulzu.
5) Volumetrickým ohřevem látky, který jsme výše zmínili pod bodem c), můžeme vytvořit dobře definované, velmi husté plazma s relativně nízkou elektronovou teplotou T_e ~ 10eV, tzv. prohřátou hustou hmotu (WDM - warm dense matter). Její výzkum je důležitý především pro astrofyziku a inerciální termojadernou syntézu.

V uplynulé dekádě se naše úsilí soustředilo na studium interakčních jevů krátkovlnného záření s výše uvedenou motivací; podrobný popis dosažených výsledků je předmětem prací [3-22].

Vybrané publikace:
1. M. von Allmen M., A. Blatter: Laser-Beam Interactions with Materials, 2. vydání, Springer-Verlag, Berlin-Heidelberg-New York 1995 a celá řada dalších monografií a přehledových článků.
2. L. Juha: Ablace materiálů měkkým rentgenovým zářením, Čs. čas. fyz. 50, 110 (2000).
3. L. Juha, M. Bittner, D. Chvostová, J. Krása, M. Kozlová, M. Pfeifer, J. Polan, A. R. Präg, B. Rus, M. Stupka, J. Feldhaus, V. Letal, Z. Otčenášek, J. Krzywinski, R. Nietubyc, J. B. Pelka, A. Andrejczuk, R. Sobierajski, L. Ryc, F. P. Boody, H. Fiedorowicz, A. Bartnik, J. Mikolajczyk, R. Rakowski, P. Kubát, L. Pína, M. Horváth, M. E. Grisham, G. O. Vaschenko, C. S. Menoni, J. J. Rocca: Short-wavelength ablation of molecular solids: pulse duration and wavelength effects, J. Microlith. Microfab. Microsyst. 4, 033007 (2005) a citace tam uvedené.
4. L. Juha, J. Krása, A. Präg, A. Cejnarová, D. Chvostová, K. Rohlena, K. Jungwirth, J. Kravárik, P. Kubeš, Yu. L. Bakshaev, A. S. Chernenko, V. D. Korolev, V. I. Tumanov, M. I. Ivanov, A. Bernardinello, J. Ullschmied, F. P. Boody: Ablation of poly(methyl methacrylate) by a single pulse of soft X-rays emitted from Z-pinch and laser-produced plasmas, Surf. Rev. Lett. 9, 347 (2002).
5. L. Juha, M. Bittner, D. Chvostová, V. Létal, J. Krása, Z. Otčenášek, M. Kozlová, J. Polan, A. R. Präg, B. Rus, M. Stupka, J. Krzywinski, A. Andrejczuk, J. B. Pelka, R. Sobierajski, L. Ryc, J. Feldhaus, F. P. Boody, M. E. Grisham, G. O. Vaschenko, C. S. Menoni, J. J. Rocca: XUV-laser induced ablation of PMMA with nano-, pico-, and femtosecond pulses, J. Electron. Spectrosc. Rel. Phenom. 144-147, 929 (2005).
6. L. Juha, M. Bittner, D. Chvostova, J. Krasa, Z. Otcenasek, A. R. Präg, J. Ullschmied, Z. Pientka, J. Krzywinski, J. B. Pelka, A. Wawro, M. E. Grisham, G. Vaschenko, C. S. Menoni, and J. J. Rocca: Ablation of organic polymers by 46.9-nm laser radiation, Appl. Phys. Lett. 86, 034109 (2005).
7. A. Bartnik, H. Fiedorowicz, R. Jarocki, L. Juha, J. Kostecki, R. Rakowski, M. Szczurek: Strong temperature effect on X-ray photo-etching of polytetrafluoroethylene using a 10 Hz laser-plasma radiation source based on a gas puff target, Appl. Phys. B 82, 529 (2006).
8. T. Mocek, B. Rus, M. Kozlová, M. Stupka, A. R. Präg, J. Polan, M. Bittner, R. Sobierajski, L. Juha: Focusing a multimillijoule soft x-ray laser at 21 nm, Appl. Phys. Lett. 89, 051501 (2006).
9. N. Stojanovic, D. von der Linde, K. Sokolowski-Tinten, U. Zastrau, F. Perner, E. Foerster, R. Sobierajski, R. Nietubyc, M. Jurek, D. Klinger, J. Pelka, J. Krzywinski, L. Juha, J. Cihelka, A. Velyhan, S. Koptyaev, V. Hajkova, J. Chalupsky, J. Kuba, T. Tschentscher, S. Toleikis, S. Duesterer, H. Redlin: Ablation of solids using a femtosecond extreme ultraviolet free electron laser, Appl. Phys. Lett. 89, 241909 (2006).
10. S. P. Hau-Riege, H. N. Chapman, J. Krzywinski, R. Sobierajski, S. Bajt, R. A. London, M. Bergh, C. Caleman, R. Nietubyc, L. Juha, J. Kuba, E. Spiller, S. Baker, R. Bionta, K. Sokolowski-Tinten, N. Stojanovic, B. Kjornrattanawanich, E. Gullikson, E. Ploenjes, S. Toleikis, T. Tschentscher: Subnanometer-scale measurements of the interaction of ultrafast soft X-ray free-electron-laser pulses with matter, Phys. Rev. Lett. 98, 145502 (2007).
11. S. P. Hau-Riege, R. A. London, R. M. Bionta, M. A. McKernan, S. L. Baker, J. Krzywinski, R. Sobierajski, R. Nietubyc, J. B. Pelka, M. Jurek, L. Juha, J. Chalupský, J. Cihelka, V. Hájková, A. Velyhan, J. Krása, J. Kuba, H. Wabnitz, K. Tiedtke, S. Toleikis, T. Tschentscher, M. Bergh, C. Caleman, K. Sokolowski-Tinten, N. Stojanic, U. Zastrau: Damage threshold of inorganic solids under free-electron-laser irradiation at 32.5 nm wavelength, Appl. Phys. Lett. 90, 173128 (2007).
12. J. Chalupský, L. Juha, J. Kuba, J. Cihelka, V. Háková, S. Koptyaev, J. Krása, A. Velyhan, M. Bergh, C. Caleman, J. Hajdu, R. M. Bionta, H. Chapman, S. P. Hau-Riege, R. A. London, M. Jurek, J. Krzywinski, R. Nietubyc, J. B. Pelka, R. Sobierajski, J. Meyer-ter-Vehn, A. Krenz-Tronnier, K. Sokolowski-Tinten, N. Stojanovic, K. Tiedtke, S. Toleikis, T. Tschentscher, H. Wabnitz, U. Zastrau: Characteristics of focused soft X-ray free-electron laser beam determined by ablation of organic molecular solids, Opt. Express 15, 6036 (2007).
13. J. Krzywinski, R. Sobierajski, M. Jurek, R. Nietubyc, J. B. Pelka, L. Juha, M. Bittner, V. Letal, V. Vorlicek, A. Andrejczuk, J. Feldhaus, B. Keitel, E. Saldin, E. Schneidmiller, R. Treusch, M. Yurkov: Conductors, semiconductors and insulators irradiated with short-wavelength free-electron laser, J. Appl. Phys. 101, 043107 (2007).
14. T. Mocek, B. Rus, M. Kozlová, J. Polan, P. Homer, L. Juha, V. Hájková, J. Chalupský: Single-shot soft x-ray laser-induced ablative microstructuring of organic polymer with demagnifying projection, Opt. Lett. 33, 1087 (2008).
15. J. Chalupský, L. Juha, V. Hájková, J. Cihelka, L. Vyšín, J. Gautier, J. Hajdu, S. P. Hau-Riege, M. Jurek, J. Krzywinski, R. A. London, E. Papalazarou, J. B. Pelka, G. Rey, S. Sebban, R. Sobierajski, N. Stojanovic, K. Tiedtke, S. Toleikis, T. Tschentscher, C. Valentin, H. Wabnitz, and P. Zeitoun: Non-thermal desorption/ablation of molecular solids induced by ultra-short soft x-ray pulses, Opt. Express 17, 208 (2009).
16. T. Mocek, J. Polan, P. Homer, K. Jakubczak, B. Rus, I. J. Kim, C. M. Kim, G. H. Lee, C. H. Nam, V. Hájková, J. Chalupský, L. Juha: Surface modification of organic polymer by dual action of XUV/Vis-NIR ultrashort pulses, J. Appl. Phys. 105, 026105 (2009).
17. A. J. Nelson, S. Toleikis, H. Chapman, S. Bajt, J. Krzywinski, J. Chalupsky, L. Juha, J. Cihelka, V. Hajkova, L. Vysin, T. Burian, M. Kozlova, R.R. Fäustlin, B. Nagler, S.M. Vinko, T. Whitcher, T. Dzelzainis, O. Renner, K. Saksl, A. R. Khorsand, P. A. Heimann, R. Sobierajski, D. Klinger, M. Jurek, J. Pelka, B. Iwan, J. Andreasson, N. Timneanu, M. Fajardo, J.S. Wark, D. Riley, T. Tschentscher, J. Hajdu, R. W. Lee: Soft x-ray free electron laser microfocus for exploring matter under extreme conditions, Opt. Express 17, 18271 (2009).
18. J. Chalupský, V. Hájková, V. Altapova, T. Burian, A. J. Gleeson, L. Juha, M. Jurek, H. Sinn, M. Störmer, R. Sobierajski, K. Tiedtke, S. Toleikis, Th. Tschentscher, L. Vyšín, H. Wabnitz, J. Gaudin: Damage of amorphous carbon induced by soft x-ray femtosecond pulses above and below the critical angle, Appl. Phys. Lett. 95, 031111 (2009).
19. B. Nagler, U. Zastrau, R. Fäustlin, S. M. Vinko, T. Whitcher, A. J. Nelson, R. Sobierajski, J. Krzywinski, J. Chalupsky, E. Abreu, S. Bajt, T. Bornath, T. Burian, H. Chapman, J. Cihelka, T. Döppner, S. Düsterer, T. Dzelzainis, M. Fajardo, E. Förster, C. Fortmann, E. J. Galtier, S. H. Glenzer, S. Göde, G. Gregori, V. Hajkova, P. Heimann, L. Juha, M. Jurek, F. Y. Khattak, A. R. Khorsand, D. Klinger, M. Kozlova, T. Laarmann, H. J. Lee, R. Lee, K.-H. Meiwes-Broer, P. Mercere, W. J. Murphy, A. Przystawik, R. Redmer, H. Reinholz, D. Riley, G. Röpke, F. Rosmej, K. Saksl, R. Schott, R. Thiele, J. Tiggesbäumker, S. Toleikis, T. Tschentscher, I. Uschmann, H. J. Vollmer, J. Wark: Turning solid aluminium transparent by intense soft X-ray photo-ionization, Nature Physics 5, 693 (2009).
20. L. Juha, V. Hájková, J. Chalupský, V. Vorlíček, A. Ritucci, A. Reale, P. Zuppella, M. Störmer: Radiation damage to amorphous carbon thin films irradiated by multiple 46.9 nm laser shots below the single-shot damage threshold, J. Appl. Phys. 105, 093117 (2009).
21. A. R. Khorsand, R. Sobierajski, E. Louis, S. Bruijn, E. D. van Hattum, R. W. E. van de Kruijs, M. Jurek, D. Klinger, J. B. Pelka, L. Juha, T. Burian, J. Chalupsky, J. Cihelka, V. Hajkova, L.Vysin, U. Jastrow, N. Stojanovic, S. Toleikis, H. Wabnitz, K. Tiedtke, K. Sokolowski-Tinten, U. Shymanovich, J.Krzywinski, S. Hau-Riege, R. London, A. Gleeson, E.M. Gullikson, F. Bijkerk: Single shot damage mechanism of Mo/Si multilayer optics under intense pulsed XUV-exposure, Opt. Express 18, 707 (2010).
22. S. M. Vinko, U. Zastrau, S. Mazevet, J. Andreasson, S. Bajt, T. Burian, J. Chalupsky, H. N. Chapman, J. Cihelka, D. Doria, T. Döppner, S. Düsterer, T. Dzelzainis, R. R. Fäustlin, C. Fortmann, E. Förster, E. Galtier, S. H. Glenzer, S. Göde, G. Gregori, J. Hajdu, V. Hajkova, P. A. Heimann, R. Irsig, L. Juha, M. Jurek, J. Krzywinski, T. Laarmann, H. J. Lee, R.W. Lee, B. Li, K.-H. Meiwes-Broer, J. P. Mithen, B. Nagler, A. J. Nelson, A. Przystawik, R. Redmer, D. Riley, F. Rosmej, R. Sobierajski, F. Tavella, R. Thiele, J. Tiggesbäumker, S. Toleikis, T. Tschentscher, L. Vysin, T. J. Whitcher, S. White, J. S. Wark: Electronic structure of an XUV photogenerated solid-density aluminum plasma, Phys. Rev. Lett. 104, 225001 (2010).