Исследование процесса охлаждения тонких криогенных струй азота и аргона применительно к микроскопии в мягком рентгеновском диапазоне
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2026-2-102-111Ключевые слова:
рентгеновская микроскопия, мягкое рентгеновское излучение, монодисперсные мишени, водное окно, плазма, капиллярный распад, криогенные струи, низкое давление, программная среда PHOENICS, аргон, азотАннотация
Создана экспериментальная установка и в ходе экспериментов подтверждена возможность получения криогенных монодисперсных мишеней из жидких струй азота и аргона. Установлено, что стабильный монодисперсный поток мишеней может быть получен до тех пор, пока струя полностью не замёрзнет. Для изучения влияния изменения температуры струи на стабильность капельного потока в программной среде PHOENICS численным методом исследовано изменение с течением времени температуры поверхности и внутренней части жидких струй азота и аргона в зависимости от диаметра струи, скорости, начальной температуры струи и внешнего давления. В соответствии с результатами численных исследований при инжекции тонких жидких струй азота или аргона в область низкого давления струи не успевают сразу замёрзнуть и могут быть разбиты на монодисперсные мишени. Использование таких мишеней в лазерно-плазменных источниках мягкого рентгеновского излучения позволит изучить живые клеточные культуры и различные нанобиообъекты в жидкой среде или в воздухе с предельным разрешением в несколько микрометров.
Библиографические ссылки
1. Berglund M. e. a. X-Ray Cryogenic Liquid-jet Target for Debris-free Laser-plasma Soft X-ray Generation // Rev. Sci. Instrum. 1998. V. 69(6). Pp. 2361—2364.
2. Реуновa Д.Г. и др. Определение размера лазерноплазменного источника ЭУФ-излучения для микроскопа // Поверхность, рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2023. № 8. С. 16—21.
3. Kubiak G.D., Kania D.R. Extreme Ultraviolet Lithography: from the Topical Meeting, May 1—3. Washington: Optical Soc. of America, 1996.
4. Kirz J., Jacobsen C., Howells M. Soft X-ray Microscopes and Their Biological Applications // Q. Rev. Biophys. 1995. V. 28(1). Pp. 33—130.
5. Kordel M., Dehlinger A. Laboratory Water-window X-ray Microscopy // Optica. 2020. V. 7(6). Pp. 658—675.
6. Langmore J.P., Smith M.F. Quantitative Energy-filtered Electron Microscopy of Biological Molecules in Ice // Ultra Microscopy. 1992. V. 46. Pp. 349—373.
7. Henke B.L., Gullikson E.M., Davis J.C. X-ray Interactions: Photo Absorption, Scattering, Transmission, and Reaction at E = 50 — 30,000 eV, Z = 1 — 92 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1993. V. 354. Pp. 181—342.
8. Wachulak P.W. e. a. A «Water Window» Tomography Based on a Laser-plasma Double-stream Gas-puff Target Soft X-ray Source // Appl. Phys. B: Lasers and Optics. 2019. V. 125(5). Pp. 2—11.
9. Snigireva I., Snigirev A. X-Ray Microanalytical Techniques Based on Synchrotron Radiation // J. Environ. Monit. 2006. V. 8. Pp. 33—42.
10. Richardson M. e. a. Characterization and Control of Laser Plasma Flux Parameters for Soft-X-ray Projection Lithography // Appl. Opt. 1993. V. 32. Pp. 6901—6910.
11. Калмыков С.Г., Буторин П.С. Ксеноновая лазерная плазма как источник излучения для литографии на длинах волн вблизи 11 нм // Оптический журнал. 2024. Т. 91. № 6. С. 47—61.
12. Гусева В.Е. и др. Способы формирования газовых, кластерных, спрейных и жидкостных мишеней в лазерно-плазменном источнике излучения // Приборы и техника эксперимента. 2023. № 4. С. 145—155.
13. Гусева В.Е. и др. Исследование эмиссионных свойств газоструйных мишеней в «водном окне прозрачности» 2.3−4.4 нм при импульсном лазерном возбуждении // Журнал технической физики. 2022. Т. 92. № 8. С. 1185—1191.
14. Rymell L., Hertz H.M. Droplet Target for Low-debris Laser-plasma soft X-ray Generation // Opt. Commun. 1993. V. 103. Pp. 105—110.
15. Malmqvist L. e. a. High-repetition-rate Droplet Target for Laser-plasma EUV Generation // Rev. Sci. Instrum. 1996. V. 67. P. 4150.
16. Гусева В.Е. и др. Эмиссионные спектры жидкоструйных мишеней гексана C6Н14, дихлорметана CH2Cl2, бромистого метилена CH3Br в диапазоне 4−20 нм при импульсном лазерном возбуждении // Оптика и спектроскопия. 2022. Т. 130. № 7. С. 991—995.
17. Hansson A.M. e. a. A Liquid-xenon-jet Laser-plasma X-ray and Euv Source // Microelectron. Eng. 2000. V. 53. Pp. 667—670.
18. Wieland M. e. a. EUV and Fast Ion Emission from Cryogenic Liquid Jet Target Laser-generated Plasma // Appl. Phys. B. 2001. V. 72. Pp. 591—597.
19. Nechay A.N. e. a. Emission Spectra of Light Inert Gases Ne and Ar in the 3 — 20 nm Range under Pulsed Laser Excitation Using Various Gas Jets as Targets // Optics and Spectroscopy. 2021. V. 129. V. 2. Pp. 185—190.
20. Бухаров А.В. и др. Криогенные корпускулярные мишени. Концепция и основная модель. M. Изд-во МЭИ, 2002.
21. Бухаров А.В. и др. Криогенные корпускулярные мишени (генерация гранул водорода: расчет основных конструкционных элементов, экспериментальный стенд, тесты). М.: ИТЭФ, 2005.
22. Weber C. Zum Zerfalleines Flussigkeitsstrahles (on the Breakdown of a Fluid Jet) // Z. Angew. Math. und Mech. 1931. V. 11. Pp. 136—154.
23. Boukharov A. e. a. Production of Hydrogen, Nitrogen and Argon Pellet with the Moscow — Julich Pellet Target // Int. J. Modern Phys. E. Nuclear Phys. 2009. V. 18(2). Pp. 505—510.
24. Official Site of Company CHAM [Офиц. сайт] www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_docs/tr313/tr313.html (дата обращения 09.06.2025).
25. Рабинович В.А. и др. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона. М. Изд-во стандартов, 1976.
26. Сычев В.В. и др. Термодинамические свойства азота. М.: Изд-во стандартов, 1977.
27. Gilgen R., Kleinrahm R., Wagner W. Measurement and Correlation of the (Pressure, Density, Temperature) Relation of Argon II. Saturated-liquid and Saturated-vapour Densities and Vapour Pressures Along the Entire Coexistence Curve // J. Chem. Thermodyn. 1994. V. 26. Pp. 399—413.
28. Frels W., Smith D.R., Ashworth T. Vapor Pressure of Nitrogen Below the Triple Point // Cryogenics 1974. V. 14. Pp. 3—7.
---
Для цитирования: Бухаров А.В., Гиневский А.Ф., Вишневский Е.В., Лаптева Е.Д. Исследование процесса охлаждения тонких криогенных струй азота и аргона применительно к микроскопии в мягком рентгеновском диапазоне // Вестник МЭИ. 2026. № 2. С. 102—111. DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-102-111
---
Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов
#
1. Berglund M. e. a. X-Ray Cryogenic Liquid-jet Target for Debris-free Laser-plasma Soft X-ray Generation. Rev. Sci. Instrum. 1998;69(6):2361—2364.
2. Reunova D.G. i dr. Opredelenie Razmera Lazernoplazmennogo Istochnika EUF-izlucheniya Dlya Mikroskopa. Poverkhnost', Rentgenovskie, Sinkhrotronnye i Neytronnye Issledovaniya. 2023;8:16—21. (in Russian).
3. Kubiak G.D., Kania D.R. Extreme Ultraviolet Lithography: from the Topical Meeting, May 1—3. Washington: Optical Soc. of America, 1996.
4. Kirz J., Jacobsen C., Howells M. Soft X-ray Microscopes and Their Biological Applications. Q. Rev. Biophys. 1995;28(1):33—130.
5. Kordel M., Dehlinger A. Laboratory Water-window X-ray Microscopy. Optica. 2020;7(6):658—675.
6. Langmore J.P., Smith M.F. Quantitative Energy-filtered Electron Microscopy of Biological Molecules in Ice. Ultra Microscopy. 1992;46:349—373.
7. Henke B.L., Gullikson E.M., Davis J.C. X-ray Interactions: Photo Absorption, Scattering, Transmission, and Reaction at E = 50 — 30,000 eV, Z = 1 — 92. Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1993;354:181—342.
8. Wachulak P.W. e. a. A «Water Window» Tomography Based on a Laser-plasma Double-stream Gas-puff Target Soft X-ray Source. Appl. Phys. B: Lasers and Optics. 2019;125(5):2—11.
9. Snigireva I., Snigirev A. X-Ray Microanalytical Techniques Based on Synchrotron Radiation. J. Environ. Monit. 2006;8:33—42.
10. Richardson M. e. a. Characterization and Control of Laser Plasma Flux Parameters for Soft-X-ray Projection Lithography. Appl. Opt. 1993;32:6901—6910.
11. Kalmykov S.G., Butorin P.S. Ksenonovaya Lazernaya Plazma kak Istochnik Izlucheniya dlya Litografii na Dlinakh Voln Vblizi 11 nm. Opticheskiy Zhurnal. 2024;91;6:47—61. (in Russian).
12. Guseva V.E. i dr. Sposoby Formirovaniya Gazovykh, Klasternykh, Spreynykh i Zhidkostnykh Misheney v Lazerno-plazmennom Istochnike Izlucheniya. Pribory i Tekhnika Eksperimenta. 2023;4:145—155. (in Russian).
13. Guseva V.E. i dr. Issledovanie Emissionnykh Svoystv Gazostruynykh Misheney v «Vodnom Okne Prozrachnosti» 2.3−4.4 nm pri Impul'snom Lazernom Vozbuzhdenii. Zhurnal Tekhnicheskoy Fiziki. 2022;92;8:1185—1191. (in Russian).
14. Rymell L., Hertz H.M. Droplet Target for Low-debris Laser-plasma soft X-ray Generation. Opt. Commun. 1993;103:105—110.
15. Malmqvist L. e. a. High-repetition-rate Droplet Target for Laser-plasma EUV Generation. Rev. Sci. Instrum. 1996;67:4150.
16. Guseva V.E. i dr. Emissionnye Spektry Zhidkostruynykh Misheney Geksana C6N14, Dikhlormetana CH2Cl2, Bromistogo Metilena CH3Br v Diapazone 4−20 nm pri Impul'snom Lazernom Vozbuzhdenii. Optika i Spektroskopiya. 2022;130;7:991—995. (in Russian).
17. Hansson A.M. e. a. A Liquid-xenon-jet Laser-plasma X-ray and Euv Source. Microelectron. Eng. 2000;53:667—670.
18. Wieland M. e. a. EUV and Fast Ion Emission from Cryogenic Liquid Jet Target Laser-generated Plasma. Appl. Phys. B. 2001;72:591—597.
19. Nechay A.N. e. a. Emission Spectra of Light Inert Gases Ne and Ar in the 3 — 20 nm Range under Pulsed Laser Excitation Using Various Gas Jets as Targets. Optics and Spectroscopy. 2021;129;2:185—190.
20. Bukharov A;i dr. Kriogennye Korpuskulyarnye Misheni. Kontseptsiya i Osnovnaya Model'. M. Izd-vo MEI, 2002. (in Russian).
21. Bukharov A.V. i dr. Kriogennye Korpuskulyarnye Misheni (Generatsiya Granul Vodoroda: Raschet Osnovnykh Konstruktsionnykh Elementov, Eksperimental'nyy Stend, Testy). M.: ITEF, 2005. (in Russian).
22. Weber C. Zum Zerfalleines Flussigkeitsstrahles (on the Breakdown of a Fluid Jet). Z. Angew. Math. und Mech. 1931;11:136—154.
23. Boukharov A. e. a. Production of Hydrogen, Nitrogen and Argon Pellet with the Moscow — Julich Pellet Target. Int. J. Modern Phys. E. Nuclear Phys. 2009;18(2):505—510.
24. Official Site of Company CHAM [Ofits. Sayt] www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_docs/tr313/tr313.html (Data Obrashcheniya 09.06.2025).
25. Rabinovich V.A. i dr. Teplofizicheskie Svoystva Neona, Argona, Kriptona i Ksenona. M. Izd-vo Standartov, 1976. (in Russian).
26. Sychev V.V. i dr. Termodinamicheskie Svoystva Azota. M.: Izd-vo Standartov, 1977. (in Russian).
27. Gilgen R., Kleinrahm R., Wagner W. Measurement and Correlation of the (Pressure, Density, Temperature) Relation of Argon II. Saturated-liquid and Saturated-vapour Densities and Vapour Pressures Along the Entire Coexistence Curve. J. Chem. Thermodyn. 1994;26:399—413.
28. Frels W., Smith D.R., Ashworth T. Vapor Pressure of Nitrogen Below the Triple Point. Cryogenics 1974;14:3—7
---
For citation: Bukharov A.V., Ginevsky A.F., Vishnevsky E.V., Lapteva E.D. On the Cooling of Thin Nitrogen and Argon Cryogenic Jets as Applied to Soft X-ray Microscopy. Bulletin of MPEI. 2026;2:102—111. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2026-2-102-111
---
Conflict of interests: the authors declare no conflict of interest
