Экспериментальное исследование особенностей циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке

• Автор: Мансфельд, Дмитрий Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Глава 1. Описание экспериментальной установки и методов диагностики
1.1. Экспериментальная установка
1.2. Методы диагностики
Глава 2. Исследование циклотронной неустойчивости плазмы ЭЦР разряда
2.1. Исследование параметров плазмы ЭЦР разряда
2.2. Результаты экспериментов
2.3. Теоретическая интерпретация
Глава 3. Исследование вспышечных процессов при циклотронной неустойчивости в
распадающейся плазме ЭЦР разряда
3.1. Описание результатов эксперимента
3.2 Теоретическая модель циклотронных неустойчивостей в распадающейся
плазме
3.3. Нелинейная теория циклотронного мазера в распадающейся плазме
3.4. Обсуждение результатов экспериментов
Заключение
Список публикаций по теме диссертации
Литература
Исследования СВЧ разряда в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) остаются актуальными на протяжении нескольких последних десятилетий. Интерес к исследованиям обусловлен широким распространением ЭЦР разряда в фундаментальной физике и развитием различного рода приложений. Например, в микроэлектронике плазменные технологии па основе ЭЦР разряда находят применение при прецизионном травлении наноструктур [1-3], осаждении тонких пленок [1,3,4,5], ионной имплантации [3, 4-7]. ЭЦР разряд является эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений именно того диапазона длин волн, который представляется наиболее перспективным для проекционной литографии высокого разрешения [8]. В ядерной физике одним из наиболее важных приложений ЭЦР разряда в магнитной ловушке явилось создание источников многозарядных ионов тяжелых газов, предназначенных для инжекции в циклотронные ускорители [9-11]. Отметим также и традиционное приложение ЭЦР нагрева в экспериментах в рамках программы управляемого термоядерного синтеза (УТС) [12-15].
В указанных исследованиях основным процессом, ограничивающим достижение предельных параметров плазмы, является развитие различного рода плазменных неустойчивостей. Уже первые эксперименты, проведенные в целом ряде лабораторий, показали, что плазма, удерживаемая в магнитных ловушках, подвержена неустойчивостям, существенно ограничивающим ее время жизни [16-18]. В ходе работ в 60-70 е годы, связанных главным образом с проблемой УТС, удалось понять природу и объяснить физические механизмы целого ряда неустойчивостей. Наиболее опасные -магнитогидродинамические неустойчивости - удалось стабилизировать, перейдя к магнитным ловушкам, основанным на принципе «минимум В» [19]. Наряду с гидродинамическими, в плазме могут развиваться более тонкие кинетические неустойчивости, обусловленные неравновесностью функции распределения заряженных

частиц по скоростям. Условия для формирования неравновесных функций распределения в плазме создаются, главным образом, под действием того или иного механизма нагрева, когда энергия вкладывается в выделенную в пространстве импульсов группу частиц. Так, особенностью нагрева плазмы в условиях электронно-циклотронного резонанса является формирование анизотропной функции распределения электронов по скоростям, поскольку под действием электрического поля волны, электроны приобретают преимущественно поперечную по отношению к магнитному полю скорость. Кроме того, анизотропия функции распределения может быть обусловлена наличием области потерь в фазовом пространстве частиц, характерной для адиабатических магнитных ловушек [20]. Частицы с малыми поперечными скоростями (по отношению к магнитному полю) попадают в т.н. «конус потерь» в пространстве скоростей и выносятся из ловушки. В результате, функция распределения частиц, удерживаемых в адиабатической магнитной ловушке, характеризуется преобладанием средней поперечной кинетической энергии Гх по отношению к магнитному полю над продольной 7J.
Одной из наиболее распространенных кинетических неустойчивостей в анизотропной плазме является циклотронная неустойчивость электромагнитных волн, впервые предсказанная в [21], и подробно рассмотренная в ряде работ [22-23]. При общем рассмотрении циклотронная неустойчивость представляет собой результат резонансного взаимодействия неравновесных частиц с одной из собственных волн плазмы. В данной работе рассматриваются неустойчивости, вызываемые неравновесным распределением по скоростям «горячих» электронов, поскольку их образование является характерной особенностью ЭЦР нагрева.1 Электроны, для которых выполнено условие циклотронного резонанса co-k,Vt=coBi; (где со- частота волны, ktj и V]{ - составляющие волнового
вектора и скорости электрона в направлении магнитного поля 50, соНс - электронная
1 Циклотронная неустойчивость электромагнитных волн, раскачиваемых ионами (протонами) с
анизотропным распределением по скоростям широко исследовалась в ионно-горячей плазме [24-25], и
применительно к магнитосферному альвеновскому мазеру [26].

Энергия фотонов, кэВ
Рисунок 2.1. Спектральная интенсивность рентгеновского излучения плазмы. Усреднение по всему объему ловушки и времени существования плазмы [66, 72]. Прямые линии соответствуют максвелловским распределениям по энергиям: 1 - фоновая плазма (7) = 327 эВ, ЛГе = 2.6 -1013 см'3), 2 - горячие электроны (7], = 8.4 кэВ, Nll = 5.5 ■ Ю10 см'3).