Исследование и оптимизация источников вакуумного ультрафиолетового излучения на основе плазмы инертных газов

• Автор: Зверева, Галина Николаевна
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 237 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Источники ВУФ излучения, методы их исследования и оптимизации, области применения ВУФ излучения

1.1 Источники некогерентного ВУФ излучения

1.2 Источники когерентного ВУФ излучения

Глава 2. Исследование барьерных разрядов в тяжёлых инертных газах

2.1 Анализ результатов экспериментальных исследований барьерных разрядов в Аг, Кг и Хе

2.2 Численные исследования плазмы барьерных разрядов

Глава 3. Исследование излучательных характеристик смесей чистых инертных газов и смесей инертных газов с галогенами в ВУФ диапазоне спектра

3.1 Исследование излучательных характеристик смеси Кг-Хе

3.2 Исследование излучательных характеристик смеси Кг-В

Глава 4. Исследование эксимерных источников излучения на основе положительного столба тлеющего разряда
Глава 5. Исследование эксимерных источников света, возбуждаемых пучком электронов
5.1 Уравнение Больцмана для расчета ФРЭЭ в пучковой плазме
5.2 Результаты расчётов и их обсуждение
Глава 6. Исследование когерентных источников излучения на основе димеров инертных газов
6.1 Исследование усилительных свойств газоразрядной плазмы криптона с УФ предыонизацией
6.2 Исследование возможности применения объемного разряда, инициируемого пучком электронных лавин, для создания лазера на димерах криптона

Глава 7. Исследование фотохимического воздействия ВУФ излучения
7.1 Изучение фоторазложения молекул воды под действием ВУФ излучения.
7.2 Исследование разложения ароматических хлор-содержащих соединений .
7.3 Исследование биологического воздействия эксимерных источников излучения
Заключение
Приложение
1. Плазмохимические реакции в газоразрядной плазме инертных газов высоких давлений
2. Численное решение уравнения Больцмана
Литература

Введение
Диссертация посвящена исследованию источников света на основе двухатомных эксимерных молекул тяжёлых инертных газов (Ar, Кг, Хе). Данные молекулы образуют устойчивые связи только в возбужденных состояниях, радиационный распад с которых приводит к излучению полос лежащих в вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазоне длин волн. Положение полосы зависит от сорта молекулы: максимумам полос излучения гомоядерных эксимерных молекул (димеров) Аг2* , Кгг *, Хе2* соответствуют длины волн 126 нм, 146 нм и 172 нм соответственно. В промежутках между полосами димеров лежат полосы излучения гетероядерных эксиплексных молекул АгКг*, КгХе*, АгХе*, образующихся при возбуждении смесей инертных газов. Таким образом, область от 120 до 180 нм полностью перекрывается спектрами эксимеров инертных газов. Полосы излучения эксимеров инертных газов лежат на границе коротковолнового спектрального диапазона, допускающего использование оконных технологий вывода излучения. Энергия кванта в 1.5-2 раза превышает энергию кванта излучения ртутных ламп, что позволяет инициировать фотопроцессы с более высокими энергетическими порогами. Излучатели, использующие в качестве активных сред инертные газы, экологически чистые и не требуют утилизации после окончания срока использования.
Эксимерные молекулы эффективно образуются в плотной низкотемпературной плазме при давлениях инертных газов более 100 Topp. Для получения плазмы и возбуждения свечения в ней эксимеров используются различные способы: применяют безэлектродные разряды барьерного типа [1], обычный тлеющий разряд [2], микроволновый разряд [3], возбуждают пучком электронов [4].
Традиционно в качестве источников УФ-ВУФ излучения используется узкий круг ламп, в основном это ртутные лампы низкого давления (185 нм, 254 нм) и ксеноновые импульсные лампы, обладающие широкополосным спектром (190-600 нм). Недостатками ртутных ламп являются: наличие риска загрязнения окружающей среды парами ртути в процессах производства и эксплуатации, необходимость демеркуризации использованных ламп, узкополосный спектр излучения, основным недостатком ксеноновых импульсных ламп - короткий срок службы, обусловленный распылением электродов и загрязнением рабочего газа.
Указанных недостатков лишены источники света на основе эксимеров инертных газов. Источники данного типа, использующие для возбуждения излучения барьерные

позволяло снизить необходимое для получения генерации давление с 30 атм до Ю атм, коэффициент усиление при этом г составлял величину 0.1 см'1. Агг лазер с высокой пиковой, мощностью (2 МВт), в импульсе длительностью 10 не и коэффициентом усиления10.13 см"1 был разработан в работе [123]. Накачка осуществлялась электронным пучком, давление аргона составляло 39 атм.
Работы [9,124] посвящены генерации импульсов ВУФ излучения субпикосекундной длительности с высокой частотой повторения (~ 1 кГц). Начальные импульсы когерентного ВУФ излучения (126 нм) получали путем нелинейного преобразования импульсов ТпБаррЫге инфракрасного лазера (882 нм) длительностью 100-200 фс. Далее излучение усиливалось в плазме аргона, образующейся при оптическом пробое под действием ИК импульсов того же ТпБаррЫге инфракрасного лазера (произведение длина-коэффициент усиления достигало величины 4.5 и 5). В результате на выходе установки были получены импульсы когерентного усиленного ВУФ излучения длительностью 100-200 фс. Использование конечного усилителя на
газоразрядной плазме аргона позволило получить энергию ВУФ излучения 1 мДж при
длительности импульса в 100 фс. Создание мощного ВУФ лазера генерирующего импульсы субпикосекундной длительности открывает новые возможности в области коротковолновых технологий обработки материалов. Импульсы такой длительности, по сравнению с наносекундными, обладают уникальными возможностями при
взаимодействии излучения со средой: они настолько коротки, что проникают в материал только на глубины порядка нескольких нанометров, что позволяют проводить низкотемпературную трехмерную обработку материалов с пространственным
наномасштабным (-100 нм) разрешением [9].
Получению генерации на димерах, образующихся в газоразрядной плазме инертных газов, посвящены экспериментальные [125-128] и теоретические [129-131] работы. Экспериментальные исследования усиления на ВУФ переходах эксимеров проводились в плазме СВЧ разряда в криптоне при давлениях до 5 атм и высокой мощности вкладываемой энергии (до 107 Вт/см3), при этом наблюдалось сужение контура излучения эксимеров Кгг*, что трактовалось как наличие усиления в среде [125]. В [126] исследовалось усиление в разряде в криптоне (/*=10 атм), было обнаружено сужение полосы излучения и увеличение интенсивности имевшее пороговый характер в зависимости от прикладываемого напряжения, коэффициент усиления оценивался величиной 0.011 см _1 на длине волны Х= 148 нм. В работе [127] исследовалось усиление в аргоне возбуждаемом поперечным газовым разрядом с плазменными электродами. Был