Импульсный разряд в тяжёлых газах, возбуждаемый в магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронного циклотронного резонанса

• Автор: Разин, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 157 с. : ил.

Гл.1. Особенности возникновения ЭЦР разряда в газе малой плотности в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения
1.1. Описание экспериментальной установки
1.2. Пробой газа в прямой магнитной ловушке в условиях ЭЦР
13. Влияние на развитие ЭЦР разряда диэлектрика, находящегося вблизи магнитной
пробки
1.4. Обсуждение результатов и выводы
Гл.2. Излучение плазмы ЭЦР разряда в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена
2.1. Диагностическая аппаратура
2.2. Ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 540 - 4000 А)
2.3. Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 10 - 250 А)
2.4. Рентгеновское излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 1 - 6 А)
2.5. Изображение плазмы ЭЦР разряда в мягких рентгеновских лучах
2.6. Обсуждение экспериментальных результатов, выводы
Гл.З. Распределения ионов плазмы ЭЦР разряда по зарядовым состояниям
3.1. Система импульсного напуска газа
3.2. Система анализа ионов
3.3. Результаты экспериментов
3.4. Интерпретация полученных результатов
Заключение
Литература

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) привлекает к себе внимание исследователей на протяжении приблизительно трёх последних десятилетий. Первоначально изучение и применение ЭЦР разряда было связано с экспериментами, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-10]). В дальнейшем ЭЦР разряд стал использоваться также в других областях науки и техники. В настоящее время плазма, полученная в условиях ЭЦР, применяется, например, во всевозможных плазменно-ионных технологиях в микроэлектронике (травление [11-14], напыление тонких плёнок [11, 13, 15, 19], ионная имплантация [13, 15-19], ионная литография [20] и др.). Одним из наиболее важных научных приложений ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке явилось создание источников многозарядных ионов (МЗИ) различных химических элементов, в частности, инертных газов. Такие источники МЗИ предназначены в первую очередь для инжекции ионов в циклотронные ускорители [21-23].
В связи с непрерывным развитием исследований в области ядерной физики требования к ионным источникам постоянно возрастают. Прежде всего, необходимо повышать зарядность ионов я, поскольку энергия ускоренных в циклотроне заряженных частиц пропорциональна я2 [22-24]. Кроме того, требуется увеличивать интенсивность ионных пучков. Именно источники МЗИ на основе ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [21-23].
Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [21, 25] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГГц - ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки f 2СВЧ. В то же время распределение ионов по зарядовым состояниям при этом практически не изменилось, что в рамках элементарных представлений можно объяснить следующим образом. При увеличении частоты СВЧ накачки возрастает концентрация электронов в разряде Ые, при этом пропорционально 1Че растут и потери плазмы за счёт кулоновских столкновений (время жизни плазмы в магнитной ловушке т, ос 1Л^е). В этом случае, при оптимальной температуре электронов, распределение ионов по зарядам, определяемое параметром Не--я [22, 23, 26], не изменяется, а ток многозарядных ионов, определяемый параметром Мс !х , будет пропорционален Г 2СВЧ , если Мс ос Гсвч . Отсюда понятен интерес к исследованиям
электронно-циклотронного резонансного разряда, создаваемого СВЧ излучением большой частоты, поскольку соответственно должен возрасти ток многозарядных ионов. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что при использовании мощного миллиметрового излучения гиротронов возможно настолько значительное увеличение концентрации разрядной плазмы (при сохранении высокой температуры электронов), при котором изменяется характер удержания плазмы в ловушке - реализуется так называемый квазигазодинамический режим с холодными “столкновительными” ионами, горячими “бесстолкновительными” электронами и заполненными конусами потерь в пространстве скоростей [27-29]. В таком режиме время удержания плазмы слабо зависит от её плотности (см., например, [27, 28, 30]), поэтому с увеличением концентрации электронов увеличивается параметр Ыс-Т1 , в результате чего максимум ионных зарядовых распределений смещается в сторону более высоких кратностей ионизации [22, 23]. В связи с вышесказанным понятна актуальность исследований оптимальных с точки зрения образования многозарядных ионов режимов горения электронно-циклотронного резонансного разряда, поддерживаемого в прямой магнитной ловушке миллиметровым излучением гиротрона.
Наряду с использованием ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке в качестве источника МЗИ, такой разряд в тяжёлых газах (азот, кислород, аргон, криптон и др.) рассматривается также как возможный источник вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и некогерентного мягкого рентгеновского излучения (МРИ), представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов [31-34]. Такие источники могут применяться, например, для калибровки рентгеновской аппаратуры [35], модификации поверхности полимеров и т. д. [36]. Но основные перспективы использования ЭЦР разряда как источника МРИ связаны, по-видимому, с микроэлектроникой [32, 33]. В настоящее время в мире интенсивно ведутся работы по созданию различных типов источников мягкого рентгена (МР) с длиной волны порядка 100 А [37-42]. Такое излучение применяется в рентгеновской микролитографии для получения полупроводниковых структур субмикронных размеров, что является чрезвычайно актуальной задачей [43-45].
Для эффективной работы плазменных рентгеновских источников требуется наличие достаточно плотной плазмы с горячей электронной компонентой и заметным количеством многозарядных ионов необходимой кратности ионизации. Физические условия в ЭЦР разряде, поддерживаемом мощным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн в прямой магнитной ловушке, позволяют получить значительную температуру Те — 100 — 400 эВ [9, 46] основной части электронов, а также плотную плазму с электронной концентрацией Ые > 2-10 13 см ” 3 [9, 32, 46, 47]. Поскольку указанная
Следует отметить, что при достаточно больших магнитных полях выражение (1.4.5) для инкремента роста концентрации плазмы может быть применимо и в том случае, когда диэлектрическое окно расположено в магнитной пробке [66]. Согласно соотношению (1.4.1), энергии вылетающих из ловушки электронов невелики, если резонансное сечение находится достаточно далеко от магнитной пробки. Действительно, при Brn/BR — 1 > 0.4 энергии этих частиц E|USS < 40 эВ. При таких энергиях бомбардирующих электронов вторичная электронная эмиссия из диэлектрика несущественна (коэффициент вторичной электронной эмиссии er < 1 [85, 93, 95]), и кварцевое окно не должно влиять на ЭЦР пробой газа. Это мы и наблюдали в экспериментах при магнитном поле в пробке ловушки Вга> 1.9Тл(см. рис. 1.3.1).
Итак, подводя итоги экспериментальных исследований возникновения ЭЦР разряда в разреженном газе в прямой осесимметричной магнитной ловушке при продольном вводе мощного (плотность потока мощности »10 кВт/см2 ) СВЧ излучения миллиметрового диапазона длин волн, можно сделать следующие выводы.
1) Существует порог возникновения ЭЦР разряда по плотности газа, который зависит от величины магнитного поля в пробках ловушки. Кроме того, этот порог зависит ещё и от положения кварцевого окна, через которое СВЧ излучение вводится в вакуумную камеру. Так, при помещении диэлектрического окна в магнитную пробку или внутрь ловушки появляется дополнительная область существования разряда при низких (р < 3-10" 5 Topp) давлениях. Возникновение ЭЦР разряда в этих условиях связано со значительньм выделением газа с поверхности диэлектрика, причиной чего является, вероятно, интенсивная вторичная электронная эмиссия из кварца, приводящая, по-видимому, к образованию вблизи поверхности окна электронного слоя, в котором происходит поглощение СВЧ мощности, что ведёт к поверхностному разогреву диэлектрика и его испарению.
2) В области параметров, где влияние кварцевого окна на развитие ЭЦР разряда несущественно, экспериментальные результаты удовлетворительно согласуются с теорией ЭЦР пробоя, в соответствии с которой потери электронов из прямой адиабатической магнитной ловушки определяются их рассеянием в конус потерь в результате взаимодействия с СВЧ полем в зоне электронного циклотронного резонанса.