Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн

• Автор: Зорин, Владимир Гурьевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2007
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 330 с. : ил.

1. Экспериментальные установки и методы диагностики

1.1. Описание экспериментальных установок

1.2. Методы диагностики и точность измерений

2. СВ Чразряд при высоком давлении газа

2.1. Непрерывное стационарное распространение разряда

2.2. Скачкообразный режим распространения разряда

2.3. Механизм образования плазменного ореола

3. СВ Чразряд при низком давлении газа

3.1. Плазменно-резонансный СВЧ разряд 13

3.2. СВЧ разряд вблизи поверхности твердых тел в вакууме

4. Особенности СВ Чразряда в магнитном поле

4.1. ЭЦР пробой газа в прямой ловушке
4.2. Нерезонансный СВЧ разряд в магнитном поле
4.3. Квазигазодинамический механизм удержания плазмы в магнитной ловушке
5. Использование СВ Чразряда в магнитных ловушках для приложений
5.1. Генерация ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в ЭЦР разряде
5.2. Непрерывно горящий ЭЦР разряд
5.3. ЭЦР источники многозарядных ионов
5.3.1. ЭЦР источники многозарядных ионов при квазигазодинамическом
режиме удержания плазмы в магнитной ловушке
5.3.2. Экстракция ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда
5.3.3. Нетрадиционные схемы ЭЦР источников многозарядных ионов
Заключение
Литература
Общая характеристика работы
Целями диссертационной работы являлись:
экспериментальное изучение особенностей возникновения, механизмов поддержания, динамики различных видов разряда в квази оптических пучках электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов при больших интенсивностях излучения в широком интервале начальных давлений газа от 10'6 до 760 Тор;
разработка физических моделей развития разряда;
выяснение перспектив использования плазмы, возникающей в пучках электромагнитных волн, для различных приложений.
Актуальность исследований
Интерес к исследованиям различных видов газового разряда, в том числе и к сверхвысокочастотному (СВЧ) разряду, обусловлен, прежде всего, потребностями современной техники и смежных областей науки. В первую очередь это микроэлектроника, которая в настоящее время не может обойтись без плазменноразрядных и плазменно-ионных технологий (например, травление [1 - 4], напыление тонких плёнок [1, 3, 5, 6], ионная имплантация [3, 5 - 9], литография [10] и др. [11 -13]). СВЧ разряд является эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений именно того диапазона длин волн, который представляется наиболее перспективным для литографии. В плазмохимии используется газоразрядная плазма для эффективного проведения химических реакций [14-16]. Развитие техники мощных газовых лазеров также тесно связано с исследованиями в области физики газового разряда [17 - 20]. Следует отдельно отметить такое очень быстро развивающееся направление применения СВЧ разрядов, как ЭЦР источники многозарядных ионов (МЗИ). Успехи последних лет в ядерной физике связывают именно с широким применением таких источников для инжекции ионов в циклотронные ускорители [21 -23].
Использование плазмы газового разряда в приложениях потребовало создания новых типов разрядов с лучшими параметрами, более устойчивых, более энергоёмких. Благодаря созданию мощных генераторов электромагнитного излучения диапазона сантиметровых и миллиметровых волн стали возможны исследования СВЧ разряда не только в резонаторах и волноводах, но и в свободном пространстве с использованием
мощных квазиоптических волновых пучков. Уже первые эксперименты показали, что разряд, создаваемый в различных условиях в волновых пучках миллиметрового диапазона длин волн большой интенсивности, обладает совокупностью уникальных свойств (большая концентрация электронов, высокая степень неравновесности при больших удельных энерговкладах, возможность локализации разряда вдали от стенок разрядной камеры и г.д.) важных для некоторых традиционных и специфических приложений.
Не менее интересен и СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР), который привлекает к себе внимание исследователей на протяжении приблизительно трёх последних десятилетий. Первоначально изучение ЭЦР разряда было связано, главным образом, с экспериментами, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [24-33]). В дальнейшем ЭЦР разряд стал использоваться также в других областях науки и техники. Например, в ядерной физике, где на базе ЭЦР разряда в открытой ловушке созданы эффективные источники многозарядных ионов, причем требования к источникам постоянно возрастают: необходимо повышать как зарядность ионных пучков q (поскольку энергия ускоренных в циклотроне заряженных частиц пропорциональна q2 [22, 23, 34]), так и интенсивность ионных пучков для увеличения вероятности протекания реакций. Именно источники многозарядных ионов на основе ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными [21-23]. В настоящее время развитие источников многозарядных ионов фактически определяет развитие экспериментальной ядерной физики. Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [21, 35] 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. Поэтому исследования СВЧ разряда в магнитном поле, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением, представляются необходимыми и своевременными.
Наряду с использованием ЭЦР разряда в 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 [36 - 39]. Такие источники могут

Рис. 1.1.9. Эскиз и фотография вакуумной камеры магнитной ловушки касп. Красные прямоугольники показывают расположение магнитных катушек. Стрелкой показано направление ввода СВЧ излучения в плазму.