Введение к работе
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 плазменно-разрядных и плазменно-ионных технологий (например, травление [1 - 4], напыление тонких пленок [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 энергоемких Благодаря созданию1 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 т 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 па протяжении приблизительно трех 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 тяжелых 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 применяться, например, для калибровки рентгеновской аппаратуры [40], модификации поверхности полимеров и т д [41] Однако основные перспективы использования ЭЦР разряда как источника МРИ связаны, по-видимому, с микроэлектроникой [37, 38] В настоящее время в мире интенсивно ведутся работы по созданию различных типов источников МРИ с длиной волны порядка 100 А [42 - 47]. Такое излучение применяется в рентгеновской микролитографии для получения полупроводниковых структур субмикронных размеров, что является чрезвычайно актуальной задачей [48 - 50] Оценки показывают, что именно СВЧ разряд, поддерживаемый мощным миллиметровым излучением, создает плазму, оптимальную для генерации ВУФ и МРИ
Целями диссертационной работы являлись.
экспериментальное изучение особенностей возникновения, механизмов
поддержания, динамики различных видов разряда в квазиоптических
пучках электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диа
пазонов 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.
Научная новизна и научные положения, выносимые на защиту
Проведены комплексные исследования разряда, возникающего в квазиоптических пучках электромагнитного излучения большой интенсивности Эти исследования стали возможны после создания мощных генераторов электромагнитного излучения сантиметрового (карсинотронов) и миллиметрового (гиротронов) диапазонов длин волн. Использование мощных пучков электромагнитных волн позволило получить и исследовать плазму с уникальными параметрами при рекордных удельных энерговкладах В экспериментах, описанных в диссертации, плазма создавалась уже известными методами, однако использование мощных миллиметровых и сверхмощных сантиметровых волн внесло свою специфику Количественные изменения в частоте и мощности излучения привели к качественному изменению свойств плазмы Именно на анализ этих качественных отличий и были направлены исследования, изложенные в диссертации
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными оригинальными результатами На защиту выносятся следующие основные научные положения
Ультрафиолетовое излучение разряда, создающее протяжённый плазменный ореол за счет фотоионизации окружающего разряд газа, играет определяющую роль в динамике инициированного СВЧ разряда в воздухе при высоких давлениях и больших интенсивностях СВЧ излучения. Наличие плотного плазменного ореола вокруг разряда приводит к смене механизма его газодинамического распространения навстречу излучению вместо хорошо известного механизма типа медленного горения с тешюпроводност-ным прогревом окружающего разряд холодного газа, реализуется фотоионизационный механизм, связанный с нагревом газа перед фронтом разряда за счет поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле
При умеренных давлениях газа, когда частота столкновений электронов много меньше частоты СВЧ поля и длина свободного пробега частиц много меньше характерных размеров СВЧ пучка, основными потерями являются диффузионные потери плазмы, а поддержание и распространение инициированного разряда обеспечивается эффектами усиления нормальной компоненты электрического поля СВЧ волны в области плазменного резонанса
Возникновение импульсного ЭЦР разряда в газах в прямой осесим-метричной магнитной ловушке при продольном вводе мощного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн имеет пороговый по плотности газа характер. На начальном этапе возникновения разряда реализуется суперадиабатический режим взаимодействия электронов с СВЧ волной в условиях ЭЦ резонанса
Существует квазигазодинамический режим удержания плотной неравновесной плазмы в магнитной ловушке при мощной СВЧ накачке, при котором частота столкновений электронов больше обратного времени вытекания плазмы из ловушки, а температура электронов существенно превышает температуру ионов При этом время жизни плазмы определяется выносом ее с ионно-звуковой скоростью вдоль силовых линий магнитного поля. Использование такого режима может быть положено в основу нового типа импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов, которые способны создавать мощные потоки ионов с эффективным током более 1 А при высоком их среднем заряде
ЭЦР разряд в тяжелых газах, поддерживаемый в прямой магнитной ловушке мощным пучком миллиметровых волн, является эффективным источником мягкого рентгеновского излучения в области длин волн порядка 100 А, представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов
Научная и практическая значимость
Разряд, возникающий вблизи поверхности твердого тела, может играть роль согласующего элемента, обеспечивающего более эффективную передачу энергии СВЧ волн твердым телам Такой разряд может быть применён для эффективного преобразования СВЧ энергии в энергию постоянного тока [63], в различные виды механической энергии [64], он может быть использован для обработки поверхности диэлектриков [65] и в других приложениях
Исследования, описанные в диссертации, позволили предложить новый тип СВЧ плазмотрона высокого давления с регулируемым отношением температуры электронов к температуре газа Неравновесная плазма, образующаяся в неподвижном или движущемся газе в фокусе мощного СВЧ пучка при высоких давлениях (близких к атмосферному), представляет интерес в качестве активной сред газовых лазеров [66 - 69] и плазмохимиче-ских реакторов [70 — 74]
Разряд, поддерживаемый в СВЧ пучке при низких давлениях газа, благодаря высокой плотности электронов, представляется перспективным для быстрого плазмохимического нанесения защитных пленок, для плазмохи-мического травления поверхностей и т д [12]
Исследования СВЧ разряда в волновых пучках представляют интерес и с точки зрения проблемы беспроводной передачи электрической энергии на большие расстояния В этом случае разряд, возникающий как в свободном пространстве, так и на различных элементах передающей и приемной систем, ограничивает передаваемую энергию и, естественно, нежелателен Также отрицательную роль играет разряд в технологии, использующей волновые пучки СВЧ излучения для объемного нагрева материалов ь. модификации диэлектриков [77, 78], в этом случае существенное ограничение
используемой интенсивности СВЧ излучения связано с возникновением приповерхностного разряда в парах вещества диэлектрика
ЭЦР разряд, поддерживаемый миллиметровыми волнами, является эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений Меняя условия горения разряда, можно изменять спектр его излучения и, в частности, оптимизировать разряд для той части спектра, которая представляется наиболее перспективной, например, для литографии.
Исследования новых типов ЭЦР источников многозарядных ионов, описанные в диссертации, необходимы для дальнейшего развития ускорителей ионов
Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током и ярких пучков позволяет использовать результаты диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах
Апробация результатов
Данная диссертационная работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г Нижний Новгород). Изложенные в ней результаты опубликованы в работах 1А - 41А из списка работ по теме диссертации Среди них 26 статей в реферируемых российских и иностранных журналах, 12 трудов конференций, 2 препринта, 1 заявка на изобретение
Материалы диссертации хорошо известны специалистам в стране и за рубежом, они докладывались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях, в том числе на XV (Минск, СССР, 1981 г), XVII (Свонси, Англия, 1987 г) и XVIII (Белград, Югославия, 1989 г) международных конференциях по явлениям в ионизированных газах, V (Киев, 1979 г), VI (Ленинград, 1983 г) и VII (Ташкент, 1987 г) всесоюзных конференциях по физике низкотемпературной плазмы, III (Алма-Ата, 1982 г ) и VI (Ташкент, 1986 г.) всесоюзных конференциях по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой, IV Всесоюзном симпозиуме по плазмо-химии (Днепропетровск, 1984 г.), III Всесоюзной метрологической конференции (Харьков, 1986 г), на 1-м и 2-м (Горький, 1987 г., 1989 г) Всесоюзном совещании по высокочастотному разряду в волновых полях, 4-й Всесоюзной конференции по «Физике газового разряда» (Махачкала, 1988 г), 1, 2, 3, 4, 5 и 6-м международных рабочих совещаниях "Strong Microwaves in Plasmas" (H Новгород, 1990, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005 гг), на Симпо-зиуме'92 исследовательского центра "Ultra High Energy Density Heat Source" (Япония, 1992 г), на международной конференции "Short Wavelength Radiation and Applications" (Звенигород, 1994 г), 24-й Всероссийской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997 г), 10, 11 и 12-м совместных российско-германских семинарах "ECRH and Gyrotrons"
(Н Новгород, 1998 г, Германия, 1999 г., Н Новгород - Москва, 2000 г ), на 3-й международной рабочей встрече "Microwave Discharges Fundamentals and Applications" (Франция, 1997 г), международном совещании «High power microwave generation and pulse shortening» (Великобритания, 1997 г), 7-й (Италия, 1997 г), 8-й (Япония, 1999 г), 9-й (США, 2001 г.), 10-й (Россия, 2003 г) 11-й (Франция, 2005 г) международных конференциях "Ion Sources", Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998 г), 1-й (Новосибирск, 1998 г) и 5-й (Россия, 2004 г ) международных конференциях «Open Magnetic Systems for Plasma Confinement», 15-й международной конференции "Cyclotrons and Their Applications" (Франция, 1998 г), 14-м (Швейцария, 1999 г), 15-м (Финляндия, 2002 г.), 16-м (США, 2004 г) международных совещаниях «ECR Ion Sources»; международной университетской конференции "Electronics and Radiophysics of Ultra -High Frequencies" (Санкт-Петербург, 1999 г), 13-й международной конференции "High-Power Particle Beams" (Япония, 2000 г), на международном совещании "Sources 2000" (Япония, 2000 г ), международном совещании "Pioduction of Intense Beams of Highly Charged Ions" (Италия, 2000 г), 6-м международном совещании «Plasma-Based Ion Implantation» (Франция 2001 г.); 13-м международном совещании «Electron Cyclotron Emission and Electron Cyclotron Resonance Heating» (Франция, 2002 г) и на научных семинарах в Институте прикладной физики РАН, Физическом институте им П Н Лебедева РАН, Институте атомной энергии им И В Курчатова, Институте ядерных исследований СО РАН, Объединенном институте ядерных исследований, Физико-техническом институте им АФ Иоффе, LPSC (Гренобль, Франция), Научно-исследовательском центре Рос-сельдорф (Германия) и в других научных организациях
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы Общий объём диссертации составляет 320 страниц, включая 127 рисунков Список литературы содержит 251 наименование
