Введение к работе
-У- . -- - -- Г' ": ,
І:^.8тдрл'.':.''.|.:'.";.^:.:/.'.?.''. ..:*'' -'.' ;''-'"*";;- '.-у.. '"....
ІЇЛіЬ^фї» -'-'- Актуальность работы.
- Большой практический и академический интерес с точки зрения
Узадач ;космофизики, , ^плазмохимии,. /: гидродинамики представляет
изучение процессов, прЬтекзмцих при взаимодействий многозарядной многокомпонентной внсокоэнергйчной лазерной' плазмы с окружающим стационарным газом. Исследование разлета лазерной плазмы в газ - позволяет проводить лабораторное' моделирование плазмохимических процессов происходящих в нестационарных плазменных образованиях, где аналитическое . решение: требует привлечение сложного математического аппарата, а прямые эксперименты сложны или дорога.
- Кроме того, в настоящее время имеет место применение в самых
различных областях неукии техники лазерных технологий, как-то:
лазерное напыление полупроводниковых пленок в атмосфере инертных
газов,. напыление ВТСП-кврамики в. атмосфере кислорода, ионная
имплантация и пр. Развитие .этих методов в направлении решения
новых задач : требует тщательного .контроля: технологического
: процесса, а /'так ш знания процессов взаимодействия продуктов лазерного распыления и окружающей среды, . . .::'
. "-",' Цель работах'.,'.'.--:..'.,',;'''.', ::У- у'.у,;'';".'- -,,-./-, ' : - .Основной задачей диссертации являлось построение, физической картины процессов 'взаимодействия, У происходящих при разлете лазерной плазмы в фоновый газ, на основе результатов полученных ' методами времяпролетной масс- спектрометрии и спектроскопии.
Степень научной новизны основных результатов.
1. Использован метод времяпролетной масс-спектрометрии для
; для анализа лазерной. плазмы," разлетающейся в газ. Получены
^энергетические и скоростные спектры, ионной компоненты лазерной плазмы и фонового газа в диапазоне давлений от Ю-3- IO"1 Торр, на расстояниях 7 - 17 см от мишени, для кислорода и инертных газов.
2. Разработан новый метод диагностики нейтрального компо
нента, основанный на фотоионизации, частиц УФ излучением
вспомогательной лазерной плазмы. Получены энергетические спектры
нейтрального компонента лазерной плазмы и фонового газа в
диапазоне давлений І0"3-Ю-ІТорр, на расстояниях 7-11 см, .для кислорода и.инертных газов/ "/.
-
Методом времяпролетной люминесцентной спектроскопии получено распределение интенсивности излучения ионов лазерной плазмы с Z = 1-2 и ионов фонового газа с на расстояниях 1 < 4 см от лазерной мишэни. Проведено сопоставление результатов полученных . методом времяпролетной спектроскопии.и ыэсс-спектрометрии. -..
-
На основе ' полученных,'.. экспериментальных'. результатов построена физическая картина процессов, происходящих при разлете многозарядной лазерной плазмы в частнчно-фатойонизовашшй фоновый газ, выделены основные механизмы взаимодействия. '.. . _./ ,'.';."'
Научная и практическая значимость'работы.' '"-.-.^:../../..-." ;
Полученные данные . и ,; разработанные" .штодики могут . .'.быть использованы для исследования .и огасанйлплазмохимических процес-' сов, происходящих во всевозможных мазменных образованиях, как то: космическая плазма, химические реакторы, плазмы; сопел реактивных двигателей, многих модельных экспериментах. .... .,'.'.
Результаты работы непосредственно могут быть использованы в области микроэлектроники, в технологиях, где используется лазерное напыление или ионная имплантация в атмосфере инертных газов.''./
Разработана . эффективная" методика /диагностики .. импульсных потоков нейтральных частиц с использованием лазерной плазмы в качестве интенсивного источника ионизующего УФ излучения. Преимущество методики заключается в том, -.что эффективность иоїшзации не зависит от энергии анализирующих частиц.. Методика успешно была применена для диагностики нейтрального компонента ЛП.
На защиту выносятся спедувдие научные положения;
-
Использован метод времяпролетной масс-спектрометрии для анализа ЛП разлетающейся в окружающий газ, ;позволящий получить энергетические и скоростные распределения ионной и нейтральной компонент, как ЛП так и фонового газа.." ''."'; ,.':
-
Результаты измерений энергетических распределений ионов лазерной плазмы" (мишени - - лі. и., w.) различной,' зарядаости, формирующихся в результате взаимодействия. лазерной- плазмы с фоновым газом для различных типов газа Не, Ns, Хе, 02 в диапазоне давлений 10~3-10_^Торр. Показано, что присутствие, фонового газа^
ОБЩАЯ luFAETEPKCTKU РАБОТЫ
Актуальность темы диссертации. Настояная раЗота посБлауяа разработке методики кзмёрэзшя электронной. плотнооти пе к температура ї свободно расширягадеЯся з вгкуук дазэрьсй плазми на расстояниях от шияеи R » 1 см (в так к&знбйокой дальше соне разлета) и изучению сеойсм лазерной плазми з зтой области.
Лазерная плазма (Щ), образующаяся пр.ж фокусировке импульсного лазерного излучения на поверхность шп.зяг: з зекуумэ, является объектом многочисленных исследоаатп'К. К каетоедзму времени хорошо изучена лроцэссн, протекающие в лазерной плазмо в области пятна фокусировки лазерного излучения, имеется детальная информация о параметрах ЛЇЇ на стадии газодинамического ускоряют на расстоянии ~ 1 m от мишени. В тс не время дальняя зона разлета лазерной плазмы, характеризующаяся значениями электронной плотности п0 < 1016 см-3 -л темаэратуры i'e г* ї сВ наряду с высокой степены ионизации, оехзотся недостаточно изученной.
Надежное определение параметров (п к Т ) лазерной плазмы в stc* области и ттяухинтия закономерностей их изменения в процессе разлета ЛП в вакуум представляют интерес как с течки зрения изучения динамики разлета плазменного сгустка , так и дл-постановки эшгершзнтов по изучения стоякновитвлькыт. нроцессоз с участием многозврядных ионов и электронов, протекающих з такси плазме.
Кроме того, данные о плотности и температуре лазерной плазма в дальней зоне разлета нужны .прь. разработке технологий лазерно плазшнкого нвпнлэния тонких пленок, где параметры плазмы во многом определяют свойства олучаежх структур. Использование ЛП в дальней зоне разлета в качестве источника узких спектральних линий з ультрамягком рентгрновслил диапазоне таюкэ требует надежшес дачных о параметрах Ш в этой области. Шлучекаи информация может бкть полезна яри создании лазерно
плаз?/эккого источника многозарядных конов. J
Целью данной работы является разработка метода измерения злектроїнїоїї ііхогїкста- пр и температура Т рекомбинируїацай лазерної; плазмі з дальней зона разлета путем регистрации рассеянного излучения рубинового ' лазера (Я, = 6943 А) на электронам плазмы (Томооновскоо рассеяние) и изучение закономерностей етлекскяя п и Т в процессе раздета ЛП. Научная нозизпа работы состоит в следующем:
Пийёраыо дум определения электронной плотности п теггэратуры лзг.орной плазмы з дальней боиэ разлета применен метод ддагносткс; плаа:а по Токсонсзскому раееяяию.
2.lias оснозэ анализа спектров Токсоновского рассеяния показано, что распределение электронов по скоростям в далькой зоно разлетг Щ является Ызксвелловским.
3.изморены с пространственным и временным разрешением вл^хтрснкая плотность и температура рекомбишрущек лазерной плазмы б дальней зоне разлета на расстояниях В ~ 0.5 - 1.1 см от шпени и получена зазисикоеть л и Ї от расстояния от мииеяи з отой области.
4 .-Полученная зависимость электронной температуры от плотности ЛП на различных расстояниях от мшєеи свидетельствует ее" адиабатическом характере расширения лазерной плазмы. Отличие експериментально определенного показателя адиабаты' 7 = 1-5 от значения 7 - 1.S6, характерного для адиабатического разлета одноатомного газа, объясняется разогревом э.чэкгроноз плазмы за счет лтюцесса тройной рекомбинации.
Гіракткчеекая значимость работы:
ГГгззгавотЪнньаа метод измерения электронной плотности ъ: температуры Ж на расстояниях Я - 1 см от мишени используется. при постановке экспериментов по изучении столкновительшх процессов с участием многозарядшх ионов и электронов в рекомбккнруЕС'ей лазерной плазме.
2.Полученное данные о значениях электронной плотности и температуры ЛЯ па различных расстояниях Р. от мишени в диапазоне л ~ 0.5 - 1.1 см используются для определения закономерностей
изменения п и Т в процессе разлета плйсмэнлогс сгустка.
З.Рэтработаиш/' метод измерения злоктротісїї п^отетста по и температура Т разлетающейся лазерной шіазмі . дуте:,: зігатеза спектров Томеоновского рассеяния лазерного излучг-нпя :: чет? Скть еспольэорзя для определения параметров различных лмяулъ-j шх гглазм в области п > 1015 см-3 и Т > 0.1 sB. *'отод гіоз-о.ії.кєї'
в <3
определять значения ал я То юизігл з течешь одного пыг/льсг!.
АшгроОэция работн.'Ссновннэ результаты д'пссортїіиїои;о;і работ докладывались на Х-й"Всесоюзной конференции по Фїзіис электронных и атсгжых столкновений (Ужгород 1983), ІІ-м Сэзетоко-Ьритзнсксм семинаре по физике высохозарядшх: коков (Кэмбр;у::с 193? ), XI-її Европейской конференции по атомной и молекулярной ^ждо ионизованных газов (С.ПетерОург 1992).
ОСНОВИНО ПОЛОГеШШ, ВЫНОС&.МЭ КЗ 8ПЯИ7У
Г Создана 1жсшр:ш)нтальїїія~"уотк'ЇЬЬка для исстадовр:г.тя лазерной г ззкы з дальней зеле разлета (на расстояниях от кшени R ~ 1 см) и измерения 5локтрон?.сй плотности п и те:лізрчтура Т( плазмы методом Томсоновского рассеяния.
2 Разработана мтоджеа диагностики .111 з дальней зоне разлета но Томсоновскому рессоянию, позволяющая проводить намерения электронной плотности пд и температуры Т лазерной пдзз?гс з области п9 > 1015 см-3 к !Г > 0.1 эВ.
З.Устаяочлеко, что вид спектров Томсоповекого роезояжгя а лазэрной плазме Be на расстояниях Р. = 0.5 - 1.1 см от мжеііи хорошо описывается теорией Солгятера, что свидетельствует о Маковолловском распределении электронов по скоростям в дальней зоне разлета ЛП. .
4.Показано, что значения электронной плотности п и температуры Та рекомСширукцэй лазерной плазш Be на расстояниях R от гашенк в диапазоне R = 0.5 - 1.1 см, измерзшие методом Томсоновского рассеяния, удовлетворяют соотнокеяио Ї» ~ n?*5t0,1. Отличие показателя степг Д от значения ж -- 0.6-5, характерного для адиабатического расширения в вакуум одноатомного газа, объясняется разогревом электронов плазкы за счот процесса гроЯкой рекомбинации по схеме A(z We+e = ..(z"1 We.
о. ?пссчї:?і;:-пз ессвлєніюслї возбужденных СОСТОЯНИЙ зодородоподослкх їїонов б Лі б дальней зоне разлета. Расчет основан пз исполъеовааш значений электронной плотности и теіяізрзї'трн плазмы, полученных экспериментально. Вычисления проводились в предположений о дскИЕкружей роли процесса тройной* '.удярЕО--р.з,сійЦйоі2Юл) рэксмбЕнации в заселении уровней Й0НО8 в Ж в далькей зоне разлета. Обоснованность такого подхода была подтверждена путем сравнения экспериментально определенных к расчетных качаний относительных касвденностсй уровней кона Ъ124.' в ЛП лития iia расстояние 2см от мишени.
Публмсации: Материалы диссертации частично опубликованы в т8зисаТТс"есоіскьі2 и международных конференций. Статья направлена
в ПЄЧ«5Ь.
Структур?, у. обьбм работы: Диссертация состоит из зездєнрш, четырёГТлгз иНзандагёшяТона содержит 107 страниц, в том числе 20 рисунков, 2 таблицы к список литература, вюгачавдий 73 каадзЕОБагия.
