Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Источники ВУФ излучения, методы их исследования и оптимизации, области применения ВУФ излучения 12
1.1 Источники некогерентного ВУФ излучения 12
1.2 Источники когерентного ВУФ излучения 32
Глава 2. Исследование барьерных разрядов в тяжёлых инертных газах 37
2.1 Анализ результатов экспериментальных исследований барьерных разрядов в Аг.КгиХе 38
2.2 Численные исследования плазмы барьерных разрядов 51
Глава 3. Исследование излучательных характеристик смесей чистых инертных газов и смесей инертных газов с галогенами в ВУФ диапазоне спектра 67
3.1 Исследование излучательных характеристик смеси Кг-Хе 67
3.2 Исследование излучательных характеристик смеси Кг-1г 82
Глава 4. Исследование эксимерных источников излучения на основе положительного столба тлеющего разряда 91
Глава 5. Исследование эксимерных источников света, возбуждаемых пучком электронов 108
5.1 Уравнение Больцмана для расчета ФРЭЭ в пучковой плазме 108
5.2 Результаты расчётов и их обсуждение 112
Глава 6. Исследование когерентных источников излучения на основе димеров инертных газов 122
6.1 Исследование усилительных свойств газоразрядной плазмы криптона с УФ предыонизацией 122
6.2 Исследование возможности применения объемного разряда, инициируемого пучком электронных лавин, для создания лазера на димерах криптона 135
Глава 7. Исследование фотохимического воздействия ВУФ излучения 140
7.1 Изучение фоторазложения молекул воды под действием ВУФ излучения. 140
7.2 Исследование разложения ароматических хлор-со держащих соединений .154
7.3 Исследование биологического воздействия эксимерных источников излучения 164
Заключение 180
Приложение 185
1. Плазмохимические реакции в газоразрядной плазме инертных газов высоких давлений 185
2. Численное решение уравнения Больцмана 203
Литература
- Источники когерентного ВУФ излучения
- Численные исследования плазмы барьерных разрядов
- Исследование излучательных характеристик смеси Кг-1г
- Исследование возможности применения объемного разряда, инициируемого пучком электронных лавин, для создания лазера на димерах криптона
Введение к работе
Актуальность работы
Диссертация посвящена исследованию источников света на основе двухатомных эксимерных молекул тяжёлых инертных газов (Ar, Kr, Xe). Данные молекулы образуют устойчивые связи только в возбужденных состояниях, радиационный распад 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) Ar2* , Kr2 * , Хe2* соответствуют длины волн 126 нм, 146 нм и 172 нм соответственно. В промежутках между полосами димеров лежат полосы излучения гетероядерных эксиплексных молекул ArKr* , KrXe*, ArXe*, образующихся при возбуждении смесей инертных газов. Таким образом, область от 120 до 180 нм полностью перекрывается спектрами эксимеров инертных газов. Данная область лежит на границе коротковолнового спектрального диапазона, допускающего использование оконных технологий вывода излучения. Излучательный кпд источников света на основе димеров инертных газов может достигать 60% [1]. 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 низкотемпературной плазме при давлениях инертных газов более 100 торр. Для получения плазмы и возбуждения свечения в ней эксимеров используются различные способы: применяют безэлектродные разряды барьерного типа [2], тлеющий разряд [1*] , микроволновый разряд [3], возбуждение 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 разряды, первыми в России были предложены в ГОИ им С.И.Вавилова [2]. В настоящее время в мире ведутся работы по усовершенствованию данных источников и разработке на их основе новых технологий. Выпуск эксимерных ВУФ ламп начат ведущими мировыми производителями [5]. ВУФ излучение нашло применение в технологиях сухой очистки поверхностей от органических загрязнений [5], в экологии для мониторинга и разрушения загрязняющих веществ (фотоионизация проб в масс-спектрометрах [6]). В стадии разработки находятся технологии использующие ВУФ излучение для разложения органических соединений: осушки и модификации природного газа [7] , фотолиза растворов метанола [8]. Эксперименты указывают на перспективность применения ВУФ ламп в материаловедении: для нанесения кремниевых пленок [9] и напыления материалов с высокими диэлектрическими постоянными [10].
Исследования, связанные с источниками ВУФ излучения на основе плазмы инертных газов, можно отнести к трём направлениям:
- экспериментальные работы, в которых проводится изучение как фундаментальных вопросов, связанных с развитием разряда [2*,3,11-13], так и прикладных проблем, связанных с оптимизацией источников спонтанного излучения [1,14-17] , разработкой источников когерентного излучения [26-28];
- теоретические работы, в которых представлены в основном расчетные исследования [25,32] ;
- исследования, посвящённые разработке технологий основанных на использовании ВУФ излучения [5-8,10,29,33].
В диссертации представлены результаты, относящиеся к последним двум направлениям: численным расчётам параметров плазмы эксимерных источников света ВУФ диапазона с целью оптимизации их излучательных характеристик и исследованию областей их возможного применения.
Цель работы
Целью диссертации было нахождение физических параметров, определяющих излучательные характеристики в ВУФ области спектра источников на основе плазмы тяжёлых инертных газов, а также разработка основ применения ВУФ излучения для воздействия на органические среды.
Работа включала:
- нахождение физических параметров, определяющих интенсивность, эффективность и ВУФ спектр источников спонтанного излучения на основе низкотемпературной (газоразрядной и пучковой) плазмы инертных газов;
- нахождение физических параметров, обеспечивающих условия достижения порога лазерной генерации на переходах димеров инертных газов в газоразрядной плазме;
- нахождение излучательных характеристик плазмы на основе смесей чистых инертных газов и инертных газов с галогенами;
- создания физических основ применения ВУФ излучения эксимеров для воздействия на ароматические органические соединения (диоксиноподобные вещества и биологические молекулы).
Методы исследований
Исследования проводились расчетным путем. Достоверность полученных результатов проверялось сверкой с имеющимися экспериментальными данными. Для нахождения параметров плазмы использовалась гибридная модель, в которой атомные и молекулярные компоненты описывались в гидродинамическом приближении, а для описания электронной компоненты учитывалось распределение электронов по энергиям. Рассматривались однородные, одномерные и двумерные модели, включающие системы уравнений, описывающих электрическое поле, плазмохимические процессы и процессы переноса частиц, распределение электронов по энергиям, газовую температуру. В расчетах использовались как стандартные численные методы, так и специальные: метод корректирующих потоков [21] и метод контрольных объёмов [22] при решении уравнения непрерывности , жесткие методы решения систем дифференциальных уравнений при решении систем уравнений кинетики плазмы [23]. Программы составлялись на языке FORTRAN.
Положения, выносимые на защиту
На защиту выносятся следующие положения:
1) Результаты исследования барьерных разрядов в тяжёлых инертных газах (Ar, Kr, Xe) средних давлений (сотни торр), которые показывают, что увеличение скорости роста внешнего напряжения по отношению к внутреннему напряжению на плазме ведёт к увеличению интенсивности излучения димеров, уменьшению времени их излучения, снижению пространственной однородности плазмы.
2) Результаты исследования излучательных характеристик плазмы смеси Kr-Xe (Р>100 торр) в ВУФ диапазоне спектра при различных относительных концентрациях компонент, показывающие, что при концентрации Хе более 10% в спектре преобладают полосы димеров Хе, а рост концентрации электронов ведёт к падению эффективности излучения.
3) Результаты исследования излучательных характеристик плазмы смеси Kr-I2 в ВУФ диапазоне спектра, согласно которыми наблюдается рост интенсивности и эффективности излучения атомов йода (переход 5p46s-5p5) ~160-190 нм при уменьшении давления обоих компонент, эффективность достигает значений в 20%.
4) Результаты расчётов излучательных характеристик контрагированного капиллярного разряда в ксеноне (Р=100-400 торр), которые показали, что криогенное охлаждение приводит к росту интенсивности излучения димеров, а эффективность излучения достигает значений в 0.4%.
5) Результаты расчётов излучательных характеристик плазмы криптона (Р=0.5 атм), возбуждаемой пучком электронов (Еb~10 кэВ ) с дополнительным подогревом СВЧ полем (W=30-1200 мВт/см3), согласно которым СВЧ подогрев приводит к перераспределению интенсивности ВУФ излучения в полосах димеров и к росту интенсивности излучения в видимом и ИК диапазоне.
6) Результаты расчётов параметров импульсного микросекундного газового разряда в криптоне (Р~10 атм), согласно которым достижение концентраций димеров, достаточных для начала лазерной генерации, зависит от уровня предыонизации и формы импульса напряжения.
7) Результаты расчётов концентраций продуктов ВУФ разложения воды в жидкой и газообразной фазах, которые указывают на перспективность использования данного метода в окислительных технологиях для формирования высокореактивных радикалов.
Достоверность защищаемых положений
Достоверность защищаемых расчетных результатов на каждом этапе обусловлена совпадением (качественным и количественным) с результатами физических экспериментов. Расчёты барьерных разрядов, плазмы, возбуждаемой пучком электронов, контрагированного тлеющего разряда и объемных разрядов, используемых для поиска генерации проводились параллельно экспериментальным исследованиям [1*,2*,25*,28*]. Результаты расчётов воздействия ВУФ излучения на воду и органические среды контролировались на основе имеющихся в литературе данных [29, 34].
Новизна полученных результатов
1) При исследованиях барьерных разрядов был проведён сравнительный анализ излучательных характеристик плазмы в последовательном ряде инертных газов: Ar, Kr, Xe и получены данные не только для разряда в Хе, но и для менее исследованных источников света на димерах аргона и криптона.
2) Впервые были проведены расчеты импульсных разрядов в смеси Kr-Xe в широком диапазоне относительных концентраций, которые позволили объяснить условия формирования ВУФ спектра и поведение излучательных кпд смесей .
3) Получены результаты расчётов плазмы смеси Kr-I2 и её излучательных характеристик в районе =160-190 нм , которые также впервые были представлены автором .
4) Расчет параметров контрагированного столба тлеющего разряда в инертных газах с криогенным охлаждением и нахождение радиальных распределений эксимеров в нем никем ранее не представлялись.
5) Проведены расчеты параметров плазмы инертных газов, возбуждаемой пучком электронов с дополнительным подогревом СВЧ полем, получены данные о влиянии СВЧ поля на распределение интенсивности в ВУФ спектре.
6) Расчеты параметров когерентных источников света на основе газоразрядной плазмы инертных газов объяснили поведение концентраций активных молекул в условиях полученной экспериментально генерации, а также позволили оценить возможность получения генерации в новом виде объемного разряда: в объемном разряде, инициируемом пучком электронных лавин.
7) Рассчитаны концентрации продуктов ВУФ фотолиза молекул воды в газообразной и жидкой фазах, получены численные данные по деструкции водных растворов хлорсодержащих ароматических соединений и биологических молекул (ДНК) под действием ВУФ-излучения.
Научная ценность
1) Получены сравнительные характеристики барьерных разрядов в ряду инертных газов Ar, Kr и Xe, что позволяет понять влияние физических параметров рабочей среды на протекание разряда и формирование эксимеров.
2) Составлены кинетические схемы основных процессов, происходящих в плазме инертных газов с добавками более тяжелых газов и галогенов, а также процессов ведущих к образованию эксимерных и эксиплексных молекул.
3)Численно определены значения концентраций основных компонент и радиальные распределения газовой температуры, влияние радиальной неоднородности компонент на формирование оптических характеристик контрагированного положительного столба тлеющего разряда с криогенным охлаждением.
4)Численно определены характеристики плазмы инертных газов, возбуждаемой пучком электронов с дополнительным подогревом СВЧ полем: получена функция распределения электронов по энергиям, изучено влияние на её формирование СВЧ поля; рассчитаны значения плотностей компонент плазмы.
5) Численно найдены условия , обеспечивающие достижение порога генерации на димерах инертных газов в импульсных разрядах с УФ предыонизацией и в условиях объемного разряда, инициируемого пучком электронных лавин.
6) Рассчитаны концентрации продуктов ВУФ разложения воды в жидкой и газообразной фазах, исследованы условия образования высокореагентного радикала ОН ; показана возможность воздействия ВУФ излучения и продуктов ВУФ разложения воды на хлорсодержащие ароматические соединения и молекулы ДНК в клетке.
Практическая значимость
1) Результаты исследований, проведённые в Главах 2-5, позволяют совершенствовать источники некогерентного излучения ВУФ диапазона на основе инертных газов, возбуждаемых барьерным разрядом, тлеющим разрядом и пучком электронов;
2) Расчетные исследования усилительных свойств плазмы объёмных разрядов в инертных газах вносят вклад в развитие импульсных когерентных источников ВУФ диапазона;
3) Результаты диссертации по исследованию воздействия ВУФ излучения на водные и органические среды способствуют внедрению источников света ВУФ диапазона, в том числе исследуемые в Главах 2-6 диссертации, в экологические, биологические и окислительные технологии.
Личный вклад автора
Все результаты численных расчётов представленные в Главах 2-7 были получены автором лично. Автор самостоятельно формулировал задачи исследований, выбирал соответствующие численные методы, составлял и отлаживал программы, проводил расчеты. При проведении экспериментальных исследований барьерных разрядов (Глава 2) , автор осуществлял общее руководство работой и интерпретацию результатов, экспериментальные измерения проводились Г.А.Волковой (ГОИ им. С.И.Вавилова). Экспериментальные спектры смесей инертных газов ( Глава 3) также регистрировались Г.А.Волковой.Спектры излучения эксимеров в контрагированном капиллярном разряде инертных газов (Глава 4) были получены Г.Н.Герасимовым и Б.Е. Крыловым (ГОИ им. С.И.Вавилова). Экспериментальные спектры излучения эксимеров в пучковой плазме с дополнительным подогревом СВЧ полем , представленные в Главе 5, были получены А.Ульрихом (Технический университет г.Мюнхена). Экспериментальные значения излучательных характеристик димеров в объемном разряде, инициируемом пучком электронных лавин были получены М.И. Ломаевым, Д.В. Рыбкой, В.Ф. Тарасенко (ИСЭ СО РАН).
Апробация работы
Результаты диссертации обсуждались на следующих конференциях и симпозиумах :
На 28-ой Международной конференции Европейской группы по атомной спектроскопии (EGAS), Грац, Австрия, 1996; на XX-ой Международной конференции по электрон-атомным столкновениям (ICPEAC), Вена, 1997; на 8-ом Международном симпозиуме по науке и технологии источников света (LS-8) , Грайвсвалд, Германия, 1998; на 4-ой Международной конференции по диссоциативной рекомбинации, Стокгольм, Швеция, 1999; на VII-ом Международном симпозиуме по химии низкотемпературной плазмы высоких давлений (HAKONE VII), Грайвсвалд, Германия, 2000; на Международном семинаре по электронным и атомным столкновениям, Москва, Клязьма, 2001; на XXV Международной конференции по явлениям в ионизованных газах (XXV ICPIG), Нагойя, Япония, 2001; на 9-ом Международном симпозиуме по науке и технологии источников света (LS-9) , США, Итака, 2001; на 10-ом Международном симпозиуме по науке и технологии источников света LS-10, Тулуза, Франция, 2004; на V-IX Международных конференциях «Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул» (Томск, Россия, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 годы); на X Международном симпозиуме по химии низкотемпературной плазмы высоких давлений (HAKONE X), Сага, Япония, 2006; на 15-ой Международной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения (XV VUV), Берлин, Германия, 2007; на 4-ом Международном конгрессе по холодной плазме атмосферных давлений, источникам и применению (CAPPSA 2009), Гент, Бельгия, 2009; на 9-ом Международном симпозиуме по измерительным технологиям и интеллектуальным инструментам (ISMTII-2009) С-Петербург, Россия, 2009г.; на 12-ом Международном симпозиуме по науке и технологии источников света (LS-12) , Эйндховен, Нидерланды, 2010г., на XII-ом Международном симпозиуме по химии низкотемпературной плазмы высокого давления (HAKONE XII), Словакия, 2010; на Международной конференции «Прикладная оптика -2010», С-Петербург, 2010г.
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано 20 статей, в том числе 18 из списка ВАК и сделано 22 доклада на международных конференциях, имеется 1 патент.
Структура и объем диссертации
Объем диссертации составляет 237 страниц, в ней представлен 121 рисунок и 15 таблиц, имеется 391 ссылка на литературные источники. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, двух приложений и списка литературы.
Источники когерентного ВУФ излучения
К достоинствам микроволновых ламп следует также отнести однородность свечения объёма. По сравнению с лампами барьерного разряда микроволновые лампы обладают меньшей интенсивностью ВУФ континуумов и сильнее разогреваются при эксплуатации.
ВУФ излучение микроплазмы. Микроплазма образуется в газовых разрядах имеющих геометрические размеры, сравнимые с величиной свободного пробега электронов и радиусом Дебая (до 1 мм и менее), при близких к атмосферному давлениях. Такое уменьшение размеров приводит к появлению новых, отличных от классических, физических особенностей разряда: возрастает роль пристеночных процессов, нарушаются законы подобия и условия пробоя. Микроплазму получают при различных геометрических условиях, что обеспечивает их отличительные свойства и применение. Одним из основных преимуществ микроплазмы является, то, что в ней, по сравнению с обычной плазмой, легче получить стабильный тлеющий разряд атмосферного давления. Полный обзор, посвященный физике микроплазмы, способам ее получения и применения приведен в работах [66,67].
В качестве источников УФ-ВУФ излучения на основе микроплазмы, согласно последним исследованиям, наиболее перспективными является разряды с полым микрокатодом (microhollow cathode discharges - МНС) [68,69] и микроразряды в прикатодном слое (cathode boundary layer discharge - CBL) [6 ].
Разряды в полых микрокатодах, имеющих микро размеры 0.1-0.25 мм были предложенные в [68]. В работе [69] изучались излучательные свойства эксимеров аргона в разрядах данного типа. Максимальная полученная мощность излучения на длине волны 128 нм составила 180 мВт при эффективности 6%. Разряды в полых микрокатодах позволяют расширить область рабочих давлений классических разрядов с полыми катодами от низких давлений до атмосферных.
Микроразряды в прикатодном слое инициируют между плоским катодом и кольцевым анодом (/=0.1-1 мм), изолированными друг от друга диэлектриком толщиной 100 мкм. Данный тип разряда обладает ярким свечением в области.катодного падения потенциала. Последние исследования [70] показали возможность получения в CBL разрядах эксимерного излучения с эффективностью в 5% (75 Торр Хе) и 2.5% (200 Торр Аг).
Несмотря на интенсивные исследования и проявляемый в последние годы интерес к микроплазме, она как источник эксимерного излучения уступает эксимерным лампам на основе барьерных разрядов [66]. Основными причинами этого являются отсутствие изоляции электродов от рабочего газа, что укорачивает срок службы источника излучения и малая толщина излучающего слоя, что ограничивает интенсивность излучения плазмы.
Струйные газоразрядные источники БУФ излучения. Принцип действия струйных источников света основан на возбуждении разрядом расширяющейся струи инертного газа, выходящей со сверхзвуковой скоростью из объема с давлением в несколько атмосфер (Р= 1-15 атм) через сопло в вакуумную камеру (P l0 l-I0 s Торр) [71-76]. Известно, что в этих условиях образуются кластеры инертных газов, в том числе и двухатомные [167]. На выходе из сопла газ возбуждается постоянным или импульсным во времени разрядом. Таким способом удается получить эксимерное излучение в широком ряде инертных газов Не, Ne, Аг, Кг и Хе [71-75] и их смесей [76]. В отличие от обычного разряда образование эксимеров в струйном разряде, согласно работам [71,73], идет при соударениях с нижнего невозбужденного состояния димеров инертных газов: R2( 2+e) + е - R2 ( 32+u ) + е (1.1) R2(,S+E) + R - R2 (1 3S+u) + R (1.2) что обеспечивает заселение самых низких колебательных уровней эксимерных молекул и ведет к сужению полос их излучения (в Хе с 12 нм до 6 нм согласно [71]).
Концентрация образующихся димеров инертных газов зависит от вида сопла: при использовании конического сопла согласно работе [73] концентрация возрастала на два порядка по сравнению с соплом Лаваля. В работе [74] интенсивность излучения струйного газоразрядного эксимерного источника была повышена за счет наложения магнитного поля, параллельного направлению струи. Это приводило к уменьшению радиального коэффициента диффузии: DJ-=D0/(l+aB2) (1.3) что обеспечило увеличение мощности излучения 2.5 раза (до 500 мВт), сужение радиуса разряда на 25% (1.7 мм) и увеличение излучательного кпд с 0.7% до 1.6%. Данные источники разрабатывались авторами [73,74] с целью их применения в ВУФ литографии. К преимуществам источников данного типа можно отнести точечность излучения и высокую плотность излучаемой энергии (1-5 Вт/см2), к недостаткам: сложность в конструкции (некомпактность, использование высокого давления- 4-6 атм) и низкий по сравнению с БР лампами ВУФ кпд (2% против 10-60%).
Излучение охлаждаемого капиллярного разряда постоянного тока. Данный тип разряда наблюдают в узких (диаметр d=\-2 мм ) капиллярах охлаждаемых жидким азотом [2,77,78]. При заполнении капилляра инертными газами с давлением несколько сотен Торр и зажигании в нем разряда в плазме эффективно образуются эксимеры, излучающие в ВУФ диапазоне.
Зажигание разряда в капилляре и достижение условий образования в нем эксимеров является сложной технической задачей. Одной из проблем является необходимость охлаждения рабочего газа, которая приводит к усложнению конструкции разрядной трубки [2,77,78]: используется капилляр малого диаметра (менее 2 мм), капилляр окружают тремя оболочками, обеспечивающими теплообмен, охлаждение жидким азотом и вакуумную изоляцию от внешней среды. Расчеты [79] показывают, что температура газа в центре разрядного шнура без охлаждения может достигать более 1000 К в зависимости от силы тока в разряде.
Вычисления, проведенные в [80] показали, что основными механизмами образования эксимеров инертных газов в охлаждаемом капилляре являются трехчастичная конверсия и прямое возбуждение электронным ударом из основного состояния S+g: R ( 3Р,,2) + 2R -» R2 (1,32+u) + R (1.4) R2(IZ g) + e-+Ri (,-324-u) + e (1.5) Причем при охлаждении концентрация молекул в основном состоянии растет (при Гг=200 К и /"=600 Торр согласно [80] она составляет 0.5%) и роль процесса возбуждения из основного состояния возрастает.
Преимуществами такого типа источников света является получение непрерывного во времени ВУФ излучения. Недостатками - техническая сложность установки: необходимость криогенного охлаждения, прокачки и очистки газа.
Эксимерные источники света на основе пучковой плазмы. Принцип действия данных источники ВУФ-УФ излучения основан на ионизации и возбуждении инертных газов и их смесей пучком проходящих частиц. При прохождении пучка ускоренных частиц появляются ионы и возбужденные атомы, которые, вступая в плазмохимические процессы, образуют новые частицы, в том числе и эксимерные молекулы.
Численные исследования плазмы барьерных разрядов
Одним из способов получения, когерентного ВУФ излучения является. использование нелинейных газовых преобразователей1 света- [.106,107], позволяющих достигать областей вплоть до мягкого рентгеновского диапазона. В качестве нелинейных сред используются, инертные газы или пары металлов, которые накачиваются мощными мегаватными лазерами на красителях или эксимерными лазерами наносекундной или пикосекундной длительности. В результате нелинейных эффектов (генерации высших гармоник, нерезонансного и резонансного смешения частот, многофотонной резонансной накачки, комбинационного рассеяния) образуются более высокие по частоте гармоники. Так, в работе [108], был разработан непрерывный лазер ВУФ диапазона на резонансном смешении частот третьего порядка нелинейности. В качестве нелинейных сред использовались пары металлов: Sr, Са, Mg и Zn. Среды накачивались одномодовым лазером на красителе и аргоновым ионным лазером мощностью 0.2-3 Вт. Выходное ВУФ излучение молено было перестраивать в диапазоне от 133 до 217 нм, мощность излучения составляла 0.2 пВт - 60 нВт. Основными недостатками данного типа лазеров является малая мощность излучения, низкий кпд и большие габариты, поэтому в основном они применяются для научных целей и значительно меньше в промышленности.
Помимо совершенствования газовых ВУФ лазеров проводятся исследования по поиску новых активных в ВУФ области сред. Работа [109] посвящена исследованиям лазерных характеристик твердотельного лазера ВУФ диапазона с оптической накачкой. В качестве активной среды этого лазера использовался кристалл LaF3:Nd +, а в качестве рабочих лазерных переходов - межконфигурационные 5d4f-4f переходы ионов Nd +. При накачке этого кристалла излучением импульсного Р2-лазера (Л,=157 нм) наблюдали генерацию излучения с длиной волны 172 нм.
Работы [110,111] посвящены мощным ВУФ (Х. 100 нм) лазерам на свободных электронах (ЛСЭ), создаваемых в линейных ускорителях частиц, генерирующих импульсы фемтосекундной длительности. Основным недостатком данного типа лазеров являются их большие размеры (десятки метров).
В [112] указывалось на возможность получения непрерывной генерации на длине волны Х=160 нм на переходах иона меди в плазме разряда с полым катодом.
В работе [113] расчётным путём обосновывается возможность получения непрерывной ВУФ генерации на длине волны Х,=185 нм на переходе атома ртути на основе явления атомной когерентности, позволяющего получать усиление излучения без инверсии заселённости. БУФ лазеры на димерах инертных газов. Возможность получения: генерации в» ВУФ диапазоне на переходах двухатомных молекул инертных газов привлекает внимание в связи с особенностью- строения1- потенциальных кривых этих молекул. Основное состояние димеров инертных газов является- разлетным; что обеспечивает инверсную заселенность по отношению к вышележащим возбужденным состояниям (рис. 1.6). В то же время, данное расположение уровней приводит к большой ширине перехода и соответственно малому коэффициенту усиления на данном переходе. Малый коэффициент усиления, в свою очередь, ведет к необходимости использования высоких мощностей накачки, большим требованиям к чистоте газа и ограничению по температуре газа, что усложняет технически задачу получения генерации.
Для получения инверсной заселенности на димерах инертных газов используются различные агрегатные состояния активных сред (жидкие и газообразные) и разные способы возбуждения (пучком частиц, газовым разрядом).
Впервые генерация на димерах наблюдалась в жидком ксеноне на длине волны 176 нм при возбуждении пучком электронов с энергией 800 кэВ [114]. Так как атомы инертных газов слабо взаимодействуют друг с другом спектры их люминесценции слабо зависят от агрегатного состояния, это позволяет наблюдать в конденсированном состоянии переходы аналогичные переходам в двухатомных молекулах. Вывод о наличии генерации был сделан по резкому сужению линии люминесценции до 2 нм . Расходимость излучения составила 7, пороговая плотность тока 30-50 А/см , мощность излучения 10 Вт, коэффициент усиления оценивался в 1 см" .
Генерация на димерах, образующихся в сжатых инертных газах при их возбуждении пучком электронов, впервые была получена в работах [115-117] на молекулах Хе2 (Х=172 нм), в [118] на Кг2 (Х.=146 нм) и [111] на Аг2 (Х.=126 нм). Дальнейшие исследования условий получения генерации проводились в частности в работах [120-121]. Исследованию генерации на димерах Хе2 при возбуждении пучком электронов ксенона в газообразном состоянии при давлениях Р=2-3 атм посвящена работа [120]. Скорости накачки среды достигали 106 Вт/см3, при этом эффективность генерации оценивалась в 1%. Низкий кпд объяснялся влиянием процесса фотоионизации. В аналогичных исследованиях по получению генерации на газообразном криптоне положительного результата достичь не удалось [121]. Среди лазеров на димерах инертных газов наибольшей энергией фотона обладают аргоновые лазеры (126 нм). Исследование генерации на димерах аргона проводилось в частности в работах [114,115]. В работе [122] уменьшение влияния примесей достигалось за счет охлаждении газа до 170 К, что позволяло снизить необходимое для получения генерации давление с 30 атм до 10 атм; коэффициент усиление при этом і составлял величину 0.1 см". Агг лазер с высокой пиковой. мощностью (2 МВт), в импульсе длительностью 10 не и коэффициентом усиления 0.13 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 Ti:Sapphire инфракрасного лазера (882 нм) длительностью 100-200 фс. Далее излучение усиливалось в плазме аргона, образующейся при оптическом пробое под действием ИК импульсов того же Ti:Sapphire 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 (Р=Ю атм), было обнаружено сужение полосы излучения и увеличение интенсивности имевшее пороговый характер в зависимости от прикладываемого напряжения, коэффициент усиления оценивался величиной 0.011 см на длине волны Х=148 нм. В работе [127] исследовалось усиление в аргоне возбуждаемом поперечным газовым разрядом с плазменными электродами. Был получен коэффициент усиления в 0.086 см"1 на длине волны X =126 нм при давлении аргона 15 атм. В работе [132] был экспериментально исследован эмиссионный спектр капиллярного разряда постоянного тока в криптоне с малой ( 0,1%) примесью ксенона в диапазоне длин волн 115-850 нм. Было показано, что основная доля энергии излучения сосредоточена в узкой спектральной ВУФ полосе, примыкающей к резонансной линии ксенона 146 нм и принадлежащей гетероядерной молекуле КгХе . На основании измеренной мощности узкополосного ВУФ излучения и его углового распределения был сделан вывод о природе возникновения узкополосного ВУФ излучения как об усиленном спонтанном излучении, вызванном просвечиванием широкополосной усиливающей среды узкополосной затравкой.
Исследование излучательных характеристик смеси Кг-1г
Целью данного раздела диссертации была численная, интерпретация экспериментальных результатов, а именно, раскрытие механизма формирования условий пробоя и окончания разряда в газовом промежутке, расчёт и анализ временных зависимостей интенсивности и эффективности излучения димеров.
Методы расчета барьерных разрядов изначально развивались при исследованиях озонаторов на основе БР [11]. Разработке методов расчета барьерных разрядов в эксимерных источниках света и их численным исследованиям посвящены работы [11,20,138-140,151-157]. В первых работах [11,151] рассматривалась однородная (нульмерная) модель БР, в которой использовалась упрощенная схема атомно-молекулярных уровней и кинетических процессов в барьерных разрядах, которые применяются до настоящего времени. Процесс протекания разряда предполагался импульсным во времени и однородным по пространству, электрическое поле в разрядном промежутке аппроксимировалось импульсом, длительность и форма которого выбиралась в соответствии с имеющимися экспериментальными данными. Были рассчитаны концентрации компонент плазмы в зависимости от времени и излучательная эффективность в ВУФ диапазоне в зависимости от величины приведенного электрического поля E/N и концентрации электронов Ne, было показано, что эффективность излучения падает с увеличением Ne.
В последующих работах в расчетах использовались одномерные модели. Одной из первых подробных расчетных работ, посвященных изучению БР в Хе, является статья А.Ода с коллегами [20], где совместно решались уравнение непрерывности, уравнение Пуассона, уравнение баланса энергии электронов для одномерного случая БР в ксеноне. Расчеты проводились для диапазона частот 50 кГц - 1 МГц, давлений от 10 до 400 Торр и вкладываемой в разряд мощности НО 3 -15 Вт/см2. Были получены распределения концентраций основных компонентов плазмы в межэлектродном пространстве, величины средних энергий электронов, электрические характеристики в течение всего периода изменения синусоидального напряжения. Расчеты показали, что средняя энергия электронов, концентрация электронов и эксимеров (как и остальных компонент плазмы) в приэлектродных областях в несколько раз выше по сравнению с их значениями на промежутке. Было найдено, что эффективность излучения в ВУФ диапазоне (Х,=172 нм) растет с увеличением вводимой мощности и может достигать 60%. В [138] исследовалась возможность повышения излучательного кпд БР с уменьшением длительности разряда в ксеноне (Р=400 Торр, Ь=Ъ мм, С=8 кВ). Рассматривался короткоимпульсный разряд в Хе с частотой импульсов напряжения 3 кГц и длительностью импульсов около 200 не. В расчетах использовалась одномерная модель, в которой подробно рассматривались энергетические потери, определяющие кпд выхода ВУФ излучения. Было найдено, что основным каналом потерь энергии является нагрев ионов электрическим полем и потери энергии при соударениях второго рода с электронами и тяжелыми частицами. Нагрев ионов ксенона электрическим полем являлся доминирующим над другими каналами диссипации электрической энергии в приэлектродных слоях и рос во времени. Сокращение времени протекания разряда позволяло ограничить потери энергии на нагрев ионов и повысить эффективность ВУФ излучения, расчетные величины которого составили 60%.
Дальнейшее развитие расчетная модель БР получила в работе [152], где исследовалось влияние поверхностных процессов на барьерах на параметры БР. Рассматривался однородный, таунседовский разряд в азоте, в расчетах использовалась одномерная модель. Было найдено, что в условиях таунседовского разряда, когда отсутствуют объемные разряды, искажающие внешнее поле, а также при слабых электрических полях, когда скорость прямой ионизации мала, такие процессы на поверхностях электродов как десорбция электронов и поверхностная рекомбинация значительно влияют на параметры разряда.
В работе [139] изучалось влияние кинетической схемы, используемой в расчетах на получаемые в результате характеристики плазмы БР. В рамках расчетов с использованием одномерной модели барьерного разряда в ксеноне было показано, что усложнение кинетической схемы может существенно влиять на получаемые результаты. Добавление в схему ступенчатых процессов возбуждения и ионизации атомов ксенона, а также учет в схеме трехатомного иона Хез+ приводил к изменению амплитуды тока и количества токовых импульсов.
Двумерные расчеты барьерных разрядов проводились в работах [153-155]. В работе [153] исследовалось влияние ион-электронной эмиссии и крутизны фронта напряжения на однородность разряда в гелии. Было показано, что увеличение крутизны фронта импульса напряжения приводит к большей однородности разряда, рост ион-электронной эмиссии ведет к однородности только в комбинации с возрастанием крутизны фронта напряжения. В [154] исследовалось влияние нагрева газа на распределение эксимеров в газоразрядном промежутке. Было найдено, что наибольший разогрев газа вызывается ускорением ионов в приэлектродных слоях, что ведет к увеличению концентрации эксимеров в этих областях. В работе [155] рассчитывался, разряд в гелии, с добавкой азота. Расчетная-модель включалаї систему уравнений непрерывности, уравнение Пуассона и уравнение сохранения энергии электронов:, Были исследованы режимы БР при различных частотах прикладываемого напряжения.
Для проведения быстрых упрощенных расчетов электрических параметров БР используются электротехнические модели БР [156,157]. В них при описании кинетических реакций, происходящих в плазме, принимаются во внимание только процессы ионизации и рекомбинации, параметры которых находятся из известных экспериментальных данных. В [156] для уточнения электротехнической модели плазмы она разбивалась на несколько частей: приэлектродные части, описываемые параметрами соответствующими анодному и катодному слоям, и среднюю часть. В [157] с помощью трехпараметрической электротехнической модели анализировались экспериментальные данные в БР в смесях Xe/NF3 и Xe/SF6. Данный подход дает достаточно хорошее приближение в описание вольт-амперных и мощностных характеристик и успешно применяется как для моделирования экспериментальных результатов [157] так и в программах для разработки и оптимизации источников питания БР [156].
Чисто аналитический подход к исследованию БР был представлен в [140], где проводились теоретические исследования таунсендовского барьерного разряда и условий возникновения пиков на токовой кривой.
В расчётах, представленных в данной части диссертации использовалась гибридная одномерная модель, в которой поведение компонент плазмы описывалось уравнениями гидродинамики, а для электронной компоненты дополнительно учитывалось распределение электронов по энергиям. Модель включала систему уравнений непрерывности относительно неизвестных концентраций компонент плазмы, систему уравнений для нахождения поверхностных зарядов на диэлектрических барьерах, уравнение Больцмана для нахождения распределения электронов по энергиям и уравнение для нахождения значений напряжённости электрического поля.
Исследование возможности применения объемного разряда, инициируемого пучком электронных лавин, для создания лазера на димерах криптона
В данной части работы проводилось численное исследование плазмы контрагированного положительного столба тлеющего разряда в инертных газах (Хе) средних давлений с криогенным охлаждением. Главное внимание уделялось физическим характеристикам, определяющим интенсивность и эффективности ВУФ излучения.
Преимущество тлеющего разряда постоянного тока по сравнению с барьерным состоит в возможности получения непрерывного во времени ВУФ излучения.
Экспериментальному и теоретическому изучению физики тлеющих разрядов в инертных газах посвящены работы [203-210]. В работах Ю.М.Кагана с коллегами [203-204] проводились исследования параметров разрядов в неоне и аргоне при давлениях от 1 до 30 Торр, находились радиальные распределения электронов. При этом предполагалось, что основным процессом рождения электронов является ступенчатая ионизация, гибели — амбиполярная диффузия на стенку. В результате исследований был сделан вывод, что основной причиной сжатия (контракции) положительного столба тлеющего разряда является радиальная неоднородность концентрации электронов и нормальных атомов, вызванная падением температуры газа при удалении от оси разряда.
Вопрос о важности диссоциативной рекомбинации (ДР) в контракции обсуждался С.Кенти в [209]. В работе Г.Н.Герасимова [205] также была показана важность гибели электронов в объеме при ДР для появления контракции. Проводилось сравнение степени контрагирования между разрядами постоянного и импульсного токов. В импульсном разряде, где ДР играет большую роль, контракция наступала быстрее, в связи с чем был сделан вывод об определяющей роли ДР для наступления контракции.
Детальное изучение контракции в инертных газах было проведено в работах К.Н. Ульянова с коллегами [206,207,210]. В [207] экспериментально исследовались условия возникновения контракции в Аг и смеси Ar-Cs . Было показано, что с увеличением давления до 5 Торр и ростом тока рекомбинационные потери начинают преобладать над диффузионными, увеличивается неоднородность газовой температуры, что усиливает контракцию. В [206,210] проводилось теоретическое исследование явления контракции. Решалась система уравнений относительно концентрации электронов Л , температуры электронов Те, температуры газа Tg. Зависимость Ne=Ne(Te,N) находилась как для случая ионизационного равновесия (формула Саха), так и для его отсутствия, где она выражалась через функцию ионизации S(Te,N) и скорость ДР. Было найдено выражение для радиуса контрагированного шнура в зависимости; от параметров-плазмы и: происходящих в ней. процессов, показан рост радиуса с увеличением гроли электрон-ионных столкновений. В качестве основных причин і контракции 1указываются её термическая»природа, приводящая к радиальной.неоднородности!нормальных атомов; которая,приводит к неоднородности Те, а та в свою очередь к неоднородности Ne, в качестве другой причины, приводящей к сильной контракции указывается на ДР.
В работе Ю.Г.Козлова [208] было подробно рассмотрено ионизационное уравнение относительно Ne(Te,N) , рассматривались случаи гибели электронов, как за счет амбиполярной диффузии, так и в объеме, при равномерном и неравномерном распределении нормальных атомов. Автор приходит к выводу, что режим наиболее сильного контрагирования возникает при неоднородном распределении нормальных атомов по радиусу и наличии ДР.
Из последних публикаций касающихся тлеющих разрядов постоянного тока в инертных газах необходимо отметить работы Г.Н. Герасимова с коллегами [2,77,78,179,211], посвященные экспериментальному изучению континуумов инертных газов возбуждаемых в положительном столбе капиллярного разряда с целью создания постоянных во времени источников излучения (когерентных и некогерентных). В данных работах изучались ВУФ спектры инертных газов в условиях криогенного охлаждения разрядной трубки. По мнению авторов, в условиях криогенного охлаждения начинает
ИГраТЬ рОЛЬ ПрОЦеСС ПРЯМОГО ВОзбуЖДеНИЯ ДИМерОВ ИЗ ОСНОВНОГО СОСТОЯНИЯ: R2(Ogj+e —
R2 (l Ou +e, что приводит к росту интенсивности их излучения. Эксперименты [77] показали, что при криогенном охлаждении разрядной трубки интенсивность 2-го ВУФ континуума (соответствующего переходам с нижних колебательных уровней димеров R2 ) увеличивается в 1.5-4 раза при уменьшении давления в диапазоне от 300 до 50 Торр в Хе и от 500 до 100 Торр в Кг (рис. 4.1). В работе [179] изучались спектры смесей в охлаждаемом разряде. Показана эффективная передача энергии от компонент криптона к компонентам ксенона, исследованы зависимости спектров от Tg и процентного содержания Хе. Особое внимание уделено узкополосному излучению в области 147 нм, соответствующей переходу в атоме Хе 3Р]—» So , показана сложная структура данной линии, связанная с поглощением слабосвязанной молекулой КгХе из основного состояния [211] и с излучением слабосвязанной молекулы КгХе . Интенсивность
