Введение к работе
Актуальность темы.
СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) ь\т = со^ (здесь ow и cote - круговая частота СВЧ поля и циклотронная частота электронов, соответственно) 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, [1-3]). В дальнейшем 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.
В связи с непрерывным развитием исследований в области ядерной физики требования к ионным источникам постоянно возрастают. Прежде всего, необходимо повышать зарядность ионов. 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 [4, 5].
Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [6, 7] 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 у^ . 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 Ne, при этом пропорционально Л^ растут и потери плазмы за счёт кулоновских столкновений (время жизни плазмы в магнитной ловушке т, «= l/Nc). В этом случае, при оптимальной температуре электронов, распределение ионов по зарядам, определяемое параметром Л^-Т; [4, 5], не изменяется, а ток много-зарядных ионов, определяемый параметром А/е /т,, будет пропорционален /свч' если ^е ж /свч Отсюда понятен интерес к исследованиям ЭЦР разряда, создаваемого СВЧ излучением большой частоты, поскольку соответственно должен возрасти ток многозарядньгх 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
С.Г.еароург
котором изменяется характер удержания плазмы в ловушке - реализуется так называемый квазигазодинамический (КГД) режим с холодными "столк-новительными" ионами, горячими "бесстолкновительными" электронами и заполненными конусами потерь в пространстве скоростей [1 А, 8, 9]. В таком режиме время удержания плазмы слабо зависит от её плотности (см., например, [1А, 8, 10]), поэтому с увеличением концентрации электронов увеличивается параметр #е-т,, в результате чего максимум ионных зарядовых распределений смещается в сторону более высоких кратностей ионизации [4, 5]. 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 мягкого рентгеновского излучения (МРИ), представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов [11]. Основные перспективы использования ЭЦР разряда как источника МРИ связаны, по-видимому, с микроэлектроникой. В настоящее время в мире интенсивно ведутся работы по созданию различных типов источников мягкого рентгена (MP) с длиной волны порядка 100 А. Такое излучение применяется в рентгеновской микролитографии для получения полупроводниковых структур субмикронных размеров, что является чрезвычайно актуальной задачей [12].
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 Тс ~ 100 - 400 эВ [З, 2А] основной части электронов, а также плотную плазму с электронной концентрацией Ne > 2-1013 см "3 [З, 2А, ЗА]. Поскольку указанная электронная температура близка к оптимальной для образования и возбуждения многозарядных ионов тяжелых газов [13], излучающих в мягком рентгеновском диапазоне в области длин волн порядка 100 А, в плазме ЭЦР разряда должно создаваться большое количество МЗИ, и генерироваться интенсивное линейчатое мягкое рентгеновское излучение. Поэтому представляются актуальными исследования режимов горения ЭЦР разряда, обеспечивающих оптимальные условия для генерации мягкого рентгена.
В связи с широким применением в научных исследованиях и технологиях ЭЦР разряда в прямых магнитных ловушках, значительный интерес
представляет изучение начальной стадии такого разряда, т.е. изучение про
цесса пробоя. Дело в том, что при создании и нагреве плазмы в условиях
электронного циклотронного резонанса (а это, как правило, происходит при
достаточно низких давлениях рабочего газа - 10 "3 Торр и ниже) наряду с
кулоновскими столкновениями появляется дополнительный канал ухода
плазмы из ловушки, связанный с рассеянием электронов в конус потерь при
взаимодействии их с резонансной СВЧ накачкой [14, 15]. При использова
нии в качестве источника СВЧ излучения современных гиротронов, соз
дающих плотность потока мощности порядка нескольких кВт/см 2 и выше,
f указанный механизм потерь может стать доминирующим [9, 16]. Исследо-
вание ЭЦР пробоя в таких условиях также представляется актуальной задачей.
Целью настоящей диссертационной работы являлось экспериментальное исследование ЭЦР разряда, создаваемого в прямой магнитной ловушке в тяжёлых (воздух, кислород, аргон) газах излучением мощного импульсного гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, а также изучение перспектив использования такого разряда в качестве источника мягкого рентгеновского излучения и многозарядных ионов.
Научная новизна.
Впервые реализован и комплексно исследован импульсный сильнонеравновесный ЭЦР разряд в тяжёлых газах с квазигазодинамическим режимом удержания плотной плазмы в прямой осесимметричной магнитной ловушке. Найдены условия существования плазмы с изотропным и анизотропным распределениями электронов по скоростям.
Определены оптимальные условия образования в ЭЦР разряде многозарядных ионов (например, Аг,0+- Аг12+) и генерации мягкого рентгеновского излучения (длины волн X ~ 100 А).
Получено изображение разряда в мягких рентгеновских лучах (АЛ = 60 -115 А).
Экспериментально подтверждено существование канала ухода электронов из магнитной ловушки, связанного с их рассеянием в конусы потерь при резонансном взаимодействии с мощной электромагнитной волной накачки.
Научная и практическая значимость.
Исследованы особенности возникновения и поддержания плотной неравновесной плазмы импульсного разряда в тяжёлых газах, возбуждаемого в магнитной ловушке простой пробочной конфигурации мощным миллиметровым излучением в условиях электронного циклотронного резонанса. Показано, что такой разряд является эффективным источником как мягкого рентгеновского излучения, так и многозарядных ионов, и может быть использован в рентгеновской микролитографии и ускорителях тяжёлых частиц.
Использование результатов работы.
Результаты проведённых исследований использовались- в работе по теме "Шарж" (отчёт ИПФ АН СССР, 1991 г., № Гос. регистрации 01870089540); при реализации Межотраслевой научно-технической программы России "Физика микроволн" (проект 4.2) и Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект "Фундаментальная радиофизика"); при выполнении государственного контракта № 105-5/33/34/35/68(00)-П "Гиро-трон"; проектов РФФИ № 93-02-849, № 00-02-16480, а также международных проектов ИНТАС № 97-0094, ИНКАС (МЦФПИН) № 98-2-12, МНТЦ №325 и №1496.
Положения, выносимые на защиту.
-
Возникновение импульсного ЭЦР разряда в тяжёлых газах в прямой осесимметричной магнитной ловушке при продольном вводе мощного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн носит пороговый по плотности газа характер. Наличие порога обусловлено рассеянием электронов в конус потерь в результате их резонансного взаимодействия с электромагнитным полем микроволновой накачки. Газовыделение с расположенного в магнитной пробке или внутри ловушки диэлектрического окна, предназначенного для ввода электромагнитного излучения в вакуумную камеру, оказывает существенное влияние на развитие разряда при давлениях газа порядка 10~6- 10"5Торр.
-
Совокупность экспериментальных данных о параметрах плазмы и динамике ЭЦР разряда можно объяснить в рамках предположения о реализации квазигазодинамического режима удержания плотной (Nc > Ю13 см ~ ) сильнонеравновесной (Ге » Г, ) плазмы в магнитной ловушке. Такой режим, в отличие от классического режима удержания, характеризуется заполненностью электронами конусов потерь в пространстве скоростей, поэтому время жизни плазмы в ловушке определяется скоростью ионного звука и не зависит от концентрации электронов; возможна реализация разряда как с изотропным, так и с анизотропным распределением электронов плазмы по скоростям.
-
Использование мощного миллиметрового излучения гиротрона для поддержания ЭЦР разряда в простой магнитной ловушке позволяет существенно увеличить ток и зарядность ионов тяжёлых газов. В частности, в плазме аргона распределения ионов по кратностям ионизации имеют максимум на зарядах +(10-12), при этом плотность суммарного по всем заряд-ностям ионного тока в пробках ловушки достигает нескольких сотен мА/см2, что значительно превышает соответствующие параметры традиционных ЭЦР источников многозарядных ионов с накачкой излучением сантиметрового диапазона длин волн.
-
ЭЦР разряд в тяжёлых газах, поддерживаемый в прямой магнитной ловушке мощным пучком миллиметровых волн, является эффективным
источником мягкого рентгена в области длин волн порядка 100 А, представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов. Мощность мягкого рентгеновского излучения, генерируемого аргоновой плазмой, достигает W„pH = 16 кВт в импульсе длительностью т = 1 мс при эффективности преобразования мощности СВЧ пучка в мягкое рентгеновское излучение на уровне 12 %.
Публикации и апробация результатов.
Данная диссертационная работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Н. Новгород). Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах ИПФ РАН, опубликованы в работах [1А - 21А], представлялись и докладывались: на 1-м, 2-м, 3-м и 4-м Международных рабочих совещаниях "Strong Microwaves in Plasmas" (H. Новгород, 1990, 1993,1996 и 1999 г.г.); на Симпозиуме'92 исследовательского Центра "Ultra High Energy Density Heat Source" (Япония, 1992); на 10-м, 11-ми 12-м совместных российско-германских семинарах "ECRH and Gyrotrons" (Н. Новгород, 1998; Германия, 1999; Н. Новгород - Москва, 2000), на 24-й Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997); на международной конференции "Open Magnetic Systems for Plasma Confinement" (Новосибирск, 1998), на Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998), на 3-й Международной рабочей встрече "Microwave Discharges: Fundomentals and Applications" (Франция, 1997); на 7-й, 8-й и 9-й международных конференциях "Ion Sources" (Италия, 1997, Япония, 1999, США, 2001); на 15-й Международной конференции "Cyclotrons and Their Applications" (Франция, 1998); на 14-й Международной рабочей встрече "ECR Sources" (Швейцария, 1999); на Международной университетской конференции "Electronics and Radiophysics of Ultra -High Frequencies", (Санкт-Петербург, 1999); на 13-й Международной конференции "Beams 2000" (Япония, 2000); на Международном совещании "Sources 2000" (Япония, 2000); на Международном совещании "Production of Intense Beams of Highly charged Ions" (Италия, 2000).
Личный вклад автора.
Автор принимал участие в обсуждении тематики и в постановке задач исследований. Подготовка всех экспериментов, выбор методов и проведение исследований проходили при непосредственном участии соискателя. Ему принадлежит основной вклад в проведение измерений порогов ЭЦР пробоя, в обработку полученных данных при исследовании вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений плазмы. В работу над публикациями по теме диссертации все соавторы внесли равный научный вклад.
Структура и объём диссертации.
Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 156 страниц, включая 63 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 165 наименований.
