Введение к работе
Актуальность темы
Тенденция к уменьшению структур микроэлектроники привела к задаче создания литографии с разрешением » O.I мкм. Для этого необходимы источники достаточно коротковолнового излучения. Поскольку отсутсвуют прозрачные вещества для окон, фильтров, прозрачных частей маски и пр. в диапазоне длин волн от 1000 до 100 А, го для достикешія необходимого разрешения потребовался переход к диапазонам длин волн 5 - 100 А. В связи с этим возникла задача создания источников мягкого рентгеновского излучения (МРИ).
Второй задачей потребовавшей создания источников МРИ является рентгеновская микроскопия. При работе с рентгеновскими микроскопам! удается получить разрешение характерное для электроююй микроскопии. Однако, при этом открывается возможность работать с живиш влажными образцами не подвергнутыми специальной обработке, необходимой для электронной микроскопии.
Как известно, хорошим источником МРИ является синхротрон. Однако, это сложное и дорогое устройство доступно лишь крупным производителям. Поэтому в настоящее время ведется активный поиск возможности создания более компактных, простых и дешевых источников дай.
Одно из направлений этого поиска связано с разработкой газоразрядных плазменных источников МРИ. В настоящее время созданы такие источники на основе 2-пинчей с импульсным напуском газа и вакуумных искр. К недостаткам первого подхода следует отнести большие размеры излучателя в радиальном направлении наблюдения, тогда как при выводе МРМ вдоль оси
- і -
разряда резко падает эффективность источника. Кроме того, такие устройства сложны из-за необходимости формирования импульсной полой предварительно ионизованной струи газа, масса и момент ввода которой в разрядный промежуток должны быть согласованы с параметрами и работой электрической цепи разряда. В случае вакуумной искры размеры излучателя достаточно малы. Однако разрешение такого источника определяется неконтролируемой воспроизводимостью излучащей области от разряда к разряду. Большая часть энерговклада в искру трансформируется в мощные ионные потоки, что требует серьезной магнитной завиты облучаемого объекта. Вместе с тем и вакуумные искры и пинчи с импульсным напуском газа требуят установок с достаточно большой энергетикой (несколько килоджоулей).
В настоящей работе исследовалась возможность создания источника МРИ на основе z-пинча в плотном газе (ППГ). Как покзали преді зрительные расчеты, достоинство такого подхода состоит в том, что в ППГ удается подучить необходимые для источника МРИ параметри плазмы на установках с малой энергетикой (ко 300 Мі.
Экспериментальных исследований возможности создания источника МРИ на основа ППГ ло аи пор произведено не было. Данные о достижимых в ППГ температурах носят противоречивый характер. Кет данных о зависимости параметров плазмы ППГ от атомной массы газа, в котором происходит разряд. Не исследовались способы внесения излучателей МРИ в ППГ исключающие резонансное перепоглощение в буферном газе.
Цель работы состояла в следующем:
-
Создание экспериментальной установки для исследования ППГ, и методик измерения параметров плазмы.
-
Экспериментальное исследование парметров ППГ в зависи-
мости от атомной массы (водород и азот) и начального давления газа.
-
Экспериментальное исследование способов локального внесения излучающих ионов в ППГ, исключающих резонансное перепоглощение ПРИ в буферном газе.
-
Экспериментальное исследование возможности создания искусственной перетяжки в ГОІГ.
Научная новизна раооты
1. Экспериментально исследована временная зависимость
температуры и концентрации плазмы в ППГ при различных началь
ных давлениях и атомной массе газа в решшах с мзлой энерге
тикой (до 300 Дк). Показано, что при токе 40 « 50 кА темпе
ратура плазми может достигать »50 эВ в водороде и »100 эВ в
азоте и не зависит от начального давления в пределах точности
измерения.
-
Показано влияние замагничекносги плазмы на динамику параметров в условиях, когда магнитное давление заметно меньше газокинетического.
-
Исследованы методы локального внесения излучателей МРИ в ППГ, исключающие резонансное перепоглощение.
-
Предлокен и экспериментально проверен способ создания искусственной перетяжки в ППГ зз счет ограничения радиуса канала разряда диэлектрической пленкой, приводящий к локальному увеличению удельного зкерговклзда, повышении температуры и плотности плазкы.
-
Измерена доля энергии, которая шладьтается в искусственную переткяку. Показано, что физический кехэнизм повышения температуры в перетягав связан с увеличением плотности знерговклада и эффективной термоизоляцией горячей плазмы испарящнжя веществом пленки, вытекащим вдоль оси разряда.
Зарегистрированы линейчатые рентгеновские спектры і;з искуст-венной перетяжки в диапазоне длин волн 15 - 25 А.
Научная и практическая значимость раОоты
Результаты проведанных исследований важны как для понимания физических процессов, .происходящих в ШІГ, так и при создании источников МРИ. ІШГ с искусственной перетяжкой мокет бить полезен в исследованиях по управляемому термоядерному синтезу.
' I. Экспериментально показана воэдаяюсть получеїшя плазмы с температурой, иеоОходишй для создания источников МРИ (50 100 эВ) в плазма ППГ на установках с малой энергетикой (до 300 Да). Получек*! временные зависшоста температуры п концентрации плазш. Показано, что температура не зс жсііт от начального давления я растет с увеличением атомной массы газа.
-
Предложен и экспериментально апробирован способ создания искусственной перетяжки в ППГ за счет ограничения диаметра канала разряда диэлектрической пленкой.
-
Показано, что испаряющаяся стенка, при осевом выносе испаренного вещества, является эффективным термоизолятором горячей плазмы. Продемонстрирована возможность достижения температур »90 эВ при токе 80 кА а искусственной пзретяхгке.
4. Апробированы способи локального внесения излучающей
примеси в плазму ППГ. Шказена перзспективность способа
внесения примеси при помощи диэлектрической пленки располо
женной поперек оси разряда.
5. Расчитана и экперкменхально проверена форма электродов
для коаксиальных разрядников, отвечэвдая максимальному про
бойному напряжению. Полученные результаты могут быть полез
ны при создании импульсных коммутаторов високого напряжения.
6. Предложена и реализована компактная установка для лазерной двумерной теневой фотографии быстропротекающих процессов.
Основино положения выносимые на засдату
I. Разработана методика" измерения температури и концентрации плазмы с временным разрешением по току и радиусу пшча.
2.' Разработана и проверена экспериментально методика определения форма электродов, обеспечивающих возможность достижения максимального напряжения в коаксиальном разряднике.
-
Проведены исследования параметров однородного. столба z-пича в" плотном газе с энергетикой до 300 Дя в водорода и азоте в зависимости от начального давления (0.7 - 2 атм.). Показано, что температура плазмы- растет с атомним номером элемента и не зависит от начального давления. Продемонстрирована возможность получения температур - 50 эВ с концентрацией « 5 10'"см*1 в водороде и « 100 эВ с концентрацией «1.5 10"см"3 в азоте.
-
Проведены исследования возможности локального введения излучающей МРИ примеси в' водородную плазму путем предварительного испарения материала одного из электродов лазерным излучением. Показано, что при таком способе введения концентрация излучателя значительно ниже концентрации буферного газа.
-
Предложен и реализован способ создания искуствешюй перетяжки в канале z-пинчз в плотном газе, путем помещения диэлектрической пленки с отверстием порядка Ї00 мкм перпендикулярно оси разряда, обеспечивающей:
- малые размеры и точную пространственную привязку излучавшей области,
значение температуры и концентрации плазмы в перетяжке, достаточные для ее использования в качестве источника МРИ,
заданный состав плазмы в перетяжке,
отсутствие резонансного перепоглощения в буферном газе.
6. Экспериментально показано, что при использовании лавсановой пленки толщиной 40 мкм радиус перетяжки не превышает 0.7 мм, и в ней выделяется до 50» энергии, вкладываемой в разряд. Зарегистрированы спектры гелио- и водородоподоОша ионов кислорода из облаете искуственной перетяжки. Результаты хвазп-двумеряого ЫГД моделирования разряда в искуственной перетяаке да»т температуру разряда 150 эВ, концентрацию 7 10"см"', при яолчой энергии излученной в области мягкого рентгена Ю Ди.
Апробация результатов и публикации
Результаты работа докладывались на Всесоюзной конференции по физике газевого разряда (Махачкала, 1988), на Всесоюзном Симпозиума го радиационной плазмодинзмике (Дяіан-Туган, 1989), на xix Мендународаой конференции по процессам в ионизованных газах (Белград 1989), на хх Международной конференции по процессам в ионизованных газах (Пиза, 1991), на сеьшнаре кафедры квантовой; радиофизики физического ф-та МГУ (1987), на семинарах отдела микроэлектроники НИИЯФ МГУ, е также опубликовано 10 печатных работ. 2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Во введении обосновывается актуальность теш и формулируется цель работы.
Первая глава состоит из двух параграфов и посвящена обзору литературы по z-гшнчу в плотном газе и
экспериментальным методикам исследования параметров плазмы ППГ.
В 1 рассматриваются работы по исследованию гагача в плотном газе. Проводится сравнительный анализ результатов, описашшх в цитируемой литературе и возмояшх причин расховдения получаемых разными авторами результатов.
В 2 рассматриваются методики, применяемые для экспериментального исследования параметров плотной горячей плазмы ППГ. Приведены основные соотношения, необходише для вычисления параметров плазмы по экспериментально измеряемым величинам и ограничения на применимость рассматриваемых методов.
Глава 2 состоит из 10 параграфов. В ней описывается экспериментальная установка и методики.
В 1 сформулированы подходы использованные для изучения возможности создания источника МРИ на основе ППГ.
В 2 приводится функциональная схема экспериментальной установки, описываются осповные узлы и приборы входящие в нее, а так же схема синхронизации аппаратуры и схема автоматизации эксперимента. Пинч в плотном газе создавался следующим образом. В коаксиальную разрядную камеру напускался исследуемый буферный газ при начальном давлении от 400 до 2000 торр. К разрядной камере без промежуточных разрядников были присоеденеш четыре малоиндуктивных конденсатора общей емкостью 0.374 мкФ. Конденсаторы заряжались до напряжения ниже пробойного напряжения при исследуемом давлении буферного газа. Затем гигантским импульсом излучения твердотельного лазера YAG.-Nd, сфокусированного вдоль оси разрядной камеры, через отверстие в верхнем электроде, производилась инициация разряда. Индуктивность установки была 70 нГн. При рабочем
напряжении 40 кВ била получена скорость нарастания тока 5 10" А/с.
В 3 рассматривается проблема электродов однородного поля для коаксиальных разрядников. Для получения максимальных режимов по току при заданном сорте и давлении газа, необходимо было произвести оптимизацию разрядной камеры по величине напряжения пробоя. Как Сало показано экспериментально и теоретически в коаксиальных ргзряжжах малой индуктивности нельзя првксСуогать влгя~;ем оОрзтного токопровода не распределение электр;жского поля в разрядном промежутке. Это влияние приводит к тоед', что классические электрода однородного поля перестают бкть такокош в коаксиальных разрядниках малой индуктивности. Про&здйкшй aaajra показал, что ^возможно создать электрода однородного воля в коаксиальных разрядниках при величине разрядного промеаутха более 18* от диаметра обратного тшопроводз. Шл реализован численный аягорита построения ф>рш опташмровашшх электродов однородного поля для коаксиального разрядника, еппроксимярованной полиномами ЧеОышава. Получены коэффициента Форш для разрядных прекз&ут-ков длиной от 10 до 24 от дизизгра обратного токопровода. Получено теоретически и экспериментально подтверждено увеличение напряжения пробоя для оптшязированных электродов на 15-25% по отношению к электродам Чакта.
Б 4 описаны диагностики пряыеиешшо на установке для определения электрических характеристик разряда (шунти, делители, пояс роговского) и способы их калибровки.
В 5 списаны методики кгшйровки стрик-ка?лзрм Агзт-СФ, используемой для регистрации динамики радиуса канала ШІГ, в пространственном и временном измерениях, и методики кзлибров-ки спектрографической аппаратуры, пгеяназнзчешюй для регист-
- в -
рации спектров ІШГ в видимом диапазоне.
В 6 описан способ калибровки решеточного рентгеновского спектрографа по длинам воли. Отсутствие достаточно частого калибровочного спектра в области МРИ но позволяет стандартным образом вычислить яеизЕесткае параметра в установко детектора (открытого УМ) на кругэ Роулавда я определить нелинейности электронной аппаратуры. Поэте =iy для кзя^розки спектрограф решалась система трансцендентных уравнения. В результата уд&лось произвести калибровку спектрографа по хг.глии волн с точностью, определяемой аппаратной фуякцяоя спектрографа и регастрпрувдзй аппаратура, по одной известней долга боям от калибровочного источника (К-я-дния углерода 44.7А) и нулевому порядку спектрографа. Точность калибровки контролировалась по К-линиям кислорода (23.6А) я бора (67.6А)
В 7 описана мэтодаса определения концентрации примеси в водородной плазш с пространственным разрешением, для этой цели использовалась рогистргция видимых спектроз, усредненных ээ время разряда, с простраясгвеннш разрешением. Для получения абсолютних значений концентрации кспользовзлесь калкбров-ка гаггенсиЕностеп лишш пржяск по интенсивности водородного континуума. Это позволяло избекать необходимости призводять измерения абсолютной интенсивности спектрзльшх лиїтй я учет геометрии разряда и регистрирующей аппаратуру.
В 8 описана методика получения серки двумзрша лазергшх теневих фотографій с временем экспозиции кадра 0.25 ис и интервалом 10 не медду кэдрзш. Для получения зондяругхлеш излучения использовался лазер с активной скнхрокизецией van.. Для пространственного раздсдеіпія на фотопленке кгобрзшшя носдедователышх кадров применялась стрнк-кймера без входной дали. В таком варианте за время экспозиции (0.25 ис) изобрэ-
женке на выходном экране стрик-камеры сдвигалось на 0.15 мм, что определяло пространственное разрешение метода. За время между последовательными импульсами цуга зондирующего излучения развертка смещалась на 6 мм, позволяя регистрировать кадры размером 5 мм. На экране стрик-камеры Агат-СФ удалось получить до 6 последовательных кадров.
В 9 описана методика определения температуры и концентрации водородной плазмы по линии на регистрируемой со строби-рованием. Минимальная длительность стробируицего импульса позволила регистрировать линию на усредненную за время нарастания тока, и получать усредненные за этот интервал времени значения концентрации и температуры плазмы.
В 10 описан способ определения временной зависимости концентрации и температуры плазмы по току и радиусу канала ІШГ. На основании измерения гокэ и радиуса из уравнения разрядной цепи вычислялась зависимость средней по каналу проводимости плазмы. В случае замэгниченности плазмы в выра-шние для проводимости ябньш образом входит концентрация электронов.в плазме. Для определения концентрации использовалось уравнение энергобаланса. Выла решена система уравнений для проводимости и энергобаланса. Показано, что в проводимых экспериментах плазма была сильно замагничена. Это приводило к двузначности решения системы. Произведен анализ решения и выполнено обоснование выбора определенных ветвей решения. Для этого использовались как данные го независимому определению температуры плазмы спектроскопическими методами, так и физические соображения.
, В третьей главе представлен экспериментальный материал по динамике ППГ в водороде и азоте при начальных давлениях от 0.7 до 2 ата. Приведены результаты исследования варианта
внесения примеси в водородную плазму путем медленого (200 мкс) испарения материала нижнего электрода (алюминия) свободной генерацией неоднмового лазера. Описаны эксперименты по созданию искусственной перетяжки в ІШГ,
В 51 приведены результаты измерения динамики ППГ в водороде. Показано, что при знергоэапасе от 180 до 320 Да удается нагреть водород до 40 50 эВ при концентрации 3 4 Ю1Всм"э. Зависимости температуры плазмы от начального давления обнаружено не Оыло. Концентрация плазмы на горячей стадии разряда росла пропорционально начальному давлению газа. Показано, что плазма ППГ оказывается замагниченвой (иг » 4), хотя магнитное давление всегда существенно ниже газо-кипетического. Теплопроводаостная аккреция приводит к тому, что после быстрого прореживания сразу поело возникновения плазменного канала, на интервале временя от 30 до 150 не концентрация в разряде почти не меняется, хотя диаметр канала линейно растет. Дальнейшее расширение приводит к уменьшении аккреция, к концентрация начинает медленно падать. Влияние звмагпиченности плазмы на проводимость резко замедляет падение удельной мощности вкладываемой в разряд. Последнее приводит к тому, что рост температуры плазмы продолжается в тече-нш' всего регистрируемого интервала времени (200 не). Независимые спектральные измерения температуры и концентрации находятся в хорошем согласии с данными, полученными по проводимости.
В 2 описаны аналогичные измерения для разряда в азоте. Результаты измерения показывают, что увеличение атомной массы газа замедляет расширение канала и, соответственно, увеличивает удельный энерговклад, что приводит к росту температуры. Это обстоятельство зарание на очевидна, поскольку в азоте
- її -
валики затрат знзргки на ионизацию (« ІкзВ) В разряда в взоге тзмперзтурз достигала 100 эВ при электронной концентрации 3 101всм"3. При такой температуре и концентрации происходит полная ионизация ь-оболочки азота. Однако, на измеряемом интервале времени (200 не), ионизация К-оболочки только начинается.
В 3 опксаш результаты опытов по внесению излучающей примеси в водородную плазму ІШГ путем испарения материала электрода лазерным излучением. Показано, что при таком способе введения ко:п;знт;.эция примеси ограничена самопробоем и не привышает 10"* от концентрации буферного газа.
В 4 описоны результаты экспериментов по созданию искусственной перетяжки в ППГ, как способа локального внесения излучающей примеси в разряд. С этой целью поперек разряда помещалась тонкая диэлектрическая пленка (лавсан 40 мкм) с предварительно выполнении отверстием диаметром 200 мкм. Инициация разряда производилась гигантским лазреным импульсом, сфокусированным вдоль оси, проходящей через отверстие в пленке. Был измерен энерговклад в искусственную перетяхжу, вызываемую ограничением диаметра разряда пленкой. Показано, что до 50% вкладываемой в разряд энергии диссипирует в перетяжке. Зарегистрированы спектры МРИ водородо- и гелиоподоОных ионов кислорода из перетяжки. По отношению интенсивностей линий Оыла определена средняя (без разрешения по времени) температура плазмы в перетяжке » 90 эВ. Проведен анализ термоизолирующего действия испаряющейся стенки при сильном осевом истечении вещества из области перетяжки. Показано, что наличие испарения приводах к резкому сокращению потока тепловой энергии уходящего из. разряда на стенку. Произведено квази-двумэрное МГД моделирование динамики плазмы в таретяж-
ке. Получены оценки для максимальной температуры 150 эВ при плотности 7 101всм"э. Получено, что при энергозапасв 360 Дзк энергия МРИ составляет величину « 10 Дяс. Это свидетельствует о перспективности использования ІШГ с искусстввяиой перетяжкой в качества источника МРИ.
