Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн

Зорин, Владимир Гурьевич

Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Зорин, Владимир Гурьевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нижний Новгород МЕСТО ЗАЩИТЫ

2007 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн»

Автореферат диссертации на тему "Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн"

На правах рукописи

ЗОРИН Владимир Гурьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ПУЧКАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

01 04 08 - физика плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003060973

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г Нижний Новгород)

Официальные оппоненты член-корреспондент РАН

Вл В Кочаровский

доктор физико-математических наук, профессор С М Грач

доктор физико-математических наук, профессор А Н Старостин

Ведущая организация.

Государственный научный центр РФ — Институт теоретической и экспериментальной физики

Защита состоится « йЬ » июня 2007 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002 069 02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г Нижний Новгород, ул Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

иллЛ

Автореферат разослан £» марта-2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета профессор

Общая характеристика работы

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 [1416] 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 [2123]

Использование плазмы газового разряда в приложениях потребовало создания новых типов разрядов с лучшими параметрами, более устойчивых, более энергоемких Благодаря созданик! 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 ит 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 диапазонов 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

1 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 теплопроводност-ным прогревом окружающего разряд холодного газа, реализуется фотоионизационный механизм, связанный с нагревом газа перед фронтом разряда за счет поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле

2 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

3 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

4 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

5 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

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 частости, 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"

(H Новгород, 1998 г, Германия, 1999 г., H 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 H 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

Краткое содержание диссертации

Диссертация в основном посвящена экспериментальным исследованиям Работы проводились на нескольких экспериментальных стендах, что позволило перекрыть широкий диапазон параметров Их описанию посвящен раздел 11.

Стенд ЭС-75 Источником электромагнитного излучения (X = 6,7 мм) служил тиратрон, позволяющий получать мощность до 200 кВт в импульсе длительное гью ти = 40 мке Частота следования импульсов могла изменяться от 0,1 до 10 Гц Для повышения плотности потока энергии излучение с

помощью параболического зеркала фокусировалось в пятно эллиптического сечения с полуосями (по уровню 0,5 Е2ШХ) 0,7 см и 0,45 см Плотность потока СВЧ энергии в фокусе пучка достигала 150 кВт/см2 Эксперименты проводились в вакуумной камере, позволяющей получать давление от 10"3 Тор до 760 Тор

Эксперименты при меньших интенсивностях излучения, но при больших длительностях СВЧ импульса, были выполнены на установке, являющейся прототипом модуля, используемого для электронно-циклотронного нагрева плазмы в токамаке Т-10 В качестве генератора СВЧ излучения использовался гиротрон, работавший на длине волны X = 3,5 мм в импульсном режиме с длительностью импульса от 1 до 20 мс На выходе генератора формировался гауссов пучок диаметром 5см с углом расходимости 4° Поляризация электрического поля в волне - линейная К генератору подсоединялся сверхразмерный волновод диаметром 8 см и длиной 2 м, в нем устанавливалась структура поля, соответствующая моде Ни. Для увеличения плотности потока СВЧ энергии волна, излучаемая волноводом, фокусировалась фторопластовой линзой с фокусным расстоянием приблизительно 20 см Все эксперименты по исследованию СВЧ разряда на этой установке проводились при атмосферном давлении в воздухе

Эксперименты по исследованию методов создания плазмы в вакууме около мишеней при сверхмощных интенсивностях СВЧ излучения проводились с использованием карсинотрона СВЧ излучение с частотой 10 ГГц и длительностью импульса 40 не формировалось в квазиоптический пучок электромагнитных волн линейной поляризации и подавалось в вакуумную камеру, где оно фокусировалось с помощью специального зеркала Плотность потока СВЧ излучения в фокальной области достигала 25 МВт/см2 при площади поперечною сечения фокального пятна 10 см2 Величина эффективного поля могла составлять Ее{{ -100 кВ/см, при этом энергия осцилляции электронов в волне по порядку величины была 1 кэВ Давление в камере поддерживалось на уровне р ~ 10~3 - Ш~5 Тор

Исследования СВЧ разряда в магнитных ловушках проводились на установке БМК 37 Для создания плазмы использовалось СВЧ излучение импульсного гиротроиа с частотой /свч = 37,5 ГГц, длительностью импульса тсвч = 1 мс, максимальной мощностью Рсич -130 кВт С помощью специальных зеркал формировался квазигауссов пучок электромагнитных волн с линейной поляризацией. Он фокусировался диэлектрической линзой внутрь вакуумной камеры Характерный поперечный размер СВЧ пучка в фокальной области составлял 3,5 см Плотность потока СВЧ излучения в перетяжке достигала 15 кВт/см2 Вакуумная разрядная камера помещалась в магнитную ловушку, создаваемую двумя одинаковыми импульсными соленоидами Ток соленоидов, близкий по форме к полупериоду синусоиды, имел длительность около 10 мс Характерная величина тока соленоидов в макси-

муме импульса составляла 1000 - 2500 А, а максимальное значение напряженности магнитного поля в пробках Вт равнялось 2,5 Тл. Отметим, что поле, соответствующее электронно-циклотронному резонансу равнялось 2?т=1,34 Тл. Извлечение пучка ионов из плазмы, созданной в магнитных ловушках, осуществлялось с помощью системы экстракции, состоящей, как правило, из двух молибденовых электродов Пирсовой геометрии - плазменного электрода и пуллера

В процессе экспериментов регистрировались следующие параметры и характеристики разряда, описанные в разделе 1.2.

• Пороги возникновения различных видов и стадий разрядов в свободном пространстве и на различных мишенях

• Пространственно временные развертки области свечения разряда

• Скорость распространения фронта ионизации

• Электродинамические характеристики газоразрядной плазмы коэффициенты прохождения и рассеяния СВЧ волны, относительные измерения напряженности различных компонент электрического поля в плазме

• Величина и пространственное распределение концентрации электронов в плазме

« Спектр и абсолютное значение интенсивности излучения разряда в области вакуумного ультрафиолета « Спектр и абсолютное значение интенсивности излучения разряда в области мягкого рентгена (диапазон длин волн 10 - 250 А)

• Спектр рентгеновского излучения ЭЦР разряда (диапазон длин волн 1 -

6 А).

• Токи ионных пучков, сформированных системой экстракции

• Распределение ионов по зарядовым состояниям в ионных пучках

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований динамики разряда высокого давления в воздухе при сравнительно больших плотностях потока энергии СВЧ излучения, но еще недостаточных для пробоя невозмущенного газа Для зажигания разряда использовались различные инициаторы, возмущающие либо величину электрического поля в СВЧ волне, либо состояние газа Разряд зажигался в области этих возмущений и двигался навстречу СВЧ излучению, убегая от него на расстояние, существенно превышающее размер возмущенной области При этом его свойства не зависели от метода инициации Такой разряд принято называть инициированным

Экспериментально обнаружено два типа СВЧ разряда, отличающиеся друг от друга характером ионизации газа, точнее соотношением между температурой газа и электронной температурой

Первый из них - равновесный СВЧ разряд \ температура электронов в котором лишь немного превышает температуру газа (Ге ~ Т^) Существование такого разряда возможно только при сильном нагреве газа, обеспечивающем эффективную термоионизацию Степень ионизации газа в равновесном разряде полностью определяется его температурой и достигает заметной величины, достаточной для эффективного поглощения СВЧ излучения при Тт = 4500 К

Второй тип разряда - неравновесный разряд, температура электронов в плазме которого много больше температуры газа

Исследования показали, что при больших интенсивностях СВЧ излучения определяющую роль в динамике инициированного разряда в воздухе играет обнаруженный в экспериментах плазменный ореол, образующийся вокруг разряда за счет фотоионизации газа собственным ультрафиолетовым излучением разряда (Подробному исследованию механизма образования плазменного ореола вокруг разряда в воздухе посвящен раздел 2 3 диссертации) Движение как равновесного, так и неравновесного разрядов навстречу СВЧ излучению обусловлено реализацией нового, так называемого, фотоионизационного механизма распространения В отличие от известных механизмов типа медленного горения [59 - 61], связанных с теплопровод-ностным нагревом окружающего разряд холодного газа, в фотоионизационном механизме нагрев газа перед фронтом разряда происходит за счет поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле 2

Особенности перехода разряда от равновесного к неравновесному и механизмы непрерывного распространения этих разрядов навстречу СВЧ излучению обсуждаются в разделе 2.1 диссертации

! Такой СВЧ разряд наблюдался и ранее в волноводных трактах мощных СВЧ генераторов [120-124], однако механизм распространения разряда навстречу СВЧ лучу был существенно иным {см ниже) Отметим, что плазма не находится в полном равновесии, например, оптическое излучение разряда может быть неравновесным

2 Впервые гипотезу о роли плазменного ореола, образующегося за счет ультрафиолетового излучения, в динамике неравновесного СВЧ разряда высокого давления высказал сотрудник ИОФ АН СССР И А Коссый

электромагнитной волны в плазме разряда уменьшается с ростом мощности СВЧ излучения (К ~ -J~S )3, и, поскольку скорость распространения фронта разряда зависит главным образом от энерговыделения в разряде [51, 80], соответственно снижается эффективность распространения разряда (U ~ Vis) В наших экспериментах U ~ S, что свидетельствует о неизменном коэффициенте поглощения СВЧ излучения в равновесном разряде Лучшая и неизменная степень согласования плазмы разряда с СВЧ волной при больших S обусловлена наличием плазменного ореола и поглощением в нем СВЧ излучения Соответствующая модель нового фотоионизационного механизма распространения равновесного разряда, учитывающая нагрев газа в плазменном ореоле [81, 82], показывает универсальность профиля стационарной волны разряда для различных значений плотностей потока энергии СВЧ излучения, и следовательно, постоянство отношения U/S, что согласуется с экспериментом.

При увеличении мощности излучения, начиная с некоторого порогового уровня S , наблюдается изменение характера зависимости U(S), которое, как показали эксперименты, связано с изменением характера ионизации в разряде - переходом от равновесного разряда к существенно неравновесному Распространение неравновесного разряда происходило непрерывно со скоростью, пропорциональной квадрату интенсивности излучения, т е степень согласования СВЧ волны с плазмой неравновесного разряда выше, чем в равновесном и растет с ростом мощности излучения Механизм распро-с гранения такого разряда также связан с нагревом газа в плазменном ореоле, однако в этом случае для йонизации достаточно сравнительно слабого нагрева, обеспечивающего снижение в области ореола величины пробойного поля (зависящего от плотности и температуры воздуха) до уровня амплитуды падающей волны Отметим, что в случае неравновесного разряда концентрация электронов в ореоле растет с ростром амплитуды СВЧ волны, этим, по-видимому, объясняется увеличение коэффициента поглощения СВЧ излучения в разряде.

При дальнейшем увеличении плотности потока СВЧ излучения в динамике неравновесного разряда происходят качественные изменения- непрерывное движение фронта ионизации нарушается, и распространение фронта ионизации приобретает скачкообразный характер Усредненная по скачкам скорость распространения разряда превышает скорость звука в холодном газе Динамика и структура скачкообразно движущегося разряда существенно зависят от длины волны СВЧ излучения, точнее, от соотношения между длиной волны и характерным размером плазменного ореола [83, 84] В разделе 2 2 диссертации подробно описаны исследования разряда со

3 Этот эффект обусловлен в основном быстрым ростом плотности гошмы с ростом температуры и, следовательно, ростом коэффициента отражения СВЧ волны от разряда

скачкообразным режимом распространения, поддерживаемого электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн (характерный размер плазменного ореола больше длины СВЧ волны) На основании исследований динамики разряда, параметров плазменного ореола, моментов возникновения возмущений плотности газа и т д, предложена модель развития такого разряда, связывающая появление скачков фронта ионизации с быстрым локальным нагревом газа в плазменном ореоле, причем в этом случае нагрев газа и последующий его пробой происходит на некотором расстоянии от фронта разряда (равном четверти длины СВЧ волны) в максимуме электрического поля, возникающем при отражении излучения от плазмы разряда Здесь же приводится сравнение полученных результатов с данными экспериментов других авторов, проведённых с использованием излучения сантиметрового диапазона длин волн [64] (размер плазменного ореола меньше размера длины СВЧ волны) и анализируются аналитические модели разряда

Как уже отмечалось, нагрев газа в обнаруженном в наших экспериментах плазменном ореоле играет определяющую роль в развитии инициированного разряда в воздухе при больших интенсивностях излучения Однако наличие ореола не укладывалось в рамки существующих представлений и требовали специальных исследований, описанию которых посвящен раздел 2.3.

Исследования механизма образования плотной протяженной плазмы перед фронтом разряда в газах высокого давления обсуждаются в разделе 2.3, где на основании измерений пространственно-временного распределения плазмы в ореоле разрядов в воздухе и в смеси азота и кислорода при различных парциальных и полных давлениях, измерений спектра и абсолютного значения интенсивности ультрафиолетового излучения разряда сделан вывод о том, что плазменный ореол образуется при фотоионизации молекулярного кислорода линейчатым излучением атомарного кислорода, образующегося в разрядах при больших энерговкладах Длина волны ионизирующей линии X = 102,57 нм, переход из состояния 3<13Г>° в основное (энергия кванта 12,087 эВ) Там же приводится сравнение полученных данных с результатами работ других авторов

Инициированный разряд при еще более низких давлениях (10"2 < Рц < < 2 10'1 Тор), где диффузионная длина потерь электронов становится сравнимой и больше размера СВЧ лучка, описан в разделе 3.1 диссертации В этой области давлений разряд представлял собой движущийся навстречу излучению слой плазмы с характерными размерами, превышающими длину СВЧ волны с размытыми (диффузными) границами, вытянутый вдоль направления электрического поля Возникновение и динамика такого разряда тесно связаны с наличием в плазме области плазменного резонанса (действительная часть диэлектрической проницаемости плазмы £ = 0), в которой возрастает величина поглощаемой энергии вследствие усиления нормаль-

ной компоненты электрического поля СВЧ пучка (Е || Уе). Наиболее наглядно это проявляется в том, что отрыв разряда от инициатора при существенно допробойных полях осуществлялся только в том случае, когда концентрация плазмы достигала критического значения Предложена физическая модель такого разряда, выводы которой находятся в качественном согласии с результатами эксперимента

В разделе 3.2 представлены результаты исследования разряда, возникающего в вакууме на поверхности твёрдых диэлектрических материалов при их облучении интенсивным (до 25 МВт/см2) электромагнитным излучением сантиметрового диапазона [85] При превышении плотностью потока СВЧ энергии некоторого порогового значения, зависящего от материала мишени, вблизи поверхности возникал разряд Его возникновение связано с испарением материала мишени и пробоем испаренного вещества В работе не анализируется механизм столь быстрого испарения, исследования сосредоточены на определении параметров возникающей плазмы Образующаяся плазма первоначально имеет вид тонкого (в масштабе длины волны) слоя с концентрацией электронов 1016 см-3 по порядку величины. Экспериментально показано, что в плазме происходит эффективная генерация многозарядных ионов Измеренное распределение ионов по энергиям в разлетающейся плазме согласуется с расчетным, полученным при решении задачи о квазинейтральном разлете в вакуум локализованного сгустка бесстолкнови-тельной плазмы с холодными ионами

Раздел 4.1 посвящен экспериментальному исследованию СВЧ пробоя разреженного газа в прямой магнитной ловушке в условиях циклотронного резонанса электронов при квазиоптическом продольном вводе СВЧ мощности через одну из магнитных пробок [86 - 89] ЭЦР пробой и нагрев плазмы осуществлялся на первой гармонике гирочастоты шсвч = <ясе , где шсвч и С0се - круговая частота СВЧ поля и циклотронная частота электронов, соответственно Было обнаружено существование порога возникновения разряда по давлению газа, который зависел от величины магнитного поля ловушки - с увеличением напряженности магнитного поля минимальное давление, при котором загорался разряд, уменьшалось Например, при максимальном достигнутом магнитном поле в пробках ловушки 2,4 Тл пороговое давление составило 3 10 ~ 5 Тор Экспериментально найдена граница области существования ЭЦР разряда на плоскости параметров р - Вт, где р - давление газа в разрядной камере, Вт - величина магнитного поля в пробках ловушки Граница указанной области соответствует примерному равенству ^ ~ тсвч, где ^ - время развития разряда, т е интервал времени между началом СВЧ импульса и моментом возникновения разряда, фиксируемым по появлению интенсивного свечения плазмы в видимой области спектра

Проведено сопоставление экспериментальных данных по исследованию условий ЭЦР пробоя газа в магнитной ловушке с результатами построенной в [90] теории, согласно которой и ускорение электронов до значительных энергий, и уход электронов в конус потерь происходит в результате их взаимодействия с СВЧ полем накачки в области электронного циклотронного резонанса В работах [86 - 89] указанная теория была скорректирована с учетом реалий описываемых в данной главе экспериментов, и было получено следующее условие возникновения ЭЦР разряда, определяющее пороговую концентрацию нейтралов в зависимости от величины магнитного поля в пробках ловушки Вт : Ю-'2 ЛГт(см~3) Дм)-[5т(Тл)/Вк - 1] >0 1 (здесь I - длина ловушки, =1,34 Тл - величина резонансного магнитного поля) Это выражение дает удовлетворительное согласие с данными эксперимента, что подтверждает предположение о реализации суперадиабатического ЭЦР взаимодействия электронов с СВЧ волной на начальном этапе развития разряда

В разделе 4.2 описаны работы, в которых экспериментально продемонстрирована возможность создания и поддержания сильно ионизованной плазмы при низких давлениях газа электромагнитным излучением, интенсивность которого ниже пробойного уровня В экспериментах плазма удерживалась в прямой магнитной ловушке, что заметно упрощало условия пробоя. При этом магнитное поле везде в вакуумной камере было меньше значения, соответствующего электронно-циклотронному резонансу Определены условия возникновения и поддержания разряда, измерены параметры плазмы Необходимым условием образования разряда является сильная предварительная ионизация газа При этом заметный нагрев электронов (обеспечивающий эффективную ионизацию газа) в СВЧ поле происходит за счет кулоновских столкновений с ионами предплазмы, частота которых существенно превосходит частоту столкновений электронов с нейтральными частицами газа Предложена качественная аналитическая модель развития разряда, описывающая наблюдаемые эффекты.

В разделе 4.3 приводятся результаты исследований квазигазодинамического (КГД) режима удержания сильнонеравновесной плазмы (с горячими электронами и холодными ионами) в магнитных ловушках при мощной СВЧ накачке Определены условия реализации такого механизма удержания, описаны его особенности, предложена модель, с помощью которой были рассчитаны параметры плазмы

Основное отличие КГД режима от хорошо изученного классического [22, 91] связано с высокой частотой столкновений электронов, так что величина

(1)

оказывается много меньше времени вытекания плазмы из ловушки

т^Ш/У, (2)

Здесь /г - пробочное отношение ловушки, Ь - ее длина 4, Уа - частота столкновений электронов с ионами, У5 - ионно-звуковая скорость Данное

неравенство означает, что электроны за время жизни в ловушке испытывают много столкновений, в результате чего происходит изотропизация функции распределения электронов по скоростям. В экспериментах, описанных в диссертации, мощный ЭЦР нагрев, при условии медленного обмена энергией между электронной и ионной компонентами плазмы (его характерное время много больше времени жизни частиц в ловушке), приводил к существенному отрыву средней энергии электронов от температуры ионов (Ее » Г,), что является весьма типичным для условий, реализующихся в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов [22], но несправедливо для режимов газодинамических ловушек [28, 92, 93] При указанных соотношениях параметров время жизни плазмы определяется выражением (2), либо формулой, обобщающей ее для другой структуры силовых линий магнитного поля ловушки Приставка «квази» в названии рассмотренного в диссертации режима удержания, подчеркивает отличие от газодинамического режима, определяемое сильной неравновестностью плазмы (Ее » Т.)

Для расчетов распределения ионов по зарядовым состояниям в плазме и плотности тока ионов через пробки ловушки использовалась 0-мерная система дифференциальных уравнений баланса ионизации для ионов всех кратностей ионизации, уравнение для концентрации нейтрального газа, условие квазинейтральности плазмы и уравнение для времени жизни плазмы Все вычисления проводились в приближении максвелловского распределения электронов по энергиям Как показывают оценки, для экспериментальных условий можно пренебречь поперечными по отношению к магнитному полю потерями плазмы на стенки вакуумной камеры, поэтому они не учитывались в расчетах

В рамках этой модели распределение ионов по зарядовым состояниям зависит от мощности и эффективности поглощения СВЧ излучения, от концентрации плазмы, а также от длины ловушки и распределения магнитного поля в ней В [22] показано, что плотность плазмы в ловушке ограничена критическим значением для частоты СВЧ накачки Эта величина для используемой в эксперименте частоты гиротрона 37,5 ГГц равна приблизительно 2 1013 см'3. Как было продемонстрировано в ряде экспериментов, ее реальное значение оказывается близко к критической величине плотности плазмы [94] Расчеты проводились в условиях, при которых максимальное значение плотности электронов было равно N¿=1 1013 см'3.

ф Здесь для простоял рассматривается прямая ловушка с однородным магнитным полем и короткими пробками, анализ может быть легко распространен и на другие типы открытых ловушек

Экспериментальные исследования квазигазодинамического механизма удержания плазмы в магнитной ловушке выполнялись на стенде БМК 37 Эксперименты проводились с двумя типами ловушек прямой ловушкой и ловушкой касп.

Использовалось два различных подхода к исследованиям В экспериментах с ловушкой касп проводилось детальный анализ распределения ионов по зарядам в плазме и величины плотности потока ионов через аксиальную пробку Эти значения однозначно характеризуют основные параметры плазмы среднюю энергию и концентрацию электронов. Экспериментально измеренные величины сравнивались с расчетными, полученными по методике, описанной выше, на основании совпадения делался вывод о реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы. Магнитная ловушка касп была выбрана как наиболее простая МГД-стабильная магнитная ловушка Магнитное поле создается двумя катушками, включенными навстречу друг другу В такой ловушке в любой точке внутри плазмы силовые линии имеют кривизну, подавляющую плазменные МГД-возмухцеиия Эксперименты показали, что полный ток ионного пучка, измерявшийся цилиндром Фарадея, ток на ускоряющий электрод - луллер, и токи ионов всех зарядов были очень стабильными, колебания их величины в течение импульса не превышали 3-5 % от среднего значения, кроме того величины токов имели высокую повторяемость от выстрела к выстрелу Из приведенных экспериментальных результатов следует, что при условиях, оптимальных для формирования многозарядных ионов, отношения токов основных ионов имеют следующие величины 1к2+ / «1,8,1м2+ / 1ц3+ ~ 3,5, что с точностью около 10% соответствует результатам численного моделирования для случая, когда концентрация электронов = 3 Ю13 см'3, коэффициент поглощения СВЧ мощности 50% Указанное распределение реализуется при максимальной СВЧ мощности Необходимо также отметить хорошее совпадение расчетной плотности токов ионов из ловушки с экспериментальными результатами при различных расстояниях между экстрактором и пробкой ловушки, полученными при измерении токов на цилиндр Фарадея и пуллер

Доказательство реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы в прямой магнитной ловушке проводилась другим методом Определялась температура электронов по измерению спектра жесткого рентгеновского излучения плазмы в диапазоне длин волн 1 - 6 А, оценивалась концентрация электронов с помощью СВЧ методов, полученные данные подставлялись в выражения (1) и (2) Неравенство выполнялось с хорошим запасом, что свидетельствует о реализации квазигазодинамического характера удержания плазмы

Раздел 5 посвящен исследованиям, направленным на поиски новых практических применений ЭЦР источников плазмы

В разделе 5.1 описываются эксперименты по исследованию вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, излучаемых плазмой импульсного ЭЦР разряда, возникающего в прямой осесимметричной магнитной ловушке под действием излучения гиротрона миллиметрового диапазона длин волн Эксперименты проводились на стенде БМК 37.

ЭЦР разряд в магнитной ловушке в тяжелых газах (азот, кислород, аргон, 1фиптон и др) может являться эффективным источником вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и некогерентного мягкого рентгеновского излучения (МРИ) Дело в том, что линейчатый спектр многозарядных ионов, образующихся в плазме ЭЦР разряда, может соответствовать областям ВУФ и МРИ в зависимости от величины заряда ионов [36 - 39] Интенсивность линейчатого излучения в условиях ЭЦР разряда растет пропорционально произведению плотности электронов и плотности ионов в ловушке (I ~ Ые Д -Л^2, где Ыс и Л/, - плотности электронов и ионов), в то время как СВЧ мощность, необходимая для поддержания постоянной температуры электронов, как правило, растет медленнее, чем Ые2 Следовательно, повышение плотности плазмы, при условии поддержания температуры электронов на достаточно высоком уровне, необходимом для обдирки ионов, приводит к увеличению как интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучений, так и КПД преобразования СВЧ излучения в рентген5 Как уже говорилось выше, для поддержания плотной плазмы необходимо коротковолновое СВЧ излучение. Наиболее перспективными СВЧ источниками для этой цели являются гиротроны

В начале раздела 5 1 приводятся оценки излучения плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением Показано, что линейчатое излучение многозарядных ионов доминирует в диапазоне мягкого рентгена Кроме того, изменение распределения ионов по зарядовым состояниям позволяет регулировать спектр рентгеновского излучения Аналогичные результаты были получены в численных расчетах, проведенных во ВНИИТФ (Снежинск)

Приводятся основные результаты наблюдений спектров ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучений плазмы ЭЦР разряда в диапазоне длин волн Я = 540 - 4000 А Эксперименты проводились в атмосфере аргона (с примесью кислорода на уровне 1 %) при давлении 2 10"4 Тор, фиксированном значении СВЧ мощности Рсвч~100 кВт и магнитном поле в пробках ловушки Вт = 2,3 Тл Расшифровка спектров показала, что в плазме ЭЦР разряда присутствуют ионы аргона с зарядом до +5 и ионы кислорода с зарядом до +3. Интенсивность излучения нарастала с уменьшением длины волны вплоть до границы рабочего диапазона спектрографа.

В этом же разделе описываются эксперименты по определению спектрального состава и абсолютной интенсивности мягкого рентгеновского

5 Это справедливо при условии, когда КПД « 1

излучения плазмы ЭЦР разряда Первоначально без достаточного спектрального разрешения - методом фильтров - было исследовано рентгеновское излучение ЭЦР разряда в воздухе, техническом кислороде и чистом аргоне в диапазоне длин волн X = 10 - 250 А Было найдено, что основное излучение плазмы лежит в интервале Я = 45 - 120 А с максимумом в области X ~ 70 - 100 А [95 - 96] Дальнейшее более детальное исследование спектров мягкого рентгеновского излучения разряда [97 - 99] проводилось с помощью рентгеновского монохроматора на основе сменных многослойных рентгеновских зеркал с использованием в качестве рабочего газа аргона, поскольку именно в аргоновой плазме наблюдалась наибольшая интегральная по длинам волн интенсивность рентгеновского излучения Основные параметры установки при этом были следующими: мощность СВЧ излучения гиротрона 130 кВт, давление аргона в разрядной камере (1 - 3) 10"4 Тор, величина магнитного поля в пробках ловушки 2,3 Тл Эксперименты показали, что максимум мягкого рентгеновского излучения плазмы лежит в области длин волн Х-100 А, а на краях интервала =70 - 110 А интенсивность излучения спадает на порядок. Согласно проведенным абсолютным измерениям интенсивности мягкого рентгена, максимум спектральной мощности составляет 730 Вт /А на длине волны Х~90 А, а интегральная по диапазону длин волн Л=б5 - 170 А мощность МР излучения (в предположении изотропности источника) достигает №мри~15 кВт Следовательно, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение превышает 10 %

Хорошо известно, что плазма, образованная в результате СВЧ пробоя газа в условиях электронно-циклотронного резонанса, может служить эффективным источником многозарядных ионов Основным недостатком подобных источников является сравнительно низкий ток ионных пучков, как правило, не превышающий несколько единиц миллиампер (при концентрации электронов в плазме разряда ~ 1012 см"3) [22] Повышение плотности тока ионных пучков требует увеличения концентрации плазмы, что может быть достигнуто при использовании излучения более высоких частот Современные ЭЦР источники ионов работают с использованием частоты не более 28 ГГц, причем обычно частота лежит в диапазоне 14 - 18 ГГц В разделе 5.2 описаны эксперименты по созданию плазмы квазинепрерывным электромагнитным излучением с частотой 100 ГГц в условиях электронно-циклотронного резонанса Источником СВЧ излучения служил гиротрон с выходной мошностью < 4 кВт. Магнитное поле создавалось прямым сверхпроводящим соленоидом, помещенным в криостат. Криостат соединялся с выходом гиротрона сверхразмерным волноводом диаметром 4 см и длиной 100 см В криостате помещалась откачиваемая до давления 10~2 Тор кварцевая колба Длительность СВЧ импульса ограничивалась тепловой нагрузкой на переднюю стенку разрядной колбы, обусловленной приосевым потоком

заряженных частиц, и составляла приблизительно 3 с. Передняя стенка колбы находилась в плоскости максимального магнитного поля. Это позволяло ввести излучение в плазму со стороны сильного магнитного поля, что обеспечивало лучшее согласование необыкновенной электромагнитной волны с плазмой в области гирорезонанса Возникновение разряда наблюдалось только в том случае, когда область гирорезонанса ©=шн оказывалась внутри колбы. Пороговая для зажигания разряда мощность СВЧ излучения при значении <о„с /со = 1,06 и давлении газа р »102 Тор составляла 0,6 кВт, что соответствовало плотности потока энергии -100 Вт/см2. Величина зондово-го тока ] практически не зависела от величины тока соленоида, если величина юн несколько превышала пороговое для пробоя значение. Увеличение мощности СВЧ излучения приводило к возрастанию зондового тока, максимальное значение тока зонда составляло 1,4 А Концентрация электронов в разряде оценивалась по штарковскому уширению линии Ну и составляла приблизительно 4-Ю13 см"3

В разделе 5.3.1 приводятся расчеты двух вариантов газодинамических ЭЦР источников на основе ловушки касп, которые представляются интересными для практической реализации

1 - импульсный источник с мощной СВЧ накачкой;

2 - источник, работающий в непрерывном режиме с нагревом плазмы достаточно дешевым и распространенным гиротроном с частотой СВЧ излучения 28 ГГц.

Расчеты проводились на основе подхода, описанного в 4 3 Предполагалось, что плазма удерживается в квазигазодинамическом режиме Показано, что возможно увеличение времени жизни плазмы без существенного увеличения размеров ловушки Для этого необходимо увеличение объема силовой трубки без изменения ее сечения в пробке, через которую вытекает плазма. Расчет показывает, что с помощью специального расположения катушек возможно достижение времени жизни плазмы 10 мкс при температуре электронов порядка 100 эВ и характерных размерах ловушки 40 см Использование более высокой частоты накачки позволяет увеличивать плотность плазмы и, следовательно, параметр удержания Ые т, которым определяется величина среднего заряда ионов в плазме Приведен расчет эффективности формирования многозарядных ионов азота в ЭЦР источнике с использованием гиротрона с частой изучения 75 ГГц и мощностью 400 кВт Излучение такого гиротрона позволит создавать и поддерживать плазму с плотностью 6 1013 см"3, температурой электронов около 100 эВ В этом случае можно рассчитывать на получение такого распределения ионов азота по кратностям ионизации, для которого максимум соответствует ионам 1<Г3+, Н4+. При этом плотность тока ионов через пробку на продольной оси ловушки будет составлять величину порядка 10 А/см2

Что касается использования непрерывного гиротрона на частоте 28 ГГц, то, при условии качественной фокусировки излучения мощностью

15 кВт в модифицированную ловушку касп, возможно получение распределения ионов в пучке с максимумом на ионе И2* Плотность ионов через пробку будет составлять около 1 А/см2.

Получение квазистационарных потоков плазмы многозарядных ионов с эффективной плотностью тока более 100 мА/см2 с помощью ЭЦР разряда в магнитной ловушке с квазигазодинамическим режимом удержания дает широкие возможности для экспериментов по формированию пучка многозарядных ионов с высоким током, которые описаны в разделе 5,3.2. В данном разделе для формирования пучка используется плотная плазма с достаточно низким средним зарядом ионов (основной ион 1Ч2+) Однако, разработанная в этих экспериментах методика экстракции пучков ионов при высоких плотностях потока плазмы может быть успешно реализована в будущих экспериментах, предложенных выше, в которых уже предполагается получение ионов с боле высоким зарядом. Результаты, описанные в данном разделе, представляются важными для создания импульсного газодинамического ЭЦР источника пучков ионов с высоким зарядом

Экспериментальные и теоретические исследования проводились в двух направлениях

1. Создание ионного пучка с высоким током при использовании электродов с малой апертурой В этом случае, благодаря использованию для экстракции отверстия малого диаметра, существует принципиальная возможность получения ионных пучков с малым эмиттансом В работе получены пучки ионов азота (основной ион в спектре К2+, отношение токов ионов Ы1+ПЯ3+~7) с током 4 мА через отверстие в плазменном электроде диаметром 1 мм, величина приведенного эмиттанса менее 0,1 я мм-мрад, нормализованная яркость пучка более 0,4 А/( я мм мрад)2

2 Формирование ионного пучка с помощью многоапертурной системы экстракции Такие системы позволяют существенно поднять ток пучка В работе приводятся первые результаты тестирования экстрактора с пятью отверстиями Получен ток 12 мА ионов азота со спектром, аналогичным описанному в первом случае Показана возможность дальнейшего увеличения тока

В разделе 5.3.3 дано два предложения использования нетрадиционных схем источников многозарядных ионов, которые не были реализованы по разным причинам Тем не менее, эти источники кажутся достаточно интересными и возможно они найдут применение в будущем

В первом предложении, разработанном совместно с сотрудниками Физико-технического института им А.Ф Иоффе [100 - 101], показана возможность использования закрытой магнитной ловушки Торнадо для создания импульсного источника многозарядных ионов с нагревом плазмы СВЧ излучением Потери плазмы в закрытых ловушках определяются диффузией поперек магнитного поля, что существенно увеличивает время жизни плазмы по сравнению с зеркальной ловушкой Предложены сценарий нагрева

плазмы с последовательным включением двух генераторов, на частоте 2,45 ГГц для создания начальной плазмы и на частоте - 15 ГГц, 53 ГГц - для ее нагрева, и способ экстракции ионов из плазмы Показано, что возможно достижение распределения ионов по зарядовым состояниям с максимумом на Аг+16 при плотности плазмы 2 1013см"3 Экстрагируемый ионный ток может достигать при этом 1 А.

Во втором предложении анализируются возможности установки ЭЦР источника многозарядных ионов внутри циклотронного ускорителя При этом предполагается использование магнитного поля ускорителя для формирования магнитной ловушки источника Данный проект был разработан совместно с сотрудниками Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, г Дубна

В настоящее время используются внешние источники ионов, которые устанавливается на значительном расстоянии от ускорителя. Ионный пучок формируется в источнике, а затем передается на расстояния в десятки метров Необходимость транспортировки пучков предъявляет высокие требования к их эмиттансу, а значит и ограничивает ток пучка Эти проблемы отсутствуют у встроенного источника ионов, расположенного непосредственно в центральной зоне ускорителя Ионный пучок, извлеченный в этом случае, сразу оказывается вблизи входного окна ускорителя Такие источники, свободные от проблем транспортировки ионов, могут работать в режиме с высокой плотностью плазмы и обеспечивать высокий ток ускоряемых ионов

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы

Основные результаты диссертационной работы

1 Экспериментально обнаружен и исследован протяженный плазменный ореол, образующийся вокруг СВЧ разрядов в воздухе при высоких давлениях Установлено, что плазма создается в результате фотоионизации молекулярного кислорода линейчатым излучением атомов кислорода, образующихся в разряде Длина волны линии ионизирующего излучения равна 102,57 нм (энергия кванта 12,087 эВ) и соответствует переходу с уровня 3<Й)0 в основное состояние, характерная величина плотности плазмы в ореоле составляет 1012 см'3 Определены условия, при которых предложенный механизм играет определяющую роль в образовании плазменного ореола.

2 Показано, что распространение как термического, так и неравновесного инициированного СВЧ разрядов высокого (близкого к атмосферному) давления в воздухе навстречу СВЧ волне с высокой плотностью потока энергии определяется фотоионизационным механизмом Построена качественная модель фотоионизационного механизма Основную роль в динамике разряда играет плазменный ореол, созданный ультрафиолетовым излучением разряда, поглощение СВЧ излучения в котором обеспечивает нагрев газа, необходимый для стационарного движения разряда

3 Установлено, что в области давлений газа 10'2 Тор < Р < 2 10"1 Тор, при которых частота столкновений электронов много меньше частоты СВЧ поля и диффузионные потери плазмы являются основными потерями, поддержание и распространение разряда навстречу СВЧ волне в полях допро-бойной амплитуды обусловлено наличием в разряде области плазменного резонанса, в которой происходит значительное усиление нормальной компоненты электрического поля СВЧ пучка

4 Найдены динамические закономерности и выяснены особенности возникновения плотной плазмы около диэлектрической мишени в вакууме при облучении ее электромагнитной волной с плотностью потока СВЧ энергии на уровне десятков мегаватт через квадратный сантиметр. За счет СВЧ пробоя испаренного с мишени тонкого слоя вещества образуется существенно неравновесная плазма с плотностью вплоть до 1016 см"3, содержащая фракцию многозарядных ионов

5 Экспериментально определены условия ЭЦР пробоя газа (воздуха) в прямой осесимметричной магнитной ловушке с продольным вводом СВЧ пучка миллиметрового диапазона длин волн при различных давлениях газа и величинах магнитного поля ловушки Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о реализации суперадиабатического ЭЦР взаимодействия электронов с СВЧ волной на начальном этапе развития разряда

6 Экспериментально продемонстрирована возможность создания и поддержания сильно ионизованной плазмы в ловушке с малым магнитным полем (его максимальная величина меньше значения, соответствующего электронно-циклотронному резонансу) с помощью электромагнитного излучения, интенсивность которого ниже пробойного уровня Необходимым условием образования разряда является сильная предварительная ионизация газа Построена качественная аналитическая модель развития разряда, описывающая наблюдаемые эффекты и дающая корректные оценки его параметров Она учитывает нагрев электронов СВЧ полем за счет кулонов-ских столкновений с ионами затравочной плазмы (которые происходят существенно чаще, чем столкновения электронов с нейтральными частицами газа), ионизацию газа и продольные потери плазмы из ловушки Найдены условия существования устойчивого стационарного состояния плазмы с ненулевой концентрацией электронов

7 Реализован квазигазодииамический режим удержания плотной неравновесной плазмы в магнитной ловушке при мощном ЭЦР нагреве электронной компоненты В таком режиме частота столкновений электронов больше обратного времени вытекания плазмы из ловушки, а температура электронов существенно превышает температуру ионов. Показана возможность создания в этом случае квазистационарных потоков плазмы многозарядных ионов с высокой плотностью ионного тока (более 1 А/см2)

8 Предложено использовать магнитные ловушки с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы при мощном ЭЦР нагреве в качестве

сильноточных источников многозарядных ионов (газодинамические ЭЦР источники) Показана возможность формирования пучков многозарядных ионов как с высоким током (десятки миллиампер), так и с высокой яркостью (более 0,4 А/я мм мрад) Предложен алгоритм оптимизации газодинамических ЭЦР источников

9 Показано, что мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда в магнитной ловушке является линейчатым излучением многозарядных ионов Эффективность преобразования СВЧ излучения в рентгеновское, а также мощность рентгеновского излучения увеличиваются с увеличением частоты СВЧ накачки. Проведены измерения интенсивности электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 65 - 170 А из разряда в зеркальной магнитной ловушке с ЭЦР нагревом плазмы на частоте 37,5 ГГц Интегральная мощность излучения достигала 15 кВт, а эффективность преобразования СВЧ излучения в излучение указанного выше диапазона превышала 10 %.

Список цитируемой литературы

1. Гуляев ЮВ., Яфаров РК Микроволновое ЭЦР вакуумно-плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология) // Зарубежная электронная техника 1997 № 1 С 77-120

2 Asmussen J., Grotjohn Т А, PengUn Мак et al The design and application of electron cyclotron resonance discharges. // IEEE Transactions on plasma science 1997 V 25 N 6 P 1196-1221

3 Орликовский А А Плазменные процессы в микро- и наноэлектронике. Ч 2 Плазмохимические реакторы нового поколения и их применение в технологии микроэлектроники //Микроэлектроника. 1999 Т 28 №6 С 415-426

4 Путря МГ Методология разработки процессов формирования трёхмерных структур СБИС плазменными методами // Изв вузов Электроника 2001 № 1 С 5-13

5 Matsuoka М., Опо К Ion extraction from microwave plasma excited by ordinary and extraordinary waves and applications to the sputtering deposition // Journal of Vacuum Science and Technology A. 1991 V 9 N 3 P 691-695

6 Watanabe T , Yamamoto К, Tsuda О et al Synthesis of amorphous carbon films by plasma-based ion implantation using ECR plasma with a mirror field //Surface & Coatings Technology 2002 V. 156 N 1-3 P 317-321.

7 Matsuda К, Tanjyo M Ion sources for implantation. // Review of Scientific Instruments 1996 V. 67 N 3 P. 901-904

8. Sekiguchi M Summary of 12 4 international ECRIS workshop. 1995 // Review of Scientific Instruments 1996 V 67. N 4 P. 1606-1613

9. Mandl S, Manova D, Rauschenbach В Balancing incident heat and ion flow for process optimization m plasma based ion implantation // Journal of Physics D. Applied Physics 2002 V 35 N 11 P.l 141-1148

10 Dudmkov V G Review of high brightness ion sources for microlithography //Review of Scientific Instruments 1996 V 67 N. 3 P 915-920

11 Данилин Б С, Киреев В Ю Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов М Энергоатомиздат, 1987. 264 с

12 Suriki К, Nmomiya К, Nishimatsu S Microwave plasma etching // Vacuum technology application and ion physics 1984 V 34, №10/11 P. 953-957

13 Плазменная технология производства СБИС // Пер с англ, под ред. Н Айспрука Н„ Брауна Д - М . Мир, 1987 - 157 с

14 Полак Л С, Овсянников А А, Словецкий Д И, Вурзель Ф.Б. Теоретическая и прикладная плазмохимия - М. Наука, 1975 — 304 с

15 Русанов Л С , Фридман А А Физика химически активной плазмы - М : Наука, 1984 -415 с

16 Блинов Л.М , Володько В В , Гонтарев Г Г., Лысов Г В , Полак Л С. Сверхвысокочастотные плазмотроны, их характеристики и область применения //Сб Генераторы низкотемпературной плазмы — М : Энергия, 1969 -326 с

17 Газовые лазеры//Пер сангл/Подред И Мак-Даниеля и У. Нигена -М-Мир, 1986 -552 с

18 Велихов Е П, Письменный В Д, Рахимов А Т Несамостоятельный газовый разряд, возбуждающий непрерывные С02 лазеры // УФН 1977. Т. 122, вып 3 С 419-448

19 Гордиец Б Ф , Осипов А И., Шелепин Л А Кинетически процессы в газах и молекулярные лазеры -М Наука, 1980 -512с

20 Голубев В С , Лебедев Ф В Физические основы технологических лазеров// Лазерная техника и технология TIM Высш. шк, 1987 191 с.

21 Geller R ECRIS - closing remarks // Journal de Physique 1989 Colloque CI Suppl N 1 V 50 P 887-892

22 Geller R Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas // Institute of Physics Bristol 1996 434 P

23 Голованивский К С , Дугар-Жабон В Д Ионные источники на основе электронного циклотронного резонанса (обзор) // Приборы и техника эксперимента 1991 №4 С 8-18

24 Dandl R А, England А С , Ard W В et al Properties of a high-beta plasma produced by electron-cyclotron heating. // Nuclear Fusion 1964 V 4 P. 344-353

25 Ikegami H , Ikezi H , Hosokawa M. et al Shell structure of a hot-electron plasma //Physical Review Letters 1967. V 19 N 14 P 778-781.

26 Будников В H , Виноградов Н И , Голант В Е и др Исследование плазмы, созданной СВЧ полем в режиме циклотронного резонанса // Журнал технической физики 1967 Т 37 №5 С 851-856.

27 Аликаев В В , Бобровский Г А, Позняк В И и др Нагрев плазмы в то-камаке ТМ-3 на электронно-циклотронном резонансе при магнитных полях до 25 кЭ // Физика плазмы 1976 Т. 2 Вып 3 С. 390-395

28 Димов Г И, Закайдаков В В, Кишиневский М Е Термоядерная ловушка с двойными пробками // Физика плазмы 1976 Т 2 Вып 4 С 597-610

29 Аликаев В В ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы. // Итоги науки и техники Сер Физика плазмы 1981. Т. 1 Ч 2 С 80-99

30. Аликаев В В Литвак А Г., Суворов Е.В , Фрайман А А Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах // Высокочастотный нагрев плазмы / Горький ИПФ АН СССР 1983. С. 6-70

31 Бочаров В Н, Завадский Н.А, Киселев А В и др Генерирование плазмы в открытой ловушке на ЭЦР при осевом распространении волны // Вопросы атомной науки и техники Сер Термоядерный синтез 1985 Вып 3 С 64-70

32 Демехов А Г, Еремин Б Г , Костров А В , Суворов Е В , Фрайман А А, Чеканов А Л, Шагиев Ю М Исследование плазмы, создаваемой в прямой магнитной ловушке при циклотронном СВЧ пробое Препринт № 146 ИПФ АН СССР. Горький 1986 39 С.

33. Панов Д А. Амбиполярные открытые ловушки // Итоги науки и техники Сер. Физика плазмы 1988 Т 8 С 5-48

34 Лебедев А Н, Шаль нов А.В Основы физики и техники ускорителей // М Энергоатомиздат 1991 528 С.

35. Geller R, Jacquot В, Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Mimmafios // Nuclear Instruments and Methods m Physics Research. 1986 V. A243 P. 244-254

36 Arata Y., Miyake S , Kishimoto H Properties of ECR plasma m a simple mirror field //Japanese Journal of Applied Physics. 1987 V 26 N 12 P 2079-2085

37 Arata Y , Miyake S , Kishimoto H et al Production of ECR mirror plasma by high power millimeter-wave radiation // Japanese Journal of Applied Physics. 1988 V 27 N. 7 P 1281-1286

38 Booske J H, Aldabe F.A, Ellis R.F, Getty W.D. Modeling of an electron cyclotron resonance heated mirror plasma for highly charged ion and soft x-ray sources. //Journal of Applied Physics 1988 V 64 N 3 P 1055-1067

39. Gmbling P, Hollandt J, Ulm G. The Electron Cyclotron Resonance Light Source Assembly - A vacuum-ultraviolet radiation source based on an electron cyclotron resonance plasma // Proceeding of the 8th International Conference on Ion Sources; Review of Scientific Instruments 2000 V 71 N 2 Pt П P 1200-1202

40 Grublmg P, Hollandt J., Ulm G The Electron Cyclotron Resonance Light Source Assembly of PTB-ELISA // Proceeding of the 14th International Workshop on ECR Sources CERN Geneva Switzerland 1999 P 54-57

41. Chauhan S S., Rajyaguru C.C, Ito H. et al Electron cyclotron resonance light source from TEon mode microwave plasma // Review of Scientific Instruments 2001 V 72 N 12 P 4344-4347

42 Neff W, Rothweiler D , Eidmann К et al Laser and pmch plasma X-ray sources for microscopy and lithography // Proceeding of the International

Symposium on Optical Instrumentation and Applied Science, Applications of Laser plasma Radiation San Diego USA 1993

43 Bollanti S , Albertano P , Belli M et al Soft X-ray plasma source for atmospheric-pressure microscopy, radiobiology and other applications //Nuovo Cimento 1998 V 20D N И P 1685-1701

44 Щевелько А П , Якушев О Ф Интенсивный источник мягкого рентгеновского и ВУФ излучения на основе плазмы капиллярного разряда // Материалы совещания "Рентгеновская оптика-2002". Нижний Новгород 2002 С 72-78

45 Juschkin L , Chuvatin А, Zakharov S et al EUV emission from Kr and Xe capillary discharge plasmas // Journal of Physics D Applied Physics 2002 V. 35 N 3 P 219-227

46 Нагорный В И , Нефедов Ю Я, Усенко П Л Источник импульсных потоков моноэнергстического мягкого рентгеновского излучения. // Приборы и техника эксперимента 1996 №1 С. 137-141

47 Bykerk F, Shmaenok L, van Honk A et al Laser plasma sources for soft X-ray projection lithography // Nanometer-scale methods m X-ray technology JournaldePhysique 1994 V 4 N9 P 1669-1677

48 Зорев H H Перспективы проекционной рентгеновской литографии // Рентгеновская оптика Труды ФИАН 1989 Т 196 С 129-142

49 Валиев К А Физика субмикронной литографии М Наука 1990 528 с

50 Моро У Микролитография Ч 1 / Пер с англ М Мир 1990 605 с

51 Райзер Ю П Лазерная искра и распространение разрядов М Наука, 1974, 308 с

52 Батанов Г М, Коссый И А, Лукьянчиков Г.С Несамостоятельный СВЧ разряд и возможности его использования в лазерной технике ЖТФ, 1980 т 50, вып 2, с 346 - 349

53 Бродский Ю Я, Венедиктов Н.П, Голубев С.В , Зорин В Г и др Экспериментальное исследование неравновесного СВЧ разряда при атмосферном давлении в воздухе//Письма в ЖТФ 1984 Т. 10, вып 3 С.187-190

54 Bogatov N А, Gitlin М S , Golubev S V , Razm S V Investigation of instability of a microwave non-selp-sustamed discharge// Abstract VIII ES-CAMPIG-Greifsward 1986 P 384-385

55 Попонин В П, Шанский В Ф Импульсные СО^ лазеры с несамостоятельным разрядом Л Аврора, 1976 15 с

56 Грицинин С И, Коссый И А, Тарасова Н М Несамостоятельный СВЧ разряд в азоте при высоком давлении // Тез докл 2-го Всесоюзное совещ по физике электрического пробоя газов Тарту, ТГУ 1984 С 431-434

57 Грицинин С И , Коссый И А, Силаков В П, Тарасова Н М, Терехин В.Е Неустойчивость несамостоятельного СВЧ разряда в азоте Препринт ИОФ АН СССР, №14 М, 1986 19 с

58 Грицинин С И, Коссый И А., Силаков В П, Тарасова Н М, Терехин В Е Несамостоятельный СВЧ разряд в азоте при высоком давлении // ЖТФ 1987. Т. 57, вып 4 С 681-686

59 Beust W, Ford W L Arcmg in CW/ transmitters // Microwave J MMT 1961 V.4, n. 10 P 91-96

60 Батенин B.M , Зродников B.C , Климовский И И , Цемко Н И О механизме распространения сверхвысокочастотного разряда в воздухе //ЖЭТФ 1972 Т 62, вып 9 С.854-860

61 Райзер Ю П Распространение сверхвысокочасготного разряда высокого давления // ЖЭТФ, 1971 Т.61, вып 1 С 222-231.

62 Е В Суворов, М.Д Токман К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе // Препринт ИПФ АН СССР №194.1988 г

63 Аскарьян Г А, Батанов Г М, Бережетская Н, Грицинин С И , Коссый И А, Раевский И Н Генерация мощных токов и потенциалов при воздействии радиоволн на стержень - прямое преобразование электромагнитной энергии в энергию тока Письма в ЖЭТФ, 1979, т 29, в 11, С 706 - 709

64. Батанов Г.М, Грицинин С И, Коссый И А, Силаков В Н , Тарасова Н М СВЧ разряды высокого давления // Труды ФИАН 1985, т 160, с 174 - 203

65 Богатов Н.А, Бродский Ю Я , Быков Ю В , Голубев С В , Зорин В.Г, Еремеев А Г Высокотемпературная обработка диэлектриков плазмой газового разряда- Авт Свид 4213864/25 от 18 07 1988 г

66 Васютинский С С, Кружалов В А, Перганок Т М и др Импульсный СВЧ разряд как способ возбуждения С02 лазера// ЖТФ, 1978 Т48, вып. 2, с 310 - 324

67 Диденко А.Н, Петров В М., Слинько В Н и др Эксимерный лазер, возбуждаемый сильноточным релятивистским СВЧ генератором // Письма в ЖТФ, 1986. т 12, вып 20, с 1245-1250

68 Диденко А Н, Прохоров А М , Слинько В Н и др О накачке ультрафиолетового лазера мощным излучением релятивистчкого СВЧ генератора II ДАН СССР, 1988, т 3, №6, с 1363 - 1367

69 Бабин А А, Вихарев A JI, Гинзбург В А и др Азотный лазер, возбуждаемый свободно локализованным СВЧ разрядом // Письма в ЖТФ, 1988 т 15, вып 20, С. 31-34

70 Быков Ю В., Голубев С В., Гольденберг A JI, Зорин В Г Об использовании разряда, поддерживаемого мощным электромагнитным излучением диапазона миллиметровых волн в плазмохимии // ЖТФ, 1984 Т 54, вып 4, с 723 - 726

71 Быков Ю В Диссоциация кислорода и образование озона в самостоятельном СВЧ разряде // ХВЭ, 1984 т 18, вып 4, С 347 - 353

72 Быков Ю В Голубев С В , Семенов Е В. Неравновесный СВЧ плазмотрон высокого давления //ЖТФ» 1988 т58, вып 2,С 413—416

73 Грицинин С И, Колик Л В , Коссый И А. и др Разряд высокого давления в пучке СВЧ волн и его плазмохимические приложение. // ЖТФ, 1988. т 58, вып 12, С 2293 - 2300

74. Askatjan G А, Balanov G М, Gritsmm SI et al. Gas microwave discharge action on stratosphere // Abstracts IX ESCAMPIG Lisbon, 1988, p 59-60

75 Васильева A H , Гришина И A, Ковалёв А С, Ктиторов В И , Рахимов

A.Т , Розанов С Б Несамостоятельный высокочастотный разряд в газе //Письма в ЖТФ - 1980. - Т.6, №9 - С 551-555

76 Батанов Г.М , Коссый И А, Лукьянчиков Г С Несамостоятельный СВЧ разряд и возможности его использования в лазерной технике//ЖТФ 1980 Т 50 Вып 2 С 346-349

77 Быков Ю В , Еремеев А Г Возможности технологического использования мощного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн// Высокочастотный разряд в волновых полях/ ИПФ АН СССР Горький, 1988 С 265-289

78 Патон Б Е, Скляревич В Е , Шмелев М В. Особенности применения электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для нагрева материалов при сварке и других видах обработки//Автоматическая сварка. 1987 Т.5. С 1-13.

79 Поюровская И Е, Трибельский М И, Фишер В.И. О волне ионизации, поддерживаемой мощным монохроматическим излучением ¡I ЖЭТФ -1982 Т 82, №6. С 1840-1852

80 Бункин Ф В , Кононов В И , Прохоров А И., Федоров В.Б Лазерная искра в режиме «медленного горения»// Письма в ЖЭТФ, Т.9, №11 С.609-612

81 Бродский Ю.Я., Голубев С В , Зорин В Г. и др О новом механизме газодинамического распространения разряда// ЖЭТФ 1983 Т84, вып С 1695 -1702.

82 Бородачева Т В , Семенов В Е Электродинамика фотоионизационного механизма газодинамического распространения СВЧ разряда // ЖТФ 1985 Т 55, вып 9 С 1743-1747

83 Быков Ю В , Голубев С В , Зорин В Г. Генерация неравновесной плазмы в мощном СВЧ разряде // Тез докладов Всесоюзного симпозиум по плазмохимии - Днепропетровск, 1984 С 70-71

84 Голубев С В , Грицинин С И, Зорин В Г, Коссый И А, Семенов В Е СВЧ разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн // Высокочастотный разряд в волновых полях // ИПФ АН СССР Горький, 1988 С 136-197

85 Брижинев М П, Голубев С В , Дорожкина Д С Еремин Б.Г., Зорин

B.Г, Разин С В , Литвак А Г , Плотников И В , Разин С В., Семенов

В Е, Стриковский А В , Толкачева О Н СВЧ разряд в вакууме на поверхности диэлектриков//ЖЭТФ 2001, т.119, в 6, 113-1142

86 Golubev S V , Zorm V G, Plotnikov IV, Razm S V., Tokman M.D Experimental investigation of initial stage of ECR discharge sustained by millimeter wavelength radiation m mirror trap // Proceedings of Simposium'92 of Research Center for Ultra High Energy Density Heat Source 1992 Osaka Japan P 17-22

87 Golubev S V, Plotnikov IV, Razm S V , Suvorov E V, Tokman M D., Zo-nn V G Experimental Investigation of Initial Stage of ECR Discharge Sustained by Millimeter Wavelength Radiation m Mirror Trap // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves m Plasmas". Ed by A G Litvak Nizhny Novgorod Russia 1994 V. 1 P 387-392

88 Голубев С В , Зорин В Г, Плотников И.В , Разин С.В , Суворов Е В , Токман М Д Экспериментальное исследование начальной стадии ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке, поддерживаемого излучением миллиметрового диапазона длин волн // Препринт № 386 ИПФ РАН Нижний Новгород 1995 19 С.

89 Голубев С В , Зорин В Г, Плотников И В , Разин С В , Суворов Е В , Токман М.Д. ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения II Физика плазмы 1996 Т 22 № 11 С 1007-1011.

90 Суворов Е В , Токман М Д К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе // Физика плазмы 1989 Т 15 Вып 8. С 934-943

91 Пастухов В П Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках // Вопросы Теории Плазмы Вып 13 М Энергоатомиздат. 1984 С 160-204

92 РютовДД Открытые ловушки //УФН 1988 Т 154 Вып 4. С, 565-614

93 Мирнов В В , Рютов Д Д , Итоги науки и техники, серия "Физика плазмы", Т 8,1988, С 84

94 Golubev S V, Zorm V G, Razm S V Ion charge state distribution m the ECR source with pumping by millimeter-wave gyrotron radiation // Proc Int Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas" Ed by A G Litvak N Novgorod Russia 1997. V 1 P 363-367

95. Голубев С В , Зорин В Г., Платонов Ю Я, Разин С В Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда, поддерживаемого пучком миллиметровых волн // Письма в ЖТФ 1994 Т 20 Вып 4 С 7-11

96 Golubev S V, Platonov Yu Ya, Razm S V , Zorin V G Soft X-Ray Emission from Millimeter-Wave Electron-Cyclotron Resonance Discharge // Journal of X-ray Science and Technology 1996 V 6 P 244-248

97 Водопьянов А В , Голубев С В., Зорин В Г , Крячко А Ю , Лопатин А Я, Лучин В И, Разин С В , Смирнов А Н Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжелых газах, поддерживаемый мощным микро-

волновым пучком в магнитной ловушке, как источник мягкого рентгеновского излучения //ПисьмавЖТФ 2000 Т 26 Вьш 24 С 7-12 98 Vodopyanov А V , Golubev S V, Zorm V.G, Kryachko A Yu, Lopatm AYu, Luchm VI, Razm SV, Smimov AN Mirror-Trapped Plasma Heated by High-Power Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays. // Japanese Journal of Applied Physics 2001 V 40 N 2B Pt 1. P 1016-1017

99. Golubev S V., Luchm VI, Razm S V, Salashchenko N N , Smimov A N.. Vodopyanov A V, Zorm V G Mirror-Trapped Plasma Heated by Powerful Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays // Proceedings of the International Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A G. Litvak Nizhny Novgorod Russia 2000 VI P 356-361

100 Abramova К В , Smirnov A N, Voromn A V, Zorm V G. Tornado type closed magnetic trap for an ECR ion source Proceedings of 14th bit Workshop on ECR Sources ECRIS'99 CERN, Geneva, Switzerland, 3-6 May, 1999

101 Абрамова К.Б, Зорин В Г, Смирнов А.Н, Воронин А В , Разин С В Закрытая магнитная ловушка типа Торнадо для ЭЦР источника ионов Review of Scientific Instruments, V 71, N 2, Pt 2, p. 921-923, 2000.

Список работ по теме диссертации

1А Бродский Ю Я, Венедиктов Н П, Голубев С В., Зорин В Г , Коссый И А. Экспериментальное исследование неравновесного СВЧ разряда при атмосферном давлении в воздухе// Письма в ЖТФ 1984 Т 10, выпЗ С 187-190

2А Богатов Н А, Бродский Ю Я , Быков Ю В , Голубев С В , Зорин В Г , Еремеев А Г Высокотемпературная обработка диэлектриков плазмой газового разряда Авт Свид. 4213864/25 от 18 07 1988 г ЗА Быков Ю В , Голубев С В , Гольденберг А Л, Зорин В Г Об использовании разряда, поддерживаемого мощным электромагнитным излучением диапазона миллиметровых волн в плазмохимии // ЖТФ, 1984 1.54, вьш 4, С 723 - 726 4А Бродский Ю Я, Голубев С В , Зорин В Г и др. О новом механизме газодинамического распространения разряда // ЖЭТФ. - 1983. - Т 84, вып С 1695 - 1702 5А Быков Ю В , Голубев С В , Зорин В Г Генерация неравновесной плазмы в мощном СВЧ разряде // Тез докл Всесоюзного симпоз по плазмохимии, - Днепропетровск, 1984 - С 70-71 6А Голубев С В , Грицинин С И , Зорин В Г, Коссый И. А, Семенов В Е СВЧ разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн // Высокочастотный разряд в волновых полях // ЙПФ АН СССР - Горький, 1988 С 136-197

7 А Богатое H. А, Бродский Ю.Я, Голубев С В , Зорин В Г Грицинин С И, Коссый И А, Тарасова H M Быстрая волна ионизации, возбуждаемая в газовой среде электромагнитным лучом.// Краткие сообщения по физике Москва, 1984. №9 С 32-35 8А Богатов H А., Быков Ю В , Венедиктов Н.П, Голубев С В , Еремеев А Г, Зорин В .Г, Семенов В Е Газодинамическое распространение неравновесного СВЧ разряда // Физика плазмы 1986 Т 12, вып 6 С 725-732. 9 А. Быков Ю В , Голубев С.В , Зорин В Г. Плазменный ореол и скачки фронта ионизации неравновесного СВЧ разряда высокого давления// Физика плазмы 1989. Т 15, вып.1 С.107-113 10А. Богатов H А, Голубев С В , Зорин В Г Ионизирующее излучение СВЧ

разряда//Письма в ЖТФ 1983 Т9, вып.14 С 888-891 11А Богатов H А, Голубев С В , Зорин В Г Механизм образования плазменного ореола вокруг СВЧ разряда.// Физика плазмы 1986 Т 12, вып 11 С 1369-1375. 12А. Бродский Ю Я, Голубев С В., Зорин В Г, Фрайман Г M Плазменно-

резонансный разряд//ЖЭТФ 1985 Т88,вып.З С.771-780. 13А. Брижинев M П., Голубев C.B., Дорожкина Д С., Ерёмин Б.Г, Зорин В Г, Литвак А Г, Плотников И В , Разин С В , Семенов В Е, Стриков-ский А В., Толкачева О H СВЧ разряд в вакууме на поверхности диэлектриков//ЖЭТФ 2001, т 119, в 6, С 113-1142 14А Голубев С В , Зорин В Г., Плотников И В , Разин С В., Суворов Е.В , Токман M Д Экспериментальное исследование начальной стадии ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке, поддерживаемого излучением миллиметрового диапазона длин волн // Препринт № 386 ИПФ РАН Нижний Новгород. 1995.19 С 15А Голубев C.B., Зорин В Г., Плотников И В , Разин С В , Суворов Е В., Токман М.Д, ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения // Физика плазмы 1996 Т. 22 №11 С 1007-1011 16A. Golubev S V, Zorm V.G, Plotakov IV, Razin S.V, Tokman M D Experimental investigation of initial stage of ECR discharge sustained by millimeter wavelength radiation in mirror trap // Proceedings of Simposium'92 of Research Center for Ultra High Energy Density Heat Source 1992 Osaka Japan P 17-22 17A Golubev S V, Plotmkov I.V , Razin S V, Suvorov E V, Tokman M D., Zorm V.G Experimental Investigation of Initial Stage of ECR Discharge Sustained by Millimeter Wavelength Radiation m Mirror Trap // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves m Plasmas" Ed by A.G Litvak Nizhny Novgorod Russia 1994 V 1 P 387-392. 18A Водопьянов А В , Голубев С В , Зорин В Г, Разин С В , Сидоров А В , Скалыга В А, Шалашов А Г. Динамика СВЧ разряда в магнитном поле

в условиях сильной предварительной ионизации газа. Изв вузов Радиофизика 2003 Т 46, №8-9 С 822-829 19А Водопьянов А В , Голубев С В , Зорин В Г, Разин С В , Шилов М А Параметры плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда в открытой магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания //Письма в ЖТФ. 1999 Т 25 В 14 С 90-94 20А Golubev S V, Razm S V, Semenov V E , Smirnov A N, Vodopyanov A V, Zorin V G Formation of multicharged ions and plasma stability at quasigasdynamic plasma confinement m a mirror magnetic trap // Review of Scientific Instruments 2000 V 71 N 2 P 669-671. 21A Golubev SV, Razm S.V , Semenov VE, Smirnov AN, Vodopyanov A V, Zorin V G Formation of multicharged ions at quasigasdynamic plasma confinement in a mirror magnetic trap // Proceedings of the 14th International Workshop on ECR Sources "ECRIS'99" CERN Geneva Switzerland 1999 P. 195-197 22A Semenov V , Skalyga V, Smirnov A, Zorin V Scaling for ECR Sources of Multicharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz Review of Scientific Instruments 2002 V 73, #2, P 635 - 637 23A. Golubev S, Mansfeld D , Skalyga V, Vodopyanov A, Razm S, Murugov V. Semk A, Kravchenko A, Litvm D, Misko V, Petrov S , Geller R., Lamy T, Sortais P, Thuillier T, Zorin V ECR Ion Sources Recent Developments Proceedings of the 5-th International Workshop "Strong Microwaves m Plasmas" Ed by A G Litvak Nizhny Novgorod, Russia, 2003, V. 2, P 618-630. 24A Skalyga V, Zorin V Multicharged ion Generation m Plasma Confined m a CUSP magnetic trap at Quasigasdynamic Regime Abstr. of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'04), #23 Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, September 2004, P 112 - 115 25A Golubev S V , Izotov I.V , Razm S V, Skalyga V A, Vodopyanov A V , Razm S V., Zorin V G Multicharged Ion Generation m Plasma Created by Millimeter Waves and Confined in a CUSP Magnetic Tiap Transactions of Fusion Science and Technology, 2005, V 47, N. IT - 8, P 345-347 26A Быков Ю В , Голубев С В , Еремеев А Г , Зорин В Г Электронно-циклотронный разряд, поддерживаемый СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн Труды II Всесоюзной совещания " СВЧ разряд в волновых полях " (Куйбышев, 1989) С 62 27А Быков Ю В , Еремеев А Г, Голубев С В , Зорин В Г ЭЦР разряд, поддерживаемый излучением миллиметровых волн Физика Плазмы, 1990, Т.16, С 487 - 489

28А Bouly J L, Curdy J С , Geller R, Golubev S V, Lacoste A , Lamy T , Sole P, Sortais P , Razm S V , Vieux-Rochaz J L, Thuillier T , Vodopyanov A.V , S V Razm, Zorin V G High cunent density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter Review of Scientific Instruments, 2002, V 73, N 2, part 11, P 528 - 530

29А Golubev S V, Razin S V, Sidorov A V, Skalyga V A., Vodopyanov A V, Zorm V G High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge Review of Scientific Instruments, 2004, V 75, Issue 5, P 1675-1677 30A А Ф Боханов, В Г. Зорин, И В Изотов, С В. Разин, А В Сидоров, В А. Скалыга Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы Физика плазмы, 2007, Т. 33, № 4 31А Голубев С В , Зорин В Г , Платонов Ю Я, Разин С В. Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда, поддерживаемого пучком миллиметровых волн // Письма в ЖТФ. 1994 Т 20 В. 4 С 7-11. 32А Golubev S V , Platonov Yu Ya, Razm S V., Zorin V G. Soft X-Ray Emission from Millimeter-Wave Electron-Cyclotron Resonance Discharge // Journal of X-ray Science and Technology. 1996 V 6 P. 244-248 ЗЗА. Водопьянов А В , Голубев С В , Зорин В Г, Крячко А Ю., Лопатин А Я, Лучин В И, Разин С.В., Смирнов А Н Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжелых газах, поддерживаемый мощным микроволновым пучком в магнитной ловушке, как источник мягкого рентгеновского излучения //Письма в ЖТФ 2000 Т 26 В 24 С 7-12 34А Vodopyanov А V., Golubev S V, Zorm V G , Kryachko A.Yu, Lopatm A Yu, Luchm V L, Razm S V, Smirnov A N Mirror-Trapped Plasma Heated by High-Power Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays // Japanese Journal of Applied Physics. 2001 V. 40 N 2B Pt 1 P 1016-1017

35A Golubev S V, Luchin VI, Razin S V, Salashchenko N.N, Smirnov A N, Vodopyanov A V , Zorm V G. Mirror-Trapped Plasma Heated by Powerful Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays // Proceedings of the International Workshop on 'Strong Microwaves m Plasmas". Ed. by A.G Litvak. Nizhny Novgorod. Russia 2000 V.l.P 356-361 36A Vodopyanov A V., Golubev S.V., Zorm V G, Kryachko A.Yu, Lopatm A Yu, Luchin VI, Razm S V., Smirnov A N. Mirror-Trapped Plasma Heated by High-Power Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays // Proceedings of the 13th International Conference on HighPower Particle Beams "Beams 2000". Ed. by К Yatsui and W. Jiang Na-gaoka Japan 2000 V. l.P 155-157. 37A Golubev S V., Razm S V, Semenov V E, Smirnov AN, Vodopyanov A V, Zorm V G Sources of Soft X-rays and Multtcharged Ions Based on ECR Discharge m Heavy Gases Sustained by High-Power Gyrotron Radiation. // Proceedings of the International Workshop on "Strong Microwaves m Plasmas" Ed. by AG Litvak. Nizhny Novgorod.Russia 2000. V 1 P 347-355 38A Водопьянов А В , Голубев C.B , Зорин В Г, Разин С В , Субботин АН, Усенко ПЛ Рентгеновское изображение плазмы импульсного ЭЦР разряда, поддерживаемого миллиметровым излучением гиротро-на Препринт № 568 ИПФ РАН Нижний Новгород 2001 11 С

39А Abramova К В , Smirnov А N, Voronm А V , Zorm V G Tornado type closed magnetic trap for an ECR ion source Proceedings of 14th Int Workshop on ECR Sources ECRIS'99. CERN, Geneva, Switzerland, 3-6 May, 1999

40A Абрамова К Б, Зорин В Г, Смирнов А Н , Воронин А В , Разин С В Закрытая магнитная ловушка типа Торнадо для ЭЦР источника ионов Review of Scientific Instruments 2000 V 71. N2, Pi 2, p. 921-923 41A Abramova К В , Smirnov A N , Voronm A V , Zorm V.G Review of Scientific Instruments // 2000, V 71 (2), P 921

Содержание диссертации

Введение

1. Экспериментальные установки и методы диагностики

1 1 Описание экспериментальных установок

1 2 Методы диагностики и точность измерений

2. СВЧразряд при высоком давлении газа

2 1. Непрерывное стационарное распространение разряда 2 2 Скачкообразный режим распространения разряда

2 3. Механизм образования плазменного ореола

3. СВЧ разряд при низком давлении газа

3 1 Плазменно-резонашяшй СВЧ разряд

3 2 СВЧ разряд вблизи поверхности твердых тел в вакууме

4. Особенности СВЧ разряда в магнитном поле

4 1 ЭЦР пробой газа в прямой ловушке

4 2. Нерезонансный СВЧ разряд в магнитном поле

4 3 Квазигазодинамический механизм удержания плазмы в магнитной ловушке

5. Использование СВЧ разряда в магнитных ловушках для приложений

5 1 Генерация ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излу-

чения в ЭЦР разряде 5 2 Непрерывно горящий ЭЦР разряд 5 3 ЭЦР источники многозарядных ионов

5 3 1 ЭЦР источники многозарядных ионов при квазигазодинамическом режиме удержания плазмы в магнитной ловушке 5 3 2 Экстракция ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда 5 3 3 Нетрадиционные схемы ЭЦР источников многозарядных ионов Заключение Литература

ЗОРИН Владимир Гурьевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОВОГО РАЗРЯДА В КВАЗИОПТИЧЕСКИХ ПУЧКАХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Автореферат

Подписано к печатч 10 05 07 Формат 60 х 90 '/и Бумага офсетная № 1 Печать офсетная Уел печ л I 0 Тираж 120 экз Заказ № 64(2007)

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950, г Н Новгород, ул Ульянова, 46

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Зорин, Владимир Гурьевич

Введение

1. Экспериментальные установки и методы диагностики

1.1. Описание экспериментальных установок

1.2. Методы диагностики и точность измерений

2. СВЧразряд при высоком давлении газа

2.1. Непрерывное стационарное распространение разряда

2.2. Скачкообразный режим распространения разряда

2.3. Механизм образования плазменного ореола

3. СБЧразряд при низком давлении газа

3.1. Плазменно-резонансный СВЧ разряд

3.2. СВЧ разряд вблизи поверхности твердых тел в вакууме

4. Особенности СВЧразряда в магнитном поле

4.1. ЭЦР пробой газа в прямой ловушке

4.2. Нерезонансный СВЧ разряд в магнитном поле

4.3. Квазигазодинамический механизм удержания плазмы в магнитной ловушке

5. Использование СВЧ разряда в магнитных ловушках для приложений

5.1. Генерация ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучения в ЭЦР разряде

5.2. Непрерывно горящий ЭЦР разряд

5.3. ЭЦР источники многозарядных ионов

5.3.1. ЭЦР источники многозарядных ионов при квазигазодинамическом режиме удержания плазмы в магнитной ловушке

5.3.2. Экстракция ионного пучка из плотной плазмы ЭЦР разряда

5.3.3. Нетрадиционные схемы ЭЦР источников многозарядных ионов 283 Заключение 309 Литература

Введение диссертация по физике, на тему "Экспериментальное исследование газового разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн"

Общая характеристика работы

Целями диссертационной работы являлись: экспериментальное изучение особенностей возникновения, механизмов поддержания, динамики различных видов разряда в квазиоптических пучках электромагнитных волн миллиметрового и сантиметрового диапазонов 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.

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 плёнок [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 энергоёмких. Благодаря созданию 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 на протяжении приблизительно трёх 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 МЭИ 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 тяжёлых 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.

Объект исследований

Объектом экспериментальных исследований, описанных в диссертационной работе, является плазма разряда, возникающего в различных условиях в пучках электромагнитных волн. Особенности представленных исследований связаны с тем, что эксперименты проводились с использованием сходящихся пучков электромагнитного излучения миллиметрового и сантиметрового диапазона длин волн рекордной интенсивности: до 25 МВт/см2 в коротких импульсах (десятки наносекунд) и до 150 кВт/см2 в квазинепрерывном режиме облучения (от 100 мкс до 100 мс), что позволяло

13 3 16 3 получать плазму с уникальными параметрами (плотностью от 10 см" до 10 см" и средней энергией электронов от единиц эВ до нескольких кэВ).

Условия возникновения СВЧ разряда и свойства созданной плазмы существенно зависят от величины давления газа, при котором проводятся эксперименты. В диссертационной работе описаны исследования в широком диапазоне давлений от 760 Тор до 10"6 Тор.

При высоких давлениях газа (близких к атмосферному, когда частота столкновений электронов с тяжелыми частицами существенно превышает частоту электромагнитного излучения) основное внимание уделено так называемому инициированному разряду, возникающему в пучках электромагнитных волн допробойной интенсивности при кратковременном инициирующем воздействии на газ различных источников [51, 52]. Первоначальное кратковременное воздействие на газ может осуществляться различными способами. Как показали эксперименты, свойства разряда не зависят от способа инициации, разряд через некоторое время как бы «забывает» о методах инициации. В развитии такого разряда, как в случае реализации режима с термическим характером ионизации, так и в существенно неравновесном режиме, определяющую роль играют процессы нагрева и расширения газа в плазменном ореоле, созданном ультрафиолетовым излучением разряда.

Кроме того, при высоких давлениях газа проведены исследования несамостоятельного СВЧ разряда в допробойных полях, в котором поддержание ионизованного состояния газа производилось разнообразными внешними (сторонними) источниками (в нашем случае -ионизирующим ультрафиолетовым излучением), а энерговклад в газ осуществлялся за счёт СВЧ поля [18, 52-58]. В отличие от инициированного разряда, для поддержания несамостоятельного разряда необходимо постоянное воздействие на газ (внешняя ионизация), при прекращении которого разряд гаснет.

Исследован инициированный разряд при низких давления газа, когда частота столкновений электронов с тяжелыми частицами существенно меньше частоты электромагнитного излучения. Показано, что в этом случае нагрев газа не определяет динамику разряда. Инициированный разряд поддерживался в существенно допробойных условиях за счет усиления электрического поля волны в области плазменного резонанса, добротность которого в этих условиях достаточно высока.

При очень низких давления газа ( на уровне 10"6 Тор), когда длина свободного пробега электронов в газе много больше размеров СВЧ пучка и размеров вакуумной камеры, для уменьшения потерь заряженных частиц, связанных с уходом их на стенки вакуумной камеры, в экспериментах использовались открытые осесимметричные магнитные ловушки. При этом изучался разряд как в сильных магнитных полях, обеспечивающих выполнение условий электронно-циклотронного резонанса, так и в слабых, существенно ниже резонансных.

При низких давления газа (1(Г6 Тор) был также изучен разряд в пучках сверхсильных электромагнитных волн (плотность потока СВЧ энергии до 25 МВт/см2) вблизи диэлектрических преград. В этих условиях разряд развивался вблизи преграды в тонком слое испарившегося газа.

Таким образом, можно утверждать, что разряд, поддерживаемый квазиоптическими пучками электромагнитных волн при больших, недавно еще недоступных, интенсивностях излучения представляется новым, физически богатым и весьма перспективным для различных приложений объектом исследований.

Научная новизна

Впервые проведены комплексные исследования разряда, возникающего в пучках квазиоптического электромагнитного излучения большой интенсивности. Эти исследования стали возможны после создания мощных генераторов электромагнитного излучения сантиметрового (карсинотронов) и миллиметрового (гиротронов) диапазонов длин волн. Как уже отмечалось, 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.

Можно утверждать, что СВЧ разряд в пучках электромагнитных волн представляет собой новый и своеобразный объект физики газового разряда, в котором наряду с традиционными для газового разряда кинетическими и газодинамическими процессами важную роль играют эффекты волновой электродинамики. Действительно, газовый разряд в пучках электромагнитных волн имеет ряд свойств, общих с лазерной искрой, например, тенденцию к распространению фронта разряда навстречу излучению, развитие различного рода неустойчивостей, существенное влияние газодинамических процессов, связанных с нагревом газа в разряде высокого давления, и т.д. Тем не менее, разряды в СВЧ и оптических пучках качественно различаются, что обусловлено спецификой микропроцессов в таких разрядах, а главное, различным характером взаимодействия электромагнитного поля с плазмой разряда. Так, в СВЧ разряде по сравнению с оптическим более важную роль играет обратное влияние плазмы на поддерживающее её электромагнитное излучение. Это связано с тем, что в случае СВЧ разряда размеры плазмы сравнимы с длиной волны излучения, концентрация электронов легко достигает значения близкого к критическому или превышает его. В этих условиях прекращение роста концентрации плазмы обусловлено, в основном, уменьшением напряжённости электрического поля в плазме за счёт отражения или рефракции СВЧ излучения. С другой стороны, возможны эффекты усиление поля в плазме в области плазменного или ЭЦР резонансов, которые могут играть ключевую роль в динамике СВЧ разряда и влияют на свойства создаваемой плазмы. В оптическом же разряде в отличие от СВЧ разряда для описания электродинамических процессов, как правило, достаточно приближения геометрооптического поглощения электромагнитных волн в плазме. Волновой характер взаимодействия электромагнитного излучения с плазмой отличает разряд в СВЧ пучке и от различного рода ВЧ разрядов, которые хорошо описываются в рамках квазистатического приближения.

В работе исследован новый фото ионизационный механизм движения разряда навстречу СВЧ волне при высоком (близком к атмосферному) давлении газа. Показано, что, ультрафиолетовое излучение разряда, создающее за счёт фотоионизации окружающего разряд газа протяжённый плазменный ореол, играет определяющую роль в динамике инициированного СВЧ разряда в воздухе. Именно за счет поглощения СВЧ излучения в ореоле формируется стационарное движение разряда, в отличие от режима медленного горения, когда стационарность связана с теплопроводностным прогревом газа [59 - 61]. Фото ионизационный механизм реализуется при зажигании разряда в очень широком диапазоне мощностей СВЧ излучения и давления газа. Например, при атмосферном давлении он наблюдался экспериментально при плотностях потока СВЧ у энергии от 1 до 100 кВт/см .

Впервые экспериментально обнаружен и исследован плотный протяжённый плазменный ореол, образующийся вокруг СВЧ разрядов при высоких давлениях в воздухе. Предложена модель образования ореола, связывающая его существование с фотоионизацией молекулярного кислорода линейчатым излучением атомов кислорода образующихся в разряде. Определены условия (величина энерговклада в разряде, парциальное давление кислорода Рог, величина параметра Рог'г, где z расстояние до разряда), при которых предложенный механизм играет определяющую роль в образовании плазменного ореола.

Обнаружен и экспериментально исследован инициированный разряд при низких давлениях газа 10"1 - 10"3. Показано, что ионизация газа осуществляется в результате усиления СВЧ поля волны в области плазменного резонанса, добротность которого в этих условиях достаточно высока.

Исследованы особенности возникновения плазмы около диэлектрической мишени в вакууме при облучении электромагнитным излучением с плотностью потока СВЧ излучения на уровне десятки киловатт через квадратный сантиметр, связанные с СВЧ пробоем испаренного с мишени вещества. Измерения показали, что плазма оказывается

1 с. •з существенно неравновесной, ее плотность достигает значений 10 см" в тонком слое толщиной много меньше длины волны СВЧ излучения. Обнаружено, что в такой плазме эффективно образуются многозарядные ионы.

Развитие разряда, создаваемого пучками электромагнитных волн миллиметрового диапазона в магнитных ловушках в условиях электронно-циклотронного резонанса также существенно отличается от разрядов изученных ранее. Эти различия связаны в первую очередь с большой плотностью плазмы достигнутых в наших экспериментах (до 1013 см"3) дело в том, что увеличение плотности плазмы приводит к изменению характера удержания плазмы в ловушке: реализуется так называемый квазигазодинамический режим удержания. При этом существенно увеличивается интенсивность ионных пучков, экстрагируемых из плазмы. В отличие от известных газодинамических ловушек [28] ЭЦР разряд в пучках миллиметровых волн существенно неравновесен (температура электронов много больше температуры ионов).

Экспериментально реализован описанный выше квазигазодинамический режим удержания полностью ионизованной плазмы, созданной при ЭЦР пробое газа в магнитных ловушках. Создана теоретическая модель, хорошо описывающая экспериментальные результаты. На основе этих данных предложен новый тип импульсных ЭЦР источников многозарядных ионов - газодинамические ЭЦР источники, которые могут иметь средний заряд ионов в плазме сравнимый с величиной, полученной на лучших классических ЭЦР источниках многозарядных ионов, но с плотностью потока и абсолютной величиной потока плазмы через пробки ловушки на порядок большей.

Исследования квазигазодинамического режима удержания потребовало анализа СВЧ пробоя разреженного (давление р<1(Г3 Тор) тяжёлого газа в прямой осесимметричной магнитной ловушке в условиях циклотронного резонанса электронов при квазиоптическом продольном вводе мощного (100 кВт) излучения миллиметрового диапазона длин волн через одну из магнитных пробок. Результаты проведённых экспериментов подтвердили существующие теоретические представления о том, что при больших (порядка 100 кВт) микроволновых мощностях и интенсивностях СВЧ излучения на уровне нескольких кВт/см2 в лабораторных экспериментах по ЭЦР-пробою и нагреву плазмы функция распределения электронов по энергиям определяется условием суперадиабатического ЭЦР взаимодействия [62] на начальном этапе развития разряда.

Создание интенсивных потоков плазмы в газодинамических ЭЦР источниках дает уникальную возможность экстрагировать пучки многозарядных ионов с высоким током и высокой яркостью. Например, в описанных в диссертации экспериментах были получены пучки ионов азота с зарядом +2 с током 6 мА и нормализованной яркостью более 0,3 А/(7гмм'мрад)2. Теоретический анализ показал, что возможно достижение и более высоких результатов.

Экспериментально продемонстрирована возможность применения уже известной много-апертурной системы экстракции в ЭЦР источниках многозарядных ионов при условии использования квазигазодинамического режима удержания плазмы. Это позволяет формировать интенсивные широкие пучки многозарядных ионов.

Показано, что в условиях ЭЦР разряда наиболее эффективным механизмом генерации МРИ является линейчатое излучение многозарядных ионов, а максимальной мощности генерации МРИ можно добиться при использовании именно коротковолнового СВЧ излучения. Впервые экспериментально определены условия генерации и параметры мягкого рентгеновского излучения ЭЦР разряда в тяжёлых газах (воздух, кислород, аргон).

Научная и практическая значимость

Разряд, возникающий вблизи поверхности твёрдого тела, может играть роль согласующего элемента, обеспечивающего более эффективную передачу энергии СВЧ волн твёрдым 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. Данные, полученные в диссертации, использовались в ИПФ РАН [65].

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 плазмохимических реакторов [70 - 74]. Использование пучков электромагнитных волн в сочетании со сторонним ионизатором позволяет реализовать для этих же целей несамостоятельный безэлектронный разряд, устойчивость которого существенно выше, чем у традиционного несамостоятельного тлеющего разряда [75, 76].

Разряд, поддерживаемый в СВЧ пучке при низких давлениях газа, благодаря высокой плотности электронов, представляется перспективным для быстрого плазмохимического нанесения защитных плёнок, для плазмохимического травления поверхностей и т.д. [12].

Исследования СВЧ разряда в волновых пучках представляют интерес и с точки зрения проблемы беспроволочной передачи электрической энергии на большие расстояния. В этом случае разряд, возникающий как в свободном пространстве, так и на различных элементах передающей и приёмной систем, ограничивает передаваемую энергию и, естественно, нежелателен. Также отрицательную роль играет разряд в технологии, использующей волновые пучки СВЧ излучения для объёмного нагрева материалов и модификации диэлектриков [77, 78] {24, 33}; в этом случае существенное ограничение используемой интенсивности СВЧ излучения связано с возникновением приповерхностного разряда в парах вещества диэлектрика.

В диссертации показано, что ЭЦР разряд, поддерживаемый миллиметровыми волнами, является эффективным источником вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений. Меняя условия зажигания разряда, можно изменять спектр его излучения и, в частности, оптимизировать разряд для той части спектра, которая представляется наиболее перспективной для литографии. Результаты, полученные в этой части диссертации, могут быть использованы в работе Института физики микроструктур РАН и других институтов, проводящих исследования в области литографии.

Как уже говорилось выше, успехи последних лег в ядерной физике во многом определяются развитием ЭЦР источников многозарядных ионов для инжекции их в циклотронные ускорители [21-23]. Поэтому исследования новых типов ЭЦР источников многозарядных ионов, описанные в диссертации, необходимы для дальнейшего продвижения экспериментальных исследований в этой области. Работы, описанные в четвертой главе, представляются актуальными для институтов, эксплуатирующих ускорители тяжелых ионов. Эти данные использовались в работе Объединенного института ядерных исследований (Дубна, Россия), Лаборатории субатомной физики и космологии (Гренобль, Франция), научного центра GANIL (Каен, Франция), Университет города Осака (Япония), Университет города Нагаока (Япония).

Демонстрация возможности формирования широких пучков многозарядных ионов с большим током делает возможным использование результатов диссертации в области технологии обработки поверхностей энергичными ионами и в экспериментах по программе термоядерного синтеза на тяжелых ионах. Эти данные, полученные в диссертации, предполагается использовать в ближайшее время в Lawrence Berkeley National Laboratory (г. Беркли, США).

Структура и объём диссертации

Диссертация в основном посвящена экспериментальным исследованиям. Работы проводились на нескольких экспериментальных стендах, что позволило перекрыть широкий диапазон параметров. Их описанию посвящен раздел 1.1.

Стенд ЭС-75. Источником электромагнитного излучения (к = 6,7 мм) служил гиротрон, позволяющий получать мощность до 200 кВт в импульсе длительностью ги = 40 мкс. Частота следования импульсов могла изменяться от 0,1 до 10 Гц. Для повышения плотности потока энергии излучение с помощью параболического зеркала фокусировалось в пятно эллиптического сечения с полуосями (по уровню 0,5 Е2мах) 0,7 см и 0,45 см. Плотность потока СВЧ энергии в фокусе пучка достигала 150 кВт/см2. Эксперименты проводились в вакуумной камере, позволяющей получать давление от 10~3 Тор до 760 Тор.

Эксперименты при меньших интенсивностях излучения, но при больших длительностях СВЧ импульса, были выполнены на установке, являющейся прототипом модуля, используемого для электронно-циклотронного нагрева плазмы в токамаке Т-10. В качестве генератора СВЧ излучения использовался гиротрон, работавший на длине волны X = 3,5 мм в импульсном режиме с длительностью импульса от 1 до 20 мс. На выходе генератора формировался гауссов пучок диаметром 5см с углом расходимости 4°. Поляризация электрического поля в волне - линейная. К генератору подсоединялся сверхразмерный волновод диаметром 8 см и длиной 2 м, в нём устанавливалась структура поля, соответствующая моде Ни. Для увеличения плотности потока СВЧ энергии волна, излучаемая волноводом, фокусировалась фторопластовой линзой с фокусным расстоянием приблизительно 20 см. Все эксперименты по исследованию СВЧ разряда на этой установке проводились при атмосферном давлении в воздухе.

Эксперименты по исследованию методов создания плазмы в вакууме около мишеней при сверхмощных интенсивностях СВЧ излучения проводились с использованием карсинотрона. СВЧ излучение с частотой 10 ГГц и длительностью импульса 40 не формировалось в квазиоптический пучок электромагнитных волн линейной поляризации и подавалось в вакуумную камеру, где оно фокусировалось с помощью специального зеркала. Плотность потока СВЧ излучения в фокальной области достигала 25 МВт/см при площади поперечного сечения фокального пятна 10 см . Величина эффективного поля могла составлять Eeff -100 кВ/см, при этом энергия осцилляции электронов в волне по порядку величины была 1 кэВ. Давление в камере 3 — 5 поддерживалось на уровне р « 10 - 10 Тор.

Исследования СВЧ разряда в магнитных ловушках проводились на установке SMIS 37. Для создания плазмы использовалось СВЧ излучение импульсного гиротрона с частотой fCB4 = 37,5 ГГц, длительностью импульса хсвч = 1 мс, максимальной мощностью Рсвч = 130 кВт. С помощью специальных зеркал формировался квазигауссов пучок электромагнитных волн с линейной поляризацией. Он фокусировался диэлектрической линзой внутрь вакуумной камеры. Характерный поперечный размер СВЧ пучка в фокальной области составлял 3,5 см. Плотность потока СВЧ излучения в перетяжке достигала 15 кВт/см . Вакуумная разрядная камера помещалась в магнитную ловушку, создаваемую двумя одинаковыми импульсными соленоидами. Ток соленоидов, близкий по форме к полупериоду синусоиды, имел длительность около 10 мс. Характерная величина тока соленоидов в максимуме импульса составляла 1000 - 2500 А, а максимальное значение напряжённости магнитного поля в пробках Вт равнялось 2,5 Тл. Отметим, что поле, соответствующее электронно-циклотронному резонансу равнялось Вт=1,34 Тл. Извлечение пучка ионов из плазмы, созданной в магнитных ловушках, осуществлялось с помощью системы экстракции, состоящей, как правило, из двух молибденовых электродов Пирсовой геометрии - плазменного электрода и пуллера.

• Пороги возникновения различных видов и стадий разрядов в свободном пространстве и на различных мишенях.

• Пространственно временные развертки области свечения разряда.

• Скорость распространения фронта ионизации.

• Электродинамические характеристики газоразрядной плазмы: коэффициенты прохождения и рассеяния СВЧ волны, относительные измерения напряжённости различных компонент электрического поля в плазме.

• Величина и пространственное распределение концентрации электронов в плазме.

• Спектр и абсолютное значение интенсивности излучения разряда в области вакуумного ультрафиолета.

• Спектр и абсолютное значение интенсивности излучения разряда в области мягкого рентгена (диапазон длин волн 10 - 250 А).

• Спектр рентгеновского излучения ЭЦР разряда (диапазон длин волн 1 - 6 А).

• Токи ионных пучков, сформированных системой экстракции.

• Распределение ионов по зарядовым состояниям в ионных пучках.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований динамики разряда высокого давления в воздухе при сравнительно больших плотностях потока энергии СВЧ излучения, но еще недостаточных для пробоя невозмущенного газа. Для зажигания разряда использовались различные инициаторы, возмущающие либо величину электрического поля в СВЧ волне, либо состояние газа. Разряд зажигался в области этих возмущений и двигался навстречу СВЧ излучению, убегая от него на расстояние, существенно превышающее размер возмущенной области. При этом его свойства не зависели от метода инициации. Такой разряд принято называть инициированным.

Первый из них - равновесный СВЧ разряд температура электронов в котором лишь немного превышает температуру газа (Те ~ Тт). Существование такого разряда возможно только при сильном нагреве газа, обеспечивающем эффективную термоионизацию. Степень ионизации газа в равновесном разряде полностью определяется его температурой и достигает заметной величины, достаточной для эффективного поглощения СВЧ излучения при Тт = 4500 К.

Второй тип разряда - неравновесный разряд, температура электронов в плазме которого много больше температуры газа.

Исследования показали, что при больших интенсивностях СВЧ излучения определяющую роль в динамике инициированного разряда в воздухе играет обнаруженный в экспериментах плазменный ореол, образующийся вокруг разряда за счёт фотоионизации газа собственным ультрафиолетовым излучением разряда. (Подробному исследованию механизма образования плазменного ореола вокруг разряда в воздухе посвящен раздел 2.3 диссертации.) Движение как равновесного, так и неравновесного разрядов навстречу СВЧ излучению обусловлено реализацией нового, так называемого, фотоионизационного механизма распространения. В отличие от известных механизмов типа медленного горения [59 - 61], связанных с теплопроводностным нагревом окружающего разряд холодного газа, в

1 Такой СВЧ разряд наблюдался и ранее в волноводных трактах мощных СВЧ генераторов [120-124], однако механизм распространения разряда навстречу СВЧ лучу был существенно иным (см. ниже). Отметим, что плазма не находится в полном равновесии, например, оптическое излучение разряда может быть неравновесным. фотоионизационном механизме нагрев газа перед фронтом разряда происходит за счёт поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле. 2

Прежде всего, отметим два обнаруженных в наших экспериментах факта, однозначно, на наш взгляд, указывающих на изменения механизма распространения равновесного разряда при увеличении интенсивности излучения. Первый - линейный рост скорости распространения разряда с ростом мощности излучения, и второй -наличие протяжённого плотного плазменного ореола, в котором поглощается заметная (до 20%) доля СВЧ излучения. Линейный рост скорости распространения разряда не укладывается в рамки моделей распространения с теплопроводностным прогревом окружающего разряд холодного газа. В аналитических и численных расчётах этого режима [51, 79] было установлено, что коэффициент поглощения электромагнитной волны в плазме разряда уменьшается с ростом мощности СВЧ излучения (К ~ 1 !4sf, и, поскольку скорость распространения фронта разряда зависит главным образом от энерговыделения в разряде [51, 80], соответственно снижается эффективность распространения разряда (U ~ 4s). В наших экспериментах U ~ S, что свидетельствует о неизменном коэффициенте поглощения СВЧ излучения в равновесном разряде. Лучшая и неизменная степень согласования плазмы разряда с СВЧ волной при больших S обусловлена наличием плазменного ореола и поглощением в нём СВЧ излучения. Соответствующая модель нового фотоионизационного механизма распространения равновесного разряда, учитывающая нагрев газа в плазменном ореоле [81, 82], показывает универсальность профиля стационарной волны разряда для различных значений плотностей потока энергии СВЧ излучения, и следовательно, постоянство отношения U/S, что согласуется с экспериментом.

При увеличении мощности излучения, начиная с некоторого порогового уровня if

S , наблюдается изменение характера зависимости U(S), которое, как показали эксперименты, связано с изменением характера ионизации в разряде - переходом от равновесного разряда к существенно неравновесному. Распространение неравновесного разряда происходило непрерывно со скоростью, пропорциональной квадрату

2 Впервые гипотезу о роли плазменного ореола, образующегося за счёт ультрафиолетового излучения, в динамике неравновесного СВЧ разряда высокого давления высказал сотрудник ИОФ АН СССР И.А. Коссый.

3 Этот эффект обусловлен в основном быстрым ростом плотности плазмы с ростом температуры и, следовательно, ростом коэффициента отражения СВЧ волны от разряда. интенсивности излучения, т.е. степень согласования СВЧ волны с плазмой неравновесного разряда выше, чем в равновесном и растёт с ростом мощности излучения. Механизм распространения такого разряда также связан с нагревом газа в плазменном ореоле, однако в этом случае для ионизации достаточно сравнительно слабого нагрева, обеспечивающего снижение в области ореола величины пробойного поля (зависящего от плотности и температуры воздуха) до уровня амплитуды падающей волны. Отметим, что в случае неравновесного разряда концентрация электронов в ореоле растёт с ростром амплитуды СВЧ волны; этим, по-видимому, объясняется увеличение коэффициента поглощения СВЧ излучения в разряде.

При дальнейшем увеличении плотности потока СВЧ излучения в динамике неравновесного разряда происходят качественные изменения: непрерывное движение фронта ионизации нарушается, и распространение фронта ионизации приобретает скачкообразный характер. Усреднённая по скачкам скорость распространения разряда превышает скорость звука в холодном газе. Динамика и структура скачкообразно движущегося разряда существенно зависят от длины волны СВЧ излучения, точнее, от соотношения между длиной волны и характерным размером плазменного ореола [83, 84]. В разделе 2.2 диссертации подробно описаны исследования разряда со скачкообразным режимом распространения, поддерживаемого электромагнитным излучением миллиметрового диапазона длин волн (характерный размер плазменного ореола больше длины СВЧ волны). На основании исследований динамики разряда, параметров плазменного ореола, моментов возникновения возмущений плотности газа и т.д., предложена модель развития такого разряда, связывающая появление скачков фронта ионизации с быстрым локальным нагревом газа в плазменном ореоле, причём в этом случае нагрев газа и последующий его пробой происходит на некотором расстоянии от фронта разряда (равном четверти длины СВЧ волны) в максимуме электрического поля, возникающем при отражении излучения от плазмы разряда. Здесь же приводится сравнение полученных результатов с данными экспериментов других авторов, проведённых с использованием излучения сантиметрового диапазона длин волн [64] (размер плазменного ореола меньше размера длины СВЧ волны) и анализируются аналитические модели разряда.

Как уже отмечалось, нагрев газа в обнаруженном в наших экспериментах плазменном ореоле играет определяющую роль в развитии инициированного разряда в воздухе при больших интенсивностях излучения. Однако наличие ореола не укладывалось в рамки существующих представлений и требовали специальных исследований, описанию которых посвящен раздел 2.3.

Исследования механизма образования плотной протяжённой плазмы перед фронтом разряда в газах высокого давления обсуждаются в разделе 2.3, где на основании измерений пространственно-временного распределения плазмы в ореоле разрядов в воздухе и в смеси азота и кислорода при различных парциальных и полных давлениях, измерений спектра и абсолютного значения интенсивности ультрафиолетового излучения разряда сделан вывод о том, что плазменный ореол образуется при фотоионизации молекулярного кислорода линейчатым излучением атомарного кислорода, образующегося в разрядах при больших энерговкладах. Длина

3 о волны ионизирующей линии X = 102,57 нм, переход из состояния 3d D в основное (энергия кванта 12,087 эВ). Там же приводится сравнение полученных данных с результатами работ других авторов.

9 1

Инициированный разряд при ещё более низких давлениях (10" < Ро < 2-10" Тор), где диффузионная длина потерь электронов становится сравнимой и больше размера СВЧ пучка, описан в разделе 3.1 диссертации. В этой области давлений разряд представлял собой движущийся навстречу излучению слой плазмы с характерными размерами, превышающими длину СВЧ волны с размытыми (диффузными) границами, вытянутый вдоль направления электрического поля. Возникновение и динамика такого разряда тесно связаны с наличием в плазме области плазменного резонанса (действительная часть диэлектрической проницаемости плазмы s = 0), в которой возрастает величина поглощаемой энергии вследствие усиления нормальной компоненты электрического поля СВЧ пучка (£ || Ve). Наиболее наглядно это проявляется в том, что отрыв разряда от инициатора при существенно допробойных полях осуществлялся только в том случае, когда концентрация плазмы достигала критического значения. Предложена физическая модель такого разряда, выводы которой находятся в качественном согласии с результатами эксперимента.

В разделе 3.2 представлены результаты исследования разряда, возникающего в вакууме на поверхности твёрдых диэлектрических материалов при их облучении интенсивным (до 25 МВт/см2) электромагнитным излучением сантиметрового диапазона [85]. При превышении плотностью потока СВЧ энергии некоторого порогового значения, зависящего от материала мишени, вблизи поверхности возникал разряд. Его возникновение связано с испарением материала мишени и пробоем испаренного вещества. В работе не анализируется механизм столь быстрого испарения, исследования сосредоточены на определении параметров возникающей плазмы. Образующаяся плазма первоначально имеет вид тонкого (в масштабе длины волны) слоя с концентрацией электронов 1016 см"3 по порядку величины. Экспериментально показано, что в плазме происходит эффективная генерация многозарядных ионов. Измеренное распределение ионов по энергиям в разлетающейся плазме согласуется с расчётным, полученным при решении задачи о квазинейтральном разлёте в вакуум локализованного сгустка бесстолкновительной плазмы с холодными ионами.

Было обнаружено существование порога возникновения разряда по давлению газа, который зависел от величины магнитного поля ловушки - с увеличением напряжённости магнитного поля минимальное давление, при котором загорался разряд, уменьшалось. Например, при максимальном достигнутом магнитном поле в пробках ловушки 2,4 Тл пороговое давление составило 3-10 ~5 Тор. Экспериментально найдена граница области существования ЭЦР разряда на плоскости параметров р - Вт, где р -давление газа в разрядной камере, Вт - величина магнитного поля в пробках ловушки. Граница указанной области соответствует примерному равенству ta ~ тсвч , где tj -время развития разряда, т.е. интервал времени между началом СВЧ импульса и моментом возникновения разряда, фиксируемым по появлению интенсивного свечения плазмы в видимой области спектра.

Проведено сопоставление экспериментальных данных по исследованию условий ЭЦР пробоя газа в магнитной ловушке с результатами построенной в [90] теории, согласно которой и ускорение электронов до значительных энергий, и уход электронов в конус потерь происходит в результате их взаимодействия с СВЧ полем накачки в области электронного циклотронного резонанса. В работах [86 - 89] указанная теория была скорректирована с учётом реалий описываемых в данной главе экспериментов, и было получено следующее условие возникновения ЭЦР разряда, определяющее пороговую концентрацию нейтралов Nm в зависимости от величины магнитного поля в пробках ловушки Bm: 10~12 -Nm(cM~3 >Цм)-[Вт (Тл)/Вк - 1] > 0.1 (здесь L -длина ловушки, Br =1,34 Тл - величина резонансного магнитного поля). Это выражение даёт удовлетворительное согласие с данными эксперимента, что подтверждает предположение о реализации суперадиабатического ЭЦР взаимодействия электронов с СВЧ волной на начальном этапе развития разряда.

В разделе 4.2 описаны работы, в которых экспериментально продемонстрирована возможность создания и поддержания сильно ионизованной плазмы при низких давлениях газа электромагнитным излучением, интенсивность которого ниже пробойного уровня. В экспериментах плазма удерживалась в прямой магнитной ловушке, что заметно упрощало условия пробоя. При этом магнитное поле везде в вакуумной камере было меньше значения, соответствующего электронно-циклотронному резонансу. Определены условия возникновения и поддержания разряда, измерены параметры плазмы. Необходимым условием образования разряда является сильная предварительная ионизация газа. При этом заметный нагрев электронов (обеспечивающий эффективную ионизацию газа) в СВЧ поле происходит за счет кулоновских столкновений с ионами предплазмы, частота которых существенно превосходит частоту столкновений электронов с нейтральными частицами газа. Предложена качественная аналитическая модель развития разряда, описывающая наблюдаемые эффекты.

В разделе 4.3 приводятся результаты исследований квазигазодинамического (КГД) режима удержания сильнонеравновесной плазмы (с горячими электронами и холодными ионами) в магнитных ловушках при мощной СВЧ накачке. Определены условия реализации такого механизма удержания, описаны его особенности, предложена модель, с помощью которой были рассчитаны параметры плазмы.

Основное отличие КГД режима от хорошо изученного классического [22, 91] связано с высокой частотой столкновений электронов, так что величина г«=1К (1) оказывается много меньше времени вытекания плазмы из ловушки г g=LR/V,, (2) здесь R - пробочное отношение ловушки. L - ее длина 4, vej - частота столкновений электронов с ионами, Vs - ионно-звуковая скорость. Данное неравенство означает, что электроны за время жизни в ловушке испытывают много столкновений, в результате чего происходит изотропизация функции распределения электронов по скоростям. В экспериментах, описанных в диссертации, мощный ЭЦР нагрев, при условии медленного обмена энергией между электронной и ионной компонентами плазмы (его характерное время много больше времени жизни частиц в ловушке), приводил к существенному отрыву средней энергии электронов от температуры ионов (Ее » Т,),

4 Здесь для простоты рассматривается прямая ловушка с однородным магнитным полем и короткими пробками, анализ может быть легко распространен и на другие типы открытых ловушек.

19 что является весьма типичным для условий, реализующихся в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов [22], но несправедливо для режимов газодинамических ловушек [28, 92, 93]. При указанных соотношениях параметров время жизни плазмы определяется выражением (2), либо формулой, обобщающей ее для другой структуры силовых линий магнитного поля ловушки. Приставка «квази» в названии рассмотренного в диссертации режима удержания, подчеркивает отличие от газодинамического режима, определяемое сильной неравновестностью плазмы (Ее »

Т,)

Для расчетов распределения ионов по зарядовым состояниям в плазме и плотности тока ионов через пробки ловушки использовалась 0-мерная система дифференциальных уравнений баланса ионизации для ионов всех кратностей ионизации, уравнение для концентрации нейтрального газа, условие квазинейтральности плазмы и уравнение для времени жизни плазмы. Все вычисления проводились в приближении Максвелловского распределения электронов по энергиям. Как показывают оценки, для экспериментальных условий можно пренебречь поперечными по отношению к магнитному полю потерями плазмы на стенки вакуумной камеры, поэтому они не учитывались в расчетах.

13 3 равна приблизительно 2-10 см" . Как было продемонстрировано в ряде экспериментов, ее реальное значение оказывается близко к критической величине плотности плазмы [94]. Расчеты проводились в условиях, при которых максимальное значение плотности

1Я 3 электронов было равно Ne=l"10 см" .

Экспериментальные исследования квазигазодинамического механизма удержания плазмы в магнитной ловушке выполнялись на стенде SMIS 37. Эксперименты проводились с двумя типами ловушек: прямой ловушкой и ловушкой касп.

Использовалось два различных подхода к исследованиям.

В экспериментах с ловушкой касп проводилось детальный анализ распределения ионов по зарядам в плазме и величины плотности потока ионов через аксиальную пробку. Эти значения однозначно характеризуют основные параметры плазмы: среднюю энергию и концентрацию электронов. Экспериментально измеренные величины сравнивались с расчетными, полученными по методике, описанной выше; на основании совпадения делался вывод о реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы. Магнитная ловушка касп была выбрана как наиболее простая МГД-стабильная магнитная ловушка. Магнитное поле создается двумя катушками, включенными навстречу друг другу. В такой ловушке в любой точке внутри плазмы силовые линии имеют кривизну, подавляющую плазменные МГД-возмущения. Эксперименты показали, что полный ток ионного пучка, измерявшийся цилиндром Фарадея, ток на ускоряющий электрод - пуллер, и токи ионов всех зарядов были очень стабильными, колебания их величины в течение импульса не превышали 3-5 % от среднего значения, кроме того величины токов имели высокую повторяемость от выстрела к выстрелу. Из приведенных экспериментальных результатов следует, что при условиях, оптимальных для формирования многозарядных ионов, отношения токов основных ионов имеют следующие величины: In2+ / J.n+ —1,8, In2+ / In3+ ~ 3,5, что с точностью около 10% соответствует результатам численного моделирования для случая, когда концентрация электронов Ne = IT О13 см"3, коэффициент поглощения СВЧ мощности 50%. Указанное распределение реализуется при максимальной СВЧ мощности. Необходимо также отметить хорошее совпадение расчетной плотности токов ионов из ловушки с экспериментальными результатами при различных расстояниях между экстрактором и пробкой ловушки, полученными при измерении токов на цилиндр Фарадея и пуллер.

Доказательство реализации квазигазодинамического режима удержания плазмы в прямой магнитной ловушке проводилась другим методом. Определялась температура электронов по измерению спектра жесткого рентгеновского излучения плазмы в диапазоне длин волн 1 - 6 А, оценивалась концентрация электронов с помощью СВЧ методов, полученные данные подставлялись в выражения (1) и (2). Неравенство выполнялось с хорошим запасом, что свидетельствует о реализации квазигазодинамического характера удержания плазмы.

Раздел 5 посвящен исследованиям, направленным на поиски новых практических применений ЭЦР источников плазмы.

В разделе 5.1 описываются эксперименты по исследованию вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, излучаемых плазмой импульсного ЭЦР разряда, возникающего в прямой осесимметричной магнитной ловушке под действием излучения гирогрона миллиметрового диапазона длин волн. Эксперименты проводились на стенде SMIS 37.

ЭЦР разряд в магнитной ловушке в тяжёлых газах (азот, кислород, аргон, криптон и др.) может являться эффективным источником вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и некогерентного мягкого рентгеновского излучения (МРИ). Дело в том, что линейчатый спектр многозарядных ионов, образующихся в плазме ЭЦР разряда, может соответствовать областям ВУФ и МРИ в зависимости от величины заряда ионов [36 -39]. Интенсивность линейчатого излучения в условиях ЭЦР разряда растет пропорционально произведению плотности электронов и плотности ионов в ловушке (I ~ Ne- Nj ~Ne2 (где - Ne и N, плотности электронов и ионов)), в то время как СВЧ мощность, необходимая для поддержания постоянной температуры электронов, как правило, растет медленнее, чем Ne2. Следовательно, повышение плотности плазмы, при условии поддержания температуры электронов на достаточно высоком уровне, необходимом для обдирки ионов, приводит к увеличению как интенсивности ультрафиолетового и рентгеновского излучений, так и КПД преобразования СВЧ излучения в рентген 5. Как уже говорилось выше, для поддержания плотной плазмы необходимо коротковолновое СВЧ излучение. Наиболее перспективными СВЧ источниками для этой дели являются гиротроны.

В начале раздела 5.1 приводятся оценки излучения плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого мощным миллиметровым излучением. Показано, что линейчатое излучение многозарядных ионов доминирует в диапазоне мягкого рентгена. Кроме того, изменение распределения ионов по зарядовым состояниям позволяет регулировать спектр рентгеновского излучения. Аналогичные результаты были получены в численных расчетах, проведенных во ВНИИТФ (Снежинск).

Приводятся основные результаты наблюдений спектров ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучений плазмы ЭЦР разряда в диапазоне длин волн X ~ 540 - 4000 А. Эксперименты проводились в атмосфере аргона (с примесью кислорода на уровне 1 %) при давлении 2-10"4 Тор, фиксированном значении СВЧ мощности РСвч~100 кВт и магнитном поле в пробках ловушки Вт = 2,3 Тл. Расшифровка спектров показала, что в плазме ЭЦР разряда присутствуют ионы аргона с зарядом до +5 и ионы кислорода с зарядом до +3. Интенсивность излучения нарастала с уменьшением длины волны вплоть до границы рабочего диапазона спектрографа.

В этом же разделе описываются эксперименты по определению спектрального состава и абсолютной интенсивности мягкого рентгеновского излучения плазмы ЭЦР разряда. Первоначально без достаточного спектрального разрешения - методом фильтров - было исследовано рентгеновское излучение ЭЦР разряда в воздухе, техническом кислороде и чистом аргоне в диапазоне длин волн X. « 10 - 250 А. Было

5 Это справедливо при условии, когда КПД « 1. найдено, что основное излучение плазмы лежит в интервале X « 45 - 120 А с максимумом в области к ~ 70 - 100 А [95 - 96]. Дальнейшее более детальное исследование спектров мягкого рентгеновского излучения разряда [97 - 99] проводилось с помощью рентгеновского монохроматора на основе сменных многослойных рентгеновских зеркал с использованием в качестве рабочего газа аргона, поскольку именно в аргоновой плазме наблюдалась наибольшая интегральная по длинам волн интенсивность рентгеновского излучения. Основные параметры установки при этом были следующими: мощность СВЧ излучения гиротрона 130 кВт, давление аргона в разрядной камере (1 - 3)-10-4 Тор, величина магнитного поля в пробках ловушки 2,3 Тл. Эксперименты показали, что максимум мягкого рентгеновского излучения плазмы лежит в области длин волн 00 А, а на краях интервала Ак&10 -110 А интенсивность излучения спадает на порядок. Согласно проведённым абсолютным измерениям интенсивности мягкого рентгена, максимум спектральной мощности составляет 730 Вт /А на длине волны л,~90 А, а интегральная по диапазону длин волн л~65 - 170 А мощность MP излучения (в предположении изотропности источника) достигает WMpH~15 кВт. Следовательно, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение превышает 10 % .

1 у несколько единиц миллиампер (при концентрации электронов в плазме разряда -10 см" ) [22]. Повышение плотности тока ионных пучков требует увеличения концентрации плазмы, что может быть достигнуто при использовании излучения более высоких частот. Современные ЭЦР источники ионов работают с использованием частоты не более 28 ГГц, причем обычно частота лежит в диапазоне 14-18 ГГц. В

разделе 5.2 описаны эксперименты по созданию плазмы квазинепрерывным электромагнитным излучением с частотой 100 ГГц в условиях электронноциклотронного резонанса. Источником СВЧ излучения служил гиротрон с выходной мощностью < 4 кВт. Магнитное поле создавалось прямым сверхпроводящим соленоидом, помещенным в криостат. Криостат соединялся с выходом гиротрона сверхразмерным волноводом диаметром 4 см и длиной 100 см. В криостате помещалась 2 откачиваемая до давления

10"z Тор кварцевая колба. Длительность СВЧ импульса ограничивалась тепловой нагрузкой на переднюю стенку разрядной колбы, обусловленной приосевым потоком заряженных частиц, и составляла приблизительно 3 сек. Передняя стенка колбы находилась в плоскости максимального магнитного поля. Это позволяло ввести излучение в плазму со стороны сильного магнитного поля, что обеспечивало лучшее согласование необыкновенной электромагнитной волны с плазмой в области гирорезонанса. Возникновение разряда наблюдалось только в том случае, когда область гирорезонанса сй=сон оказывалась внутри колбы. Пороговая для зажигания разряда мощность СВЧ излучения при значении оэнс /со = 1,06 и давлении Л газа р ~10" Тор составляла 0,6 кВт, что соответствовало плотности потока энергии -100 Вт/см2. Величина зондового тока J практически не зависела от величины тока соленоида, если величина юн несколько превышала пороговое для пробоя значение. Увеличение мощности СВЧ излучения приводило к возрастанию зондового тока, максимальное значение тока зонда составляло 1,4 А. Концентрация электронов в разряде оценивалась по штарковскому уширению линии Ну и составляла приблизительно 4 ТО13 см"3.

В разделе 5.3.1 приводятся расчеты двух вариантов газодинамических ЭЦР источников на основе ловушки касп, которые представляются интересными для практической реализации:

1 - импульсный источник с мощной СВЧ накачкой;

Расчеты проводились на основе подхода, описанного в 4.3. Предполагалось, что плазма удерживается в квазигазодинамическом режиме. Показано, что возможно увеличение времени жизни плазмы без существенного увеличения размеров ловушки. Для этого необходимо увеличение объема силовой трубки без изменения ее сечения в пробке, через которую вытекает плазма. Расчет показывает, что с помощью специального расположения катушек возможно достижение времени жизни плазмы 10 мкс при температуре электронов порядка 100 эВ и характерных размерах ловушки 40 см. Использование более высокой частоты накачки позволяет увеличивать плотность плазмы и, следовательно, параметр удержания Ne'i, которым определяется величина среднего заряда ионов в плазме. Приведен расчет эффективности формирования многозарядных ионов азота в ЭЦР источнике с использованием гиротрона с частой изучения 75 ГГц и мощностью 400 кВт. Излучение такого гиротрона позволит

1 п п создавать и поддерживать плазму с плотностью 6-10 см", температурой электронов около 100 эВ. В этом случае можно рассчитывать на получение такого распределения ионов азота по кратностям ионизации, для которого максимум соответствует ионам

N3+, N4+. При этом плотность тока ионов через пробку на продольной оси ловушки будет составлять величину порядка 10 А/см2.

Что касается использования непрерывного гиротрона на частоте 28 ГГц, то, при условии качественной фокусировки излучения мощностью 15 кВт в модифицированную ловушку касп, возможно получение распределения ионов в пучке с максимумом на ионе N2+. Плотность ионов через пробку будет составлять около 1 А/см2.

Получение квазистационарных потоков плазмы многозарядных ионов с эффективной плотностью тока более 100 мА/см2 с помощью ЭЦР разряда в магнитной ловушке с квазигазодинамическим режимом удержания дает широкие возможности для экспериментов по формированию пучка многозарядных ионов с высоким током, которые описаны в разделе 5.3.2. В данном разделе для формирования пучка используется плотная плазма с достаточно низким средним зарядом ионов (основной ион N ). Однако, разработанная в этих экспериментах методика экстракции пучков ионов при высоких плотностях потока плазмы может быть успешно реализована в будущих экспериментах, предложенных выше, в которых уже предполагается получение ионов с боле высоким зарядом. Результаты, описанные в данном разделе, представляются важными для создания импульсного газодинамического ЭЦР источника пучков ионов с высоким зарядом.

Экспериментальные и теоретические исследования проводились в двух направлениях:

1. Создание ионного пучка с высоким током при использовании электродов с малой апертурой. В этом случае, благодаря использованию для экстракции отверстия малого диаметра, существует принципиальная возможность получения ионных пучков с малым эмиттансом. В работе получены пучки ионов азота (основной ион в спектре N2+, отношение токов ионов N2+/N3+~7) с током 4 мА через отверстие в плазменном электроде диаметром 1 мм, величина приведенного эмиттанса менее 0,1 Л'мм'мрад, нормализованная яркость пучка более 0,4 А/( тгмм'мрад)2.

2. Формирование ионного пучка с помощью многоапертурной системы экстракции. Такие системы позволяют существенно поднять ток пучка. В работе приводятся первые результаты тестирования экстрактора с пятью отверстиями. Получен ток 12 мА ионов азота со спектром, аналогичным описанному в первом случае. Показана возможность дальнейшего увеличения тока

В разделе 5.3.3 дано два предложения использования нетрадиционных схем источников многозарядных ионов, которые не были реализованы по разным причинам.

Тем не менее, эти источники кажутся достаточно интересными и возможно они найдут применение в будущем.

В первом предложении, разработанном совместно с сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе [100 - 101], показана возможность использования закрытой магнитной ловушки Торнадо для создания импульсного источника многозарядных ионов с нагревом плазмы СВЧ излучением. Потери плазмы в закрытых ловушках определяются диффузией поперек магнитного поля, что существенно увеличивает время жизни плазмы по сравнению с зеркальной ловушкой. Предложены сценарий нагрева плазмы с последовательным включением двух генераторов: на частоте 2,45 ГГц для создания начальной плазмы и на частоте - 15 ГГц, 53 ГГц - для ее нагрева; и способ экстракции ионов из плазмы. Показано, что возможно достижение распределения ионов по зарядовым состояниям с максимумом на Аг+16 при

13 3 плотности плазмы 2-10 см" . Экстрагируемый ионный ток может достигать при этом 1 А.

Во втором предложении анализируются возможности установки ЭЦР источника многозарядных ионов внутри циклотронного ускорителя. При этом предполагается использование магнитного поля ускорителя для формирования магнитной ловушки источника. Данный проект был разработан совместно с сотрудниками Лаборатории ядерных реакций ОИЯИ, г. Дубна.

В настоящее время используются внешние источники ионов, которые устанавливается на значительном расстоянии от ускорителя. Ионный пучок формируется в источнике, а затем передается на расстояния в десятки метров. Необходимость транспортировки пучков предъявляет высокие требования к их эмиттансу, а значит и ограничивает ток пучка. Эти проблемы отсутствуют у встроенного источника ионов, расположенного непосредственно в центральной зоне ускорителя. Ионный пучок, извлеченный в этом случае, сразу оказывается вблизи входного окна ускорителя. Такие источники, свободные от проблем транспортировки ионов, могут работать в режиме с высокой плотностью плазмы и обеспечивать высокий ток ускоряемых ионов.

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Ультрафиолетовое излучение разряда, создающее протяжённый плазменный ореол за счёт 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 теплопроводностным прогревом окружающего разряд холодного газа, реализуется фотоионизационный механизм, связанный с нагревом газа перед фронтом разряда за счёт поглощения СВЧ энергии в плазменном ореоле.

2. 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.

3. Возникновение импульсного ЭЦР разряда в газах в прямой осесимметричной 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.

4. 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.

5. ЭЦР разряд в тяжёлых 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.

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 плазмохимии (Днепропетровск, 1984 г.); III Всесоюзной метрологической конференции (Харьков, 1986 г.); на 1ом и 2-ом (Горький, 1987 г., 1989) Всесоюзном совещании по высокочастотному разряду в волновых полях; 4-ой Всесоюзной конференции по «Физике газового разряда» (Махачкала, 1988 г.); 1-ом, 2-ом, 3-ем, 4-ом, 5-ом и 6-ом Международных рабочих совещаниях "Strong Microwaves in Plasmas" (H. Новгород, 1990, 1993, 1996, 1999, 2002, 2005 г.г.); на Симпозиуме'92 исследовательского Центра "Ultra High Energy Density Heat Source" (Япония, 1992 г.); на международной конференции "Short Wavelength Radiation and Applications" (Звенигород, 1994 г.); 24-ой Всероссийской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997 г.); 10-ом, 11-ом и 12-ом совместных Российско-Германских семинарах "ECRH and Gyrotrons" (Н. Новгород, 1998 г., Германия, 1999 г., Н. Новгород - Москва, 2000 г.); на 3-ей Международной рабочей встрече "Microwave Discharges: Fundamentals and Applications" (Франция, 1997 г.); Международном совещании «High power microwave generation and pulse shortening» (Великобритания, 1997 г.); 7-ой (Италия, 1997 г.), 8-ой (Япония, 1999 г.), 9-ой (США, 2001 г.), 10-ой (Россия, 2003 г.), 11-ой (Франция, 2005 г.) международных конференциях "Ion Sources"; Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998 г.); 1-ой (Новосибирск, 1998 г.) и 5-ой (Россия, 2004 г.) Международных конференциях «Open Magnetic Systems for Plasma Confinement»; 15-ой Международной конференции "Cyclotrons and Their Applications" (Франция, 1998 г.); 14-ой (Швейцария, 1999 г.), 15-ом (Финляндия, 2002 г.), 16-ом (США, 2004 г.) Международном совещании «ECR Ion Sources»; Международной университетской конференции "Electronics and Radiophysics of Ultra -High Frequencies" (Санкт-Петербург, 1999 г.); 13-ой Международной конференции "High-Power Particle Beams" (Япония, 2000 г.); на Международном совещании "Sources 2000" (Япония, 2000 г.); Международном совещании "Production of Intense Beams of Highly Charged Ions" (Италия, 2000 г.); 6-ом Международном совещании «Plasma-Based Ion Implantation» (Франция 2001 г.); 13-ом 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. А.Ф. Иоффе, LPSC (Гренобль, Франция), Научно-исследовательском центре Россельдорф (Германия) и в других научных организациях.

Основные результаты диссертации опубликованы в советских и российских и иностранных журналах:

Список публикаций по теме диссертации

1А.Бродский Ю.Я., Венедиктов Н.П., Голубев С.В., Зорин В.Г., Коссый И.А. Экспериментальное исследование неравновесного СВЧ разряда при атмосферном давлении в воздухе.// Письма в ЖТФ. 1984. Т.10, вып.З. С.187-190. 2А.Богатов Н.А., Бродский Ю.Я., Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г., Еремеев А.Г. Высокотемпературная обработка диэлектриков плазмой газового разряда. Авт. Свид. 4213864/25 от 18.07.1988 г. ЗА.Быков Ю.В., Голубев С.В., Гольденберг А.Л., Зорин. В.Г. Об использовании разряда, поддерживаемого мощным электромагнитным излучением диапазона миллиметровых волн в плазмохимии. // ЖТФ, 1984. т.54, вып. 4, С. 723 - 726. 4А.Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г. и др. О новом механизме газодинамического распространения разряда.// ЖЭТФ. - 1983. - Т.84, вып. С. 1695 -1702.

5А.Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г. Генерация неравновесной плазмы в мощном СВЧ разряде.// Тез докл. Всесоюзного симпоз.по плазмохимии. - Днепропетровск, 1984. - С.70-71.

6А.Голубев С.В., Грицинин С.И., Зорнн В.Г., Коссый И.А., Семенов В.Е. СВЧ разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн.// Высокочастотный разряд в волновых полях.// ИПФ АН СССР. - Горький, 1988. С. 136-197.

7А.Богатов Н.А., Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г. Грицинин С.И., Коссый И.А., Тарасова Н.М. Быстрая волна ионизации, возбуждаемая в газовой среде электромагнитным лучом.// Краткие сообщения по физике. Москва, 1984. №9. С.32-35.

8А.Богатов Н.А., Быков Ю.В., Венедиктов Н.П., Голубев С.В., Еремеев А.Г., Зорин В.Г., Семенов В.Е. Газодинамическое распространение неравновесного СВЧ разряда.// Физика плазмы. 1986. Т. 12, вып.6. С.725-732.

9А.Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г. Плазменный ореол и скачки фронта ионизации неравновесного СВЧ разряда высокого давления.// Физика плазмы. 1989. Т.15,вып.1. С.107-113.

10А. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Ионизирующее излучение СВЧ разряда.// Письма в ЖТФ. 1983. Т.9, вып. 14. С.888-891.

11А. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Механизм образования плазменного ореола вокруг СВЧ разряда.// Физика плазмы. 1986. Т.12, вып. 11. С. 1369-1375.

12А. Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г., Фрайман Г.М. Плазменно-резонансный разряд.// ЖЭТФ. 1985. Т.88, вып.З. С.771-780.

13А. Брижинёв М.П., Голубев С.В., Дорожкина Д.С., Ерёмин Б.Г., Зорин В.Г., Литвак А.Г., Плотников И.В., Разин С.В., Семёнов В.Е., Стриковский А.В., Толкачёва О.Н. СВЧ разряд в вакууме на поверхности диэлектриков.// ЖЭТФ 2001, т.119, в. 6, С. 113-1142.

14А. Голубев С.В., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин С.В., Суворов Е.В., Токман М.Д. Экспериментальное исследование начальной стадии ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке, поддерживаемого излучением миллиметрового диапазона длин волн. // Препринт № 386 ИПФ РАН. Нижний Новгород. 1995. 19 С.

15А. Голубев С.В., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин С.В., Суворов Е.В., Токман М.Д. ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения. // Физика плазмы. 1996. Т. 22. № 11. С. 1007-1011.

16А. Golubev S.V., Zorin V.G., Plotnikov I.V., Razin S.V., Tokman M.D. Experimental investigation of initial stage of ECR discharge sustained by millimeter wavelength radiation in mirror trap. II Proceedings of Simposium'92 of Research Center for Ultra High Energy Density Heat Source. 1992. Osaka. Japan. P. 17-22.

17A. Golubev S.V., Plotnikov I.V., Razin S.V., Suvorov E.V., Tokman M.D., Zorin V.G. Experimental Investigation of Initial Stage of ECR Discharge Sustained by Millimeter Wavelength Radiation in Mirror Trap. // Proceedings of the International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 1994. V. 1. P. 387-392.

18A. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Зорин В.Г., Разин С.В., Сидоров А.В., Скалыга В.А., Шалашов А.Г. Динамика СВЧ разряда в магнитном поле в условиях сильной предварительной ионизации газа. Радиофизика, Т. XLVI, № 8-9, 2003, С. 822 - 829.

19А. Водопьянов А.В., Голубев С.В., Зорин В.Г., Разин С.В., Шилов М.А. Параметры плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда в открытой магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. В. 14. С. 90-94.

20А. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smirnov A.N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Formation of multicharged ions and plasma stability at quasigasdynamic plasma confinement in a mirror magnetic trap. // Review of Scientific Instruments. 2000. V. 71. N. 2. P. 669-671.

21A. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smirnov A.N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Formation of multicharged ions at quasigasdynamic plasma confinement in a mirror magnetic trap. // Proceedings of the 14th International Workshop on ECR Sources "ECRIS'99". CERN. Geneva. Switzerland. 1999. P. 195-197.

22A. Semenov V., Skalyga V., Smirnov A., Zorin V. Scaling for ECR Sources of Multicharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz. Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73, #2, P. 635 - 637.

23A. Golubev S., Mansfeld D., Skalyga V., Vodopyanov A., Razin S., Murugov V., Senik A., Kravchenko A., Litvin D., Misko V., Petrov S., Geller R., Lamy Т., Sortais P., Thuillier Т., Zorin V. ECR Ion Sources: Recent Developments. Proceedings of the 5-th International Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod, Russia, 2003, V. 2, P. 618-630.

24A. Skalyga V., Zorin V. Multicharged ion Generation in Plasma Confined in a CUSP magnetic trap at Quasigasdynamic Regime. Abstr. of the 16th International Workshop on ECR Ion Sources (ECRIS'04), #23. Lawrence Berkeley National Laboratory, USA, September 2004, P. 112-115.

25A. Golubev S.V., Izotov I.V., Razin S.V., Skalyga V.A., Vodopyanov A.V., Razin S.V., Zorin V.G. Multicharged Ion Generation in Plasma Created by Millimeter Waves and Confined in a CUSP Magnetic Trap. Transactions of Fusion Science and Technology, 2005, V. 47, N. IT - 8, P. 345-347.

26A. Быков Ю.В., Голубев C.B., Еремеев А.Г., Зорин В.Г. Электронно-циклотронный разряд, поддерживаемый СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн. Труды II Всесоюзной совещания " СВЧ разряд в волновых полях " (Куйбышев, 1989) С. 62.

27А. Быков Ю.В., Еремеев А.Г., Голубев С.В., Зорин В.Г. ЭЦР разряд, поддерживаемый излучением миллиметровых волн. Физика Плазмы, 1990, Т.16, С. 487-489.

28А. Bouly J.L., Curdy J.C., Geller R., Golubev S.V., Lacoste A., Lamy Т., Sole P., Sortais P., Razin S.V., Vieux-Rochaz J.L., Thuillier Т., Vodopyanov A.V., S.V. Razin, Zorin V.G. High current density production of multicharged ions with ECR plasma heated by gyrotron transmitter. Review of Scientific Instruments, 2002, V. 73, N 2, part II, P. 528 -530.

29A. Golubev S.V., Razin S.V., Sidorov A.V., Skalyga V.A., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge. Review of Scientific Instruments, 2004, V. 75, Issue 5, P. 1675-1677.

30A. А.Ф. Боханов, В.Г. Зорин, И.В. Изотов, С.В. Разин, А.В. Сидоров, В. А. Скалыга. Создание плотных потоков многозарядных ионов из ЭЦР источника на базе ловушки со встречными полями с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы. Физика плазмы, 2007, Т. 33, № 4.

31А. Голубев С.В., Зорин В.Г., Платонов Ю.Я., Разин С.В. Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда, поддерживаемого пучком миллиметровых волн // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. В. 4. С. 7-11.

32А. Golubev S.V., Platonov Yu.Ya., Razin S.V., Zorin V.G. Soft X-Ray Emission from Millimeter-Wave Electron-Cyclotron Resonance Discharge // Journal of X-ray Science and Technology. 1996. V. 6. P. 244-248.

ЗЗА. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Зорин В.Г., Крячко А.Ю., Лопатин А.Я., Лучин В.И., Разин С.В., Смирнов А.Н. Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжёлых газах, поддерживаемый мощным микроволновым пучком в магнитной ловушке, как источник мягкого рентгеновского излучения. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. В. 24. С. 7-12.

34А. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Zorin Y.G., Kryachko A.Yu., Lopatin A.Yu., Luchin Y.I., Razin S.V., Smirnov A.N. Mirror-Trapped Plasma Heated by High-Power Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays. // Japanese Journal of Applied Physics. 2001. V. 40. N. 2B. Pt. l.P. 1016-1017.

35A. Golubev S.V., Luchin V.I., Razin S.V., Salashchenko N.N., Smirnov A.N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Mirror-Trapped Plasma Heated by Powerful Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays. // Proceedings of the International Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 2000. V.l.P. 356-361.

36A. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Zorin V.G., Kryachko A.Yu., Lopatin A.Yu., Luchin V.I., Razin S.V., Smirnov A.N. Mirror-Trapped Plasma Heated by High-Power Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays. // Proceedings of the 13th International Conference on High-Power Particle Beams "Beams 2000". Ed. by K. Yatsui and W. Jiang. Nagaoka. Japan. 2000. V. 1. P. 155-157.

37A. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smirnov A.N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Sources of Soft X-rays and Multicharged Ions Based on ECR Discharge in Heavy Gases Sustained by High-Power Gyrotron Radiation. // Proceedings of the International Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 2000. V. 1. P. 347-355.

38A. Водопьянов A.B., Голубев С.В., Зорин В.Г., Разин С.В., Субботин А.Н., Усенко П.Л. Рентгеновское изображение плазмы импульсного ЭЦР разряда, поддерживаемого миллиметровым излучением гиротрона. // Препринт № 568 ИПФ РАН. Нижний Новгород. 2001. И С.

39А. Abramova К.В., Smirnov A.N., Voronin A.V., Zorin V.G. Tornado type closed magnetic trap for an ECR ion source. Proceedings of 14th Int. Workshop on ECR Sources ECRIS'99. CERN, Geneva, Switzerland, 3-6 May, 1999.

40A. Абрамова К.Б., Зорин В.Г., Смирнов A.H., Воронин А.В., Разин С.В. Закрытая магнитная ловушка типа Торнадо для ЭЦР источника ионов. Review of Scientific Instruments. 2000. V.71, N.2, Pt.2, p. 921-923.

41 A. Abramova K.B., Smirnov A.N., Voronin A.V., Zorin. V.G. Review of Scientific Instruments. // 2000, V.71 (2), P.921.

В заключение автор пользуется случаем, чтобы выразить глубокую благодарность коллегам, с которыми вместе работал и которые внесли вклад в исследования, описанные в диссертации.

Будучи руководителем моей диссертации на соискание ученой степени кандидата физ.-мат. наук, А.Г. Литвак сыграл существенную роль в формировании моего научного мировоззрения.

Моя особая благодарность профессору С.В. Голубеву. Мы проработали вместе с ним в течение почти 30 лет, большая часть моих научных работ написана в соавторстве с Сергеем Владимировичем. Его постоянная заряженность на поиск нового в любом, на первый взгляд скучном, исследовании очень плодотворна.

Практически во всех моих работах, связанных с созданием моделей, описывающих наблюдаемые эксперименты, принимал участие профессор В.Е. Семёнов.

Выражаю большую благодарность моим коллегам, Ю.Я. Бродскому, Г.М. Фрайману, А.В. Киму, С.В. Разину, А.В. Водопьянову, В.А. Скалыге, А.И. Сидорову, Д.А. Мансфельду, А.Ф. Боханову, М.Ю. Казакову.

Работа по исследованию разряда при высоком давлении газа проводились в тесном сотрудничестве с коллективом сотрудников ИОФ РАН под руководством И.А. Коссова. Сотрудничество было чрезвычайно полезным для нас. В частности, именно И.А. Коссый впервые высказал идею о существенном вкладе в развитие СВЧ разряда ультрафиолетового излучения плазмы. Эта идея получила подтверждение в экспериментальных работах автора, описанных в 1-й главе.

Считаю необходимым отметить важную роль, которую сыграли мои французские коллеги, прежде всего П. Сорте (P. Sortais) и Р. Желлер (R. Geller), в работах над ЭЦР источниками многозарядных ионов.

В некоторые исследования, описанные в диссертации, внесли вклад сотрудники других российских институтов: Физико-технического института им А.Ф. Иоффе, Всесоюзного научно-исследовательского института технической физики, Всесоюзного научно-исследовательского института экспериментальной физики, Института теоретической и экспериментальной физики, Института общей физики РАН, а также иностранных институтов: LPSC (Гренобль, Франция), GSI (Дармштадт, Германия), Университета города Осака (Япония), Университета города Нагаока (Япония).

Заключение диссертации по теме "Физика плазмы"

Основные результаты работы.

1. Экспериментально обнаружен и исследован протяжённый плазменный ореол, образующийся вокруг СВЧ разрядов в воздухе при высоких давлениях. Установлено, что плазма создается в результате фотоионизации молекулярного кислорода линейчатым излучением атомов кислорода, образующихся в разряде. Длина волны линии ионизирующего излучения равна 102,57 нм (энергия кванта 12,087 эВ) и о л соответствует переходу с уровня 3d D в основное состояние, характерная величина

12 3 плотности плазмы в ореоле составляет 10 см" . Определены условия, при которых предложенный механизм играет определяющую роль в образовании плазменного ореола.

2. Показано, что распространение как термического, так и неравновесного инициированного СВЧ разрядов высокого (близкого к атмосферному) давления в воздухе навстречу СВЧ волне с высокой плотностью потока энергии определяется фотоионизационным механизмом. Построена качественная модель фотоионизационного механизма. Основную роль в динамике разряда играет плазменный ореол, созданный ультрафиолетовым излучением разряда, поглощение СВЧ излучения в котором обеспечивает нагрев газа, необходимый для стационарного движения разряда.

3. Установлено, что в области давлений газа Ю-2 Тор < Р < 2-Ю"1 Тор, при которых частота столкновений электронов много меньше частоты СВЧ поля и диффузионные потери плазмы являются основными потерями, поддержание и распространение разряда навстречу СВЧ волне в полях допробойной амплитуды обусловлено наличием в разряде области плазменного резонанса, в которой происходит значительное усиление нормальной компоненты электрического поля СВЧ пучка.

4. Найдены динамические закономерности и выяснены особенности возникновения плотной плазмы около диэлектрической мишени в вакууме при облучении ее электромагнитной волной с плотностью потока СВЧ энергии на уровне десятков мегаватт через квадратный сантиметр. За счет СВЧ пробоя испаренного с мишени тонкого слоя вещества образуется существенно неравновесная плазма с плотностью

16 3 вплоть до 10 см" , содержащая фракцию многозарядных ионов.

5. Экспериментально определены условия ЭЦР пробоя газа (воздуха) в прямой осесимметричной магнитной ловушке с продольным вводом СВЧ пучка миллиметрового диапазона длин волн при различных давлениях газа и величинах магнитного поля ловушки. Полученные экспериментальные результаты свидетельствуют о реализации суперадиабатического ЭЦР взаимодействия электронов с СВЧ волной на начальном этапе развития разряда.

6. Экспериментально продемонстрирована возможность создания и поддержания сильно ионизованной плазмы в ловушке с малым магнитным полем (его максимальная величина меньше значения, соответствующего электронно-циклотронному резонансу) с помощью электромагнитного излучения, интенсивность которого ниже пробойного уровня. Необходимым условием образования разряда является сильная предварительная ионизация газа. Построена качественная аналитическая модель развития разряда, описывающая наблюдаемые эффекты и дающая корректные оценки его параметров. Она учитывает нагрев электронов СВЧ полем за счет кулоновских столкновений с ионами затравочной плазмы (которые происходят существенно чаще, чем столкновения электронов с нейтральными частицами газа), ионизацию газа и продольные потери плазмы из ловушки. Найдены условия существования устойчивого стационарного состояния плазмы с ненулевой концентрацией электронов.

7. Реализован квазигазодинамический режим удержания плотной неравновесной плазмы в магнитной ловушке при мощном ЭЦР нагреве электронной компоненты. В таком режиме частота столкновений электронов больше обратного времени вытекания плазмы из ловушки, а температура электронов существенно превышает температуру ионов. Показана возможность создания в этом случае квазистационарных потоков плазмы многозарядных ионов с высокой плотностью ионного тока (более 1 А/см2).

8. Предложено использовать магнитные ловушки с квазигазодинамическим режимом удержания плазмы при мощном ЭЦР нагреве в качестве сильноточных источников многозарядных ионов (газодинамические ЭЦР источники). Показана возможность формирования пучков многозарядных ионов как с высоким током (десятки миллиампер), так и с высокой яркостью (более 0,4 А/тгмм-мрад). Предложен алгоритм оптимизации газодинамических ЭЦР источников.

9. Показано, что мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда в магнитной ловушке является линейчатым излучением многозарядных ионов. Эффективность преобразования СВЧ излучения в рентгеновское, а также мощность рентгеновского излучения увеличиваются с увеличением частоты СВЧ накачки. Проведены измерения интенсивности электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 65 - 170 А из разряда в зеркальной магнитной ловушке с ЭЦР нагревом плазмы на частоте 37,5 ГГц. Интегральная мощность излучения достигала 15 кВт, а эффективность преобразования СВЧ излучения в излучение указанного выше диапазона превышала 10 % .

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Зорин, Владимир Гурьевич, Нижний Новгород

1. Гуляев Ю.В., Яфаров Р.К. Микроволновое ЭЦР вакуумно-плазменное воздействие на конденсированные среды в микроэлектронике (физика процессов, оборудование, технология). // Зарубежная электронная техника. 1997. № 1. С. 77120.

2. Asmussen J., Grotjohn Т.А., PengUn Mak et. al. The design and application of electron cyclotron resonance discharges. // IEEE Transactions on plasma science. 1997. V. 25. N. 6. P. 1196-1221.

3. Орликовский A.A. Плазменные процессы в микро- и наноэлектронике. Часть 2. Плазмохимические реакторы нового поколения и их применение в технологии микроэлектроники. //Микроэлектроника. 1999. Т. 28. № 6. С. 415-426.

4. Путря М.Г. Методология разработки процессов формирования трёхмерных структур СБИС плазменными методами. //Изв. вузов. Электроника. 2001. № 1. С. 5-13.

5. Matsuoka М., Опо К. Ion extraction from microwave plasma excited by ordinary and extraordinary waves and applications to the sputtering deposition. // Journal of Vacuum Science and Technology A. 1991. V. 9. N. 3. P. 691-695.

6. Watanabe Т., Yamamoto K., Tsuda O. et. al. Synthesis of amorphous carbon films by plasma-based ion implantation using ECR plasma with a mirror field. // Surface & Coatings Technology. 2002. V. 156. N. 1-3. P. 317-321.

7. Matsuda K., Tanjyo M. Ion sources for implantation. // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 901-904.

8. Sekiguchi M. Summary of 12 th international ECRIS workshop. 1995. // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 4. P. 1606-1613.

9. Mandl S., Manova D., Rauschenbach B. Balancing incident heat and ion flow for process optimization in plasma based ion implantation. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2002. V. 35. N. 11. P. 1141-1148.

10. Dudnikov V.G. Review of high brightness ion sources for microlithography. // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 915-920.

11. Данилин B.C., Киреев В.Ю. Применение низкотемпературной плазмы для травления и очистки материалов. М.: Энергоатомиздат, 1987. -264с.

12. Suriki К., Ninomiya К., Nishimatsu S. Microwave plasma etching.// Vacuum technology applicathion and ion physics. 1984. - v.34, №10/11. - P.953-957.

13. Плазменная технология производства СБИС. // Пер. с англ. Под ред. Н.Айспрука Н., Брауна Д. -М.: Мир, 1987. 157с.

14. Полак Л.С., Овсянников А.А., Словецкий Д.И., Вурзель Ф.Б. Теоретическая и прикладная плазмохимия М.: Наука, 1975. - 304с.

15. Русанов JI.C., Фридман А.А. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984.-415 с.

16. Блинов J1.M., Володько В.В., Гонтарев Г.Г., Лысов Г.В., Полак JI.C. Сверхвысокочастотные плазмотроны, их характеристики и область применения.//Сб. Генераторы низкотемпературной плазмы -М.: Энергия, 1969. -326с.

17. Газовые лазеры.//Пер. с англ./ Под ред. И.Мак-Даниеля и У.Нигена. М.: Мир, 1986.-552с.

18. Велихов Е.П., Письменный В.Д., Рахимов А.Т. Несамостоятельный газовый разряд, возбуждающий непрерывные СО2 лазеры. // УФН. 1977. - Т. 122, вып.З. -с.419-448.

19. Гордиец Б.Ф., Осипов А.И., Шелепин JI.A. Кинетически процессы в газах и молекулярные лазеры. М.: Наука, 1980. - 512с.

20. Голубев B.C., Лебедев Ф.В. Физические основы технологических лазеров// Лазерная техника и технология. Т.1 М.: Высш.шк., 1987. - 191с.

21. Geller R. ECRIS closing remarks. // Journal de Physique. 1989. Colloque CI. Suppl. N 1. V. 50. P. 887-892.

22. Geller R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas. // Institute of Physics. Bristol. 1996. 434 P.

23. Голованивский К. С., Дугар-Жабон В. Д. Ионные источники на основе электронного циклотронного резонанса (обзор). // Приборы и техника эксперимента. 1991. № 4. С. 8-18.

24. Dandl R.A., England А.С., Ard W.B. et. al. Properties of a high-beta plasma produced by electron-cyclotron heating. //Nuclear Fusion. 1964. Y. 4. P. 344-353.

25. Ikegami H., Ikezi H., Hosokawa M. et. al. Shell structure of a hot-electron plasma. // Physical Review Letters. 1967. V. 19. N. 14. P. 778-781.

26. Будников B.H., Виноградов Н.И., Голант B.E. и др. Исследование плазмы, созданной СВЧ полем в режиме циклотронного резонанса. // Журнал технической физики. 1967. Т. 37. №5. С. 851-856.

27. Аликаев В.В., Бобровский Г.А., Позняк В.И. и др. Нагрев плазмы в токамаке ТМ-3 на электронно-циклотронном резонансе при магнитных полях до 25 кЭ. И Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. 3. С. 390-395.

28. Димов Г.И., Закайдаков В.В., Кишиневский М.Е. Термоядерная ловушка с двойными пробками. // Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. 4. С. 597-610.

29. Аликаев В.В. ВЧ и СВЧ методы нагрева плазмы. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1981. Т. 1. Ч. 2. С. 80-99.

30. Аликаев В.В., Литвак А.Г., Суворов Е.В., Фрайман А.А. Электронно-циклотронный нагрев плазмы в тороидальных системах. / В кн. : Высокочастотный нагрев плазмы. / Горький : ИПФ АН СССР. 1983. С. 6-70.

31. Бочаров В.Н., Завадский Н.А., Киселёв А.В. и др. Генерирование плазмы в открытой ловушке на ЭЦР при осевом распространении волны. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 1985. Вып. 3. С. 64-70.

32. Демехов А.Г., Ерёмин Б.Г., Костров А.В., Суворов Е.В., Фрайман А.А., Чеканов A.JL, Шагиев Ю.М. Исследование плазмы, создаваемой в прямой магнитной ловушке при циклотронном СВЧ пробое. // Препринт № 146 ИПФ АН СССР. Горький. 1986. 39 С.

33. Панов Д.А. Амбиполярные открытые ловушки. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1988. Т. 8. С. 5-48.

34. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. // М.: Энергоатомиздат. 1991. 528 С.

35. Geller R., Jacquot В., Sortais P. The upgrading of the multiply charged heavy-ion source Minimafios. // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 1986. V. A243. P. 244-254.

36. Arata Y., Miyake S., Kishimoto H. Properties of ECR plasma in a simple mirror field. // Japanese Journal of Applied Physics. 1987. V. 26. N. 12. P. 2079-2085.

37. Arata Y., Miyake S., Kishimoto H. et. al. Production of ECR mirror plasma by high power millimeter-wave radiation. // Japanese Journal of Applied Physics. 1988. V. 27. N. 7.P. 1281-1286.

38. Booske J.H., Aldabe F.A., Ellis R.F., Getty W.D. Modeling of an electron cyclotron resonance heated mirror plasma for highly charged ion and soft x-ray sources. // Journal of Applied Physics. 1988. V. 64. N. 3. P. 1055-1067.

39. Grubling P., Hollandt J., Ulm G. The Electron Cyclotron Resonance Light Source Assembly of PTB-ELISA. // Proceeding of the 14th International Workshop on ECR Sources. CERN. Geneva. Switzerland. 1999. P. 54-57.

40. Chauhan S.S., Rajyaguru C.C., Ito H. et. al. Electron cyclotron resonance light source from TEon mode microwave plasma. // Review of Scientific Instruments. 2001. V. 72. N. 12. P. 4344-4347.

41. Bollanti S., Albertano P., Belli M. et. al. Soft X-ray plasma source for atmospheric-pressure microscopy, radiobiology and other applications. // Nuovo Cimento. 1998. V. 20D. N. 11. P. 1685-1701.

42. Шевелько А.П., Якушев О.Ф. Интенсивный источник мягкого рентгеновского и ВУФ излучения на основе плазмы капиллярного разряда. // Материалы совещания "Рентгеновская оптика-2002". Нижний Новгород. 2002. С. 72-78.

43. Juschkin L., Chuvatin A., Zakharov S. et. al. EUV emission from Kr and Xe capillary discharge plasmas. // Journal of Physics D: Applied Physics. 2002. V. 35. N. 3. P. 219227.

44. Нагорный В.И., Нефедов Ю.Я., Усенко П.Л. Источник импульсных потоков моноэнергетического мягкого рентгеновского излучения. // Приборы и техника эксперимента. 1996. № 1. С. 137-141.

45. Bijkerk F., Shmaenok L., van Honk A. et. al. Laser plasma sources for soft X-ray projection lithography. // Nanometer-scale methods in X-ray technology. Journal de Physique. 1994. V. 4. N 9. P. 1669-1677.

46. Зорев H.H. Перспективы проекционной рентгеновской литографии. // Рентгеновская оптика. Труды ФИАН. 1989. Т. 196. С. 129-142.

47. Валиев К.А. Физика субмикронной литографии. // М.: Наука. 1990. 528 С.

48. Моро У. Микролитография. Ч. 1. //Пер. с англ. М.: Мир. 1990. 605 С.

49. Райзер Ю.П. Лазерная искра и распространение разрядов. -М.: Наука, 1974, 308с.

50. Батанов Г.М., Коссый И.А., Лукьянчиков Г.С. Несамостоятельный СВЧ разряд и возможности его использования в лазерной технике. ЖТФ, 1980. т.50, вып. 2, с. 346 349.

51. Бродский Ю.Я., Венедиктов Н.П., Голубев С.В., Зорин В.Г. и др. Экспериментальное исследование неравновесного СВЧ разряда при атмосферном давлении в воздухе.// Письма в ЖТФ. 1984. -Т.10, вып.З. - С.187-190.

52. Bogatov N.A., Gitlin M.S., Golubev S.V., Rasin S.V. Investigation of instability of a microwave non-selp-sustained discharge.// Abstract VIII ESCAMPIG-Greifsward. -1986.-P.384-385.

53. Попонин В.П., Шанский В.Ф. Импульсные СОг лазеры с несамостоятельным разрядом. JL: Аврора, 1976. - 15с.

54. Грицинин С.И., Коссый И.А., Тарасова Н.М. Несамостоятельный СВЧ разряд в азоте при высоком давлении.// Тез.докл. 2-е Всесоюзное совещ. по физике электрического пробоя газов. Тарту, ТГУ. - 1984. - С.431-434.

55. Грицинин С.И., Коссый И.А., Силаков В.П., Тарасова Н.М., Терёхин В.Е. Неустойчивость несамостоятельного СВЧ разряда в азоте. Москва. 1986. - 19с. (Препринт ИОФ АН СССР, №14).

56. Грицинин С.И., Коссый И.А., Силаков В.П., Тарасова Н.М., Терёхин В.Е. Несамостоятельный СВЧ разряд в азоте при высоком давлении.// ЖТФ. 1987. -Т.57, вып.4. - С.681-686.

57. Beust W., Ford W.L. Arcing in CW/ transmitters.// Microwave J.MMT. 1961. V.4, n.10. -P.91-96.

58. Батенин B.M., Зродников B.C., Климовский И.И., Цемко Н.И. О механизме распространения сверхвысокочастотного разряда в воздухе.// ЖЭТФ. 1972. -Т.62, вып.9. - С.854-860.

59. Райзер Ю.П. Распространение сверхвысокочастотного разряда высокого давления.//ЖЭТФ, 1971. Т.61, вып.1. -С.222-231.

60. Е.В. Суворов, М.Д. Токман. К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе. // Препринт ИПФ АН СССР №194. 1988 г.

61. Батанов Г.М., Грицинин С.И., Коссый И.А., Силаков В.Н., Тарасова Н.М. СВЧ разряды высокого давления. Труды ФИАН. 1985, т. 160, с. 174 203.

62. Богатов Н.А., Бродский Ю.Я., Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г., Еремеев А.Г. Высокотемпературная обработка диэлектриков плазмой газового разряда. Авт. Свид. 4213864/25 от 18.07.1988 г.

63. Васюгинский С.С., Кружалов В.А., Перганок Т.М. и др. Импульсный СВЧ разряд как способ возбуждения С02 лазера.// ЖТФ, 1978. т.48, вып. 2, с 310 324.

64. Диденко А.Н., Петров В.М., Слинько В.Н. и др. Эксимерный лазер, возбуждаемый сильноточным релятивистским СВЧ генератором. // Письма в ЖТФ, 1986. т. 12, вып. 20, с 1245-1250.

65. Диденко А.Н., Прохоров A.M., Слинько В.Н. и др. О накачке ультрафиолетового лазера мощным излучением релятивистчкого СВЧ генератора. // ДАН СССР, 1988, т. 3, №6, с. 1363- 1367.

66. Бабин А.А., Вихарев A.JL, Гинзбург В.А. и др. Азотный лазер, возбуждаемый свободно локализованным СВЧ разрядом. // Письма в ЖТФ, 1988. т. 15, вып. 20, с 31-34.

67. Быков. Ю.В. Голубев С.В. Гольденберг A.JI. Зорин. В.Г. Об использовании разряда, поддерживаемого мощным электромагнитным излучением диапазона миллиметровых волн в плазмохимии. //ЖТФ, 1984. т.54, вып. 4, с 723 726.

68. Быков. Ю.В. Диссоциация кислорода и образование озона в самостоятельном СВЧ разряде. //ХВЭ, 1984. т. 18, вып. 4, с 347 353.

69. Быков. Ю.В. Голубев С.В., Семенов Е.В. Неравновесный СВЧ плазмотрон высокого давления. // ЖТФ, 1988. т.58, вып. 2, с 413 416.

70. Грицинин С.И., Колик JI.B., Коссый И.А. и др. Разряд высокого давления в пучке СВЧ волн и его плазмохимическне приложение. // ЖТФ, 1988. т.58, вып. 12, с 2293-2300.

71. Askatjan G.A., Batanov G.M., Gritsinin S.I. et al. Gas microwave discharge action on stratosphere // Abstracts IX ESCAMPIG Lisbon, 1988, p. 59 60.

72. Васильева A.H., Гришина И.А., Ковалёв A.C., Ктиторов В.И., Рахимов А.Т., Розанов С.Б. Несамостоятельный высокочастотный разряд в газе./ЛТисьма в ЖТФ. 1980. -Т.6, №9. - С.551-555.

73. Батанов Г.М., Коссый И.А., Лукьянчиков Г.С. Несамостоятельный СВЧ разряд и возможности его использования в лазерной технике .//ЖТФ. 1980.Т. 50. Вып. 2. С. 346-349.

74. Быков Ю.В., Еремеев А.Г. Возможности технологического использования мощного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн.//

75. Высокочастотный разряд в волновых полях./ ИПФ АН СССР. Горький, 1988. -С.265-289.

76. Патон Б.Е., Скляревич В.Е., Шмелёв М.В. Особенности применения электромагнитного излучения миллиметрового диапазона для нагрева материалов при сварке и других видах обработки.//Автоматическая сварка. 1987. - Т.5. -С.1-13.

77. Поюровская И.Е., Трибельский М.И., Фишер В.И. О волне ионизации, поддерживаемой мощным монохроматическим излучением.// ЖЭТФ. 1982. -Т.82, №6. - С.1840-1852.

78. Бункин Ф.В., Кононов В.И., Прохоров А.И., Фёдоров В.Б. Лазерная искра в режиме «медленного горения».// Письма в ЖЭТФ, 969. Т.9, №11. - С.609-612.

79. Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г. и др. О новом механизме газодинамического распространения разряда.// ЖЭТФ. 1983. - Т.84, вып. -С. 1695 - 1702.

80. Бородачёва Т.В., Семёнов В.Е. Электродинамика фотоионизационного механизма газодинамического распространения СВЧ разряда.// ЖТФ. 1985. Т.55, вып.9. -С.1743-1747.

81. Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г. Генерация неравновесной плазмы в мощном СВЧ разряде.// Тез докл. Всесоюзного симпоз.по плазмохимии. -Днепропетровск, 1984. С.70-71.

82. Голубев С.В., Грицинин С.И., Зорин В.Г.,Коссый И.А., Семенов В.Е. СВЧ разряд высокого давления в пучках электромагнитных волн.// Высокочастотный разряд в волновых полях.// ИПФ АН СССР. Горький, 1988. - С.136-197.

83. Golubev S.Y., Plotnikov I.V., Razin S.V., Suvorov E.V., Tokman M.D., Zorin V.G. Experimental Investigation of Initial Stage of ECR Discharge Sustained by Millimeter Wavelength Radiation in Minor Trap. // Proceedings of the International Workshop

84. Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 1994. V. l.P. 387-392.

85. Голубев С.В., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин С.В., Суворов Е.В., Токман М.Д. ЭЦР-пробой разреженного газа в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения. // Физика плазмы. 1996. Т. 22. № 11. С. 1007-1011.

86. Суворов Е.В., Токман М.Д. К теории СВЧ пробоя разреженного газа в адиабатической магнитной ловушке при электронно-циклотронном резонансе. // Физика плазмы. 1989. Т. 15. Вып. 8. С. 934-943.

87. Пастухов В.П. Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках. // Вопросы Теории Плазмы. Вып. 13. М.: Энергоатомиздат. 1984. С. 160-204.

88. Рютов Д.Д. Открытые ловушки. // Успехи Физических Наук. 1988. Т. 154. Вып. 4. С. 565-614.

89. В. Мирнов, Д. Рютов, Итоги науки и техники, серия "Физика плазмы", т.8, 1988, с. 84.

90. Голубев C.B., Зорин В.Г., Платонов Ю.Я., Разин С.В. Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда, поддерживаемого пучком миллиметровых волн // Письма в ЖТФ. 1994. Т. 20. Вып. 4. С. 7-11.

91. Golubev S.Y., Platonov Yu.Ya., Razin S.V., Zorin Y.G. Soft X-Ray Emission from Millimeter-Wave Electron-Cyclotron Resonance Discharge // Journal of X-ray Science and Technology. 1996. V. 6. P. 244-248.

92. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Зорин В.Г., Крячко А.Ю., Лопатин А.Я., Лучин

93. В.И., Разин С.В., Смирнов А.Н. Электронно-циклотронный резонансный разряд в тяжёлых газах, поддерживаемый мощным микроволновым пучком в магнитной ловушке, как источник мягкого рентгеновского излучения. // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. Вып. 24. С. 7-12.

94. K.B. Abramova, A.N. Smirnov, A.V. Voronin, V.G. Zorin. Tornado type closed magnetic trap for an ECR ion source. Proceedings of 14th Int. Workshop on ECR Sources ECRIS'99. CERN, Geneva, Switzerland, 3-6 May, 1999.

95. К.Б. Абрамова, В.Г. Зорин, А.Н. Смирнов, А.В. Воронин, С.В. Разин. Закрытая магнитная ловушка типа Торнадо для ЭЦР источника ионов. Review of Scientific Instruments, V.71,N.2, Pt.2, p. 921-923, 2000.

96. Новикова К.П., Ульянов K.H. Зондовая диагностика нестационарной плазмы при высоких давлениях.// Физика плазмы. 1978. -Т.4, вып.1. - С. 144-150.

97. Акшиев Ю.С., Напартович А.П. О зондовых измерениях в тлеющем разряде при повышенном давлении.// ДАН СССР. 1978. -Т.242, вып.4. - С.931-936.

98. Mayhan J.Т. De-Vore R.V. Interaction of intense RF field with heated air.// J.Appl.Phys. 1968. V.39, №12. -P.5746-5753.

99. Mayhan J.T. et al. Comparison of various microwave breakdown prediction models.// J.Appl.Phys. 1978. V.42, №13. -P.5362-5374.

100. А. Мак-Дональд. Сверхвысокочастогный пробой в газах. -М.: Мир, 1969. 213с.

101. Гайсин Ф.М., Даутов Г.Ю., Мингулов A.M. Применение линии лехера для исследования концентрации электронов в слабоионизованной плазме.// Тез.докл. Всесоюзной школы-конф.молодых учёных по физике плазмы. Харьков, 1977. -С.127.

102. Бреховских А.В. Волны в плоскослоистых средах. М.: Наука, 1962. - 350с

103. Ковалёв Н.Ф., Резников Н.Г., Слуцкер Я.З. Волноводный фильтр-пробка. // Приборы и техника эксперимента. 1979. № 1. С. 120-122.

104. Handbook of diffraction gratings ruled and holographic.// Jobin von division d'Instruments. S.A. France, 1979. P.6.

105. Акимов Ю.К., Игнатьев O.B., Калинин А.И. и др. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. //М.: Энергоатомиздат. 1989. 344 С.

106. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики. // М.: Энергоатомиздат. 1985. 488 С.

107. Гапонов С.В., Гусев С.А., Платонов Ю.Я., Салащенко Н.Н., Глускин Е.С. Сферические и плоские многослойные зеркала нормального падения для мягкого рентгеновского излучения. //Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 4. С. 208-213.

108. Гапонов С.В., Грудский А.Я., Гусев С.А., Платонов Ю.Я., Салащенко Н.Н. Многослойные дисперсионные элементы для мягкого рентгеновского излучения. // Журнал Технической Физики. 1985. Т. 55. Вып. 3. С. 575-579.

109. Виноградов А.В., Кожевников И.В. Многослойные рентгеновские зеркала. // Рентгеновская оптика. Труды ФИАН. 1989. Т. 196. С. 62-102.

110. Мишетт А. Оптика мягкого рентгеновского излучения. // М.: Мир. 1989. 351 С.

111. Andreev S.S., Gaponov S.V., Salashchenko N.N. et. al. Multilayer optics for x-ray and y-radiation. // Proceedings of SPIE. 1998. V. 3406. P. 45-69.

112. Гапонов C.B., Дубров B.B., Забродин И.Г., Кузьмичев А.И., Лускин Б.М., Салащенко Н.Н. Многослойные зеркала нормального падения на диапазон длин волн 125-200 А. // Письма в ЖТФ. 1987. Т. 13. Вып. 4. С. 214-218.

113. Виноградов А.В., Кожевников И.В. Оптика мягкого рентгеновского диапазона: состояние и проблемы. // Рентгеновская оптика. Труды ФИАН. 1989. Т. 196. С. 417.

114. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. // М.: Наука. 1992. Т. 8. 661 С.

115. Ландсберг Г.С. Оптика. // М.: Наука. 1976. 926 С.

116. Henke B.L., Lee P., Tanaka T.J. et. al. Low energy X-ray interaction coefficients: photoabsorption, scattering and reflection. // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1982. V. 27. P. 1-144.

117. Henke B.L., Gullikson E.M., Davis J.C. X-ray interaction: photoabsorption, scattering, transmission and reflection at E = 50-30000 eV. // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1993. V. 54. № 2. P. 181-342.

118. Батенин B.M., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. СВЧ-генераторы плазмы: физика, техника, применение. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 224с.

119. Буфетов И.А., Прохоров А.И., Фёдоров В.Б., Фомин В.К. Газодинамика медленного светового горения воздуха в луче неодимого лазера.// Письма в ЖЭТФ. 1980. Т.32, вып.4. - С.281 -285.

120. Light G.C., Taylor Е.С. Microwave breakdown in high temperature air.// J.Appl.Phys. -1968. V.39, №3. -P. 1591-1597.

121. Легасов B.A., Азизов Р.И., Бутылкин Ю.П. и др. Оптимизация процесса получения водорода в углекислотном двухстадийном цикле.// Вопр.атом.науки и техн./ Сер.Ат.-водородная энергетика. 1981. вып.1 (8). - С.13-21.

122. Животов В.И., Русанов В.Д., Фридман А.А. Диссоциация углекислого газа в неравновесной плазме.// Химия плазмы./ Под ред.Смирнова Б.М. М.: Энергоиздат, 1982, вып.9. - С.206-236.

123. Еремеев А.Г., Семёнов В.Е. О нарушении стационарного движения фронта ионизации неравновесного СВЧ разряда высокого давления.// Физика плазмы. -1987. Т. 13, вып.З. - С.362-365.

124. Мнацаканян А.Х., Найдис Г.В., Сизых С.В. О распространении СВЧ разряда в воздухе.// Кр.сообщ.по физике, 1985, №4. С. 15-18.

125. Седов Л.И. Методы подобия и размерностей в механике. М.: Наука, 1977.

126. Богатов Н.А., Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г. и др. Быстрая волна ионизации, возбуждаемая в газовой среде электромагнитным лучом.// Краткие сообщения по физике. Москва, 1984. №9. - С.32-35.

127. Гильденбург В.Б., Ким А.В. Ионизационно-перегревная неустойчивость в поле электромагнитной волны.// Физика плазмы, 1980, т.6, в. 4, с. 904 909.

128. Ким А.В. Фрайман Г.М. О нелинейной стадии ионизационно-перегревной неустойчивости в высокочастотном разряде высокого давления.// Физика плазмы. 1983. - Т.9, вып.5. - С.613-617.

129. Батанов Г.М., Бережецкая Н.К., Бровкин В.Г., Диянов Х.А., Коссый И.А.// Радиоэлектроника. 1978. - вып. 16.-С. 17-23.

130. Грицинин С.И., Коссый И.А., Силаков В.И., Тарасова Н.М. О релаксации колебательной энергии после импульсного СВЧ разряда в азоте.// Краткие сообщения по физике, 1983, №6. С.13-17.

131. Грицинин С.И., Коссый И.А., Тарасова Н.М. СВЧ разряд высокого давления в циркулярно поляризованной СВЧ волне.// Письма в ЖТФ. 1985. - T.II, вып.15. -С.924-929.

132. Грицинин С.И., Коссый И.А., Тарасова Н.М. Динамика инициированного несамостоятельного СВЧ разряда в газах высокого давления.// В кн. 2-ое Всесоюзное совещ.по физике электрического пробоя газов./ Тарту: ТГУ, 1984. -С.434-436.

133. Грицинин С.И., Коссый И.А., Тарасова Н.М., Шибков В.М. Исследование возмущённой газовой среды в СВЧ разрядах высокого давления методом второго диагностического импульса.// ТВТ. 1987. - Т.25, вып.4. - С.625-629.

134. Грицинин С.И., Коссый И.А., Магунов А.Н., Тарасова Н.М., Шкрадюк И.Э. Измерения параметров плазмы в областях контракции СВЧ разрядов высокого давления.// Тез.докл. Всесоюзного совещ. Высокочастотный разряд в волновых полях. Горький, 1987. - С.66.

135. Грицинин С.И., Дорофеюк А.А., Магунов А.Н. Контагированный СВЧ разряд и параметры плазмы в области контракции.// ТВТ. 1988, №3.

136. Raether Y. Ionizing radiation accompaning a spark disharge.// Z. Phys. 1938. - B.l, 110, -P.611-621.

137. Przybylski A. Undersuchung uber die gasbonisierende Struhlung ei einer Entladung.// Z. Phys. 1958.Bd.151, P.264-270.

138. Penny G.W., Hummert G.T. Fotoionization measurements in air oxygen and nitrogen.// J.Appl.Phys. 1979.V.41, n.3. - P.672-581.

139. Maimbridge G.R., Frawse W.A. The absorption of ultraviolet ionizing radiation in gases.// Can.J.Phys. 1956. - V.34, n.10. - P.572-580.

140. Лозаннский Э.Д., Фирсов О.Б. Теории искры. Атомиздат. М.: Наука. - 1975. -136с.

141. Леб Н. основные процессы электрических разрядов в газах. Пер. с англ. под ред. Капцова Н.А. М.: Гостехиздат, 1950. - 108с.

142. Омура М., Приели Л.Л. Измерение концентрации электронов, опережающих ударные волны в воздухе.// РТК. 1969. - Т.?, вып. 12. - С.211-219.

143. Железняк М.В., Мнацаканян А.Х. Фотоионизация перед фронтом сильных ударных волн.// ЖТФ. 1977. - Т.47, вып. 12. - С.2497-2504.

144. Месси Г. Отрицательные ионы. М.: Мир, 1979. - 754с.

145. Смирнов В.М. Ионы и возбуждённые атомы в плазме. — М.: Атомиздат, 1974. -307с.

146. Ватанабе К. Поглощение коротковолнового излучения в атмосфере.// Исследование верхней атмосферы с помощью ракет и спутников. М.: Иностранная литература, 1961 - 316с.

147. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий атомов и ионов. -М.: Энергоиздат, 1952. -74с.

148. Зайдель А.Н., Шрейдер Е.Я. Спектроскопия вакуумного ультрафиолета. М.: Наука, - 1967.-356с.

149. Железняк М.В., Мнацаканян А.Х. Фотоионизация смесей азота и кислорода излучением газового разряда.// ТВТ. 1982. - Т.20, вып.З. - С.423-432.

150. Бродский Ю.Я., Голубев С.В., Зорин В.Г., Фрайман Г.М. Плазменно-резонансный разряд.// ЖЭТФ. 1985. - Т.88, вып.З. - С.771-780.

151. Карфидов Д.М. Распространение сверхвысокочастотного разряда в волноводе при пониженном давлении газа.//Физика плазмы.-1979.-Т.5, вып.З.-С.678-682.

152. Генерация волн и квазистационарных токов в плазме.//Труды ИОФ АН СССР,-М.: Наука, 1988.-Т.16.

153. Вихарев А.Л., Гильденбург В.Б., Голубев С.В. и др. Нелинейная динамика свободнолокализованного СВЧ разряда в пучке электромагнитных волн.// ЖЭТФ. 1988. - Т.94, вып.4. — С.136-145.

154. Г. М. Батанов, В. А. Иванов, М. Е. Коныжев, А. А. Летунов, Письма в ЖЭТФ 66, 163 (1997).

155. Л. В. Гришин, А. А. Дорофеюк, И. А. Коссый и др., Труды ФИАН 92, 82 (1977).

156. Г. М. Батанов, В. А. Иванов, М. Е. Коныжев, Письма в ЖЭТФ 59, 655 (1994).

157. Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц, Гидродинамика, Наука, Москва (1986).

158. Д. С. Дорожкина, В. Е. Семенов, Письма в ЖЭТФ 67, 543 (1998).

159. А. В. Игнатьев, А. А. Рухадзе, Физика плазмы 9, 1317 (1983).

160. Райзер Ю.П. Физика газового разряда. // М.: Наука. 1992. 536 С.

161. Мотт Н., Месси Г. Теория атомных столкновений. //М.: Мир. 1969.450 С.

162. Lieberman М.А., Lichtenberg A.J. Theory of electron resonance heating. II. Long time and stochastic effects. //Plasma Physics. 1972. V.15. № 2. P.125-150.

163. Лихтенберг А., Либерман M. Регулярная и стохастическая динамика. // М.: Мир. 1984.526

164. G.S.Voronov, "Atomic Data and Nuclear Data Tables", Vol. 65, No. 1 (1997).

165. Golubev S.V., Razin S.V., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Formation of multicharged ions in plasma of ECR discharge sustained by powerful millimeter wave radiation in a mirror trap. // Transactions of Fusion Technology. 1999. V. 35. N. IT. P. 288-291.

166. Диагностика плазмы. // Под ред. Р. Хаддлстоуна и С. Леонарда. М.: Мир. 1967. 515 С.

167. Лукьянов С.Ю. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. // М.: Наука. 1975. 407 С.

168. Greene J. Bremsstrahlung from a maxwellian gas. // Astrophysical Journal. 1959. V. 130. N. 2. P. 693-701.

169. Шкаровский И., Джонстон Т., Бачинский М. Кинетика частиц плазмы. // М.: Атомиздат. 1969. 396 С.

170. Голованивский K.C. Зеркальная магнитная ловушка с электронно-циклотронным нагревом плазмы как источник многозарядных ионов (обзор). // Приборы и техника эксперимента. 1985. № 5. С. 7-26.

171. Lernion М.А., Bell Н.В., Gilbody Н.В. et. al. Recommended data on the electron impact ionization of atoms and ions: fluorine to nickel. // Journal of Physical and Chemical Reference Data. 1988. V. 17. N. 3. P. 1285-1363.

172. Физика и технология источников ионов. // Под ред. Я. Брауна. М.: Мир. 1998. 495 С.

173. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. // М.: Наука. 1968. 327 С.

174. Хилд М., Уортон С. Микроволновая диагностика плазмы. // М. : Атомиздат. 1968. 380 С.

175. Кролл Н., Трайвелпис А. Основы физики плазмы. // М.: Мир. 1975. 525 С.

176. Чен Ф. Введение в физику плазмы. //М.: Мир. 1987. 398 С.

177. Арцимович JI.A., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. // М.: Атомиздат. 1979. 316 С.

178. Пресняков Л.П., Шевелько В.П., Янев Р.К. Элементарные процессы с участием многозарядных ионов. // М.: Энергоатомиздат. 1986. 200 С.

179. Базылев В.А., Чибисов М.И. Возбуждение и ионизация многозарядных ионов электронами. // Успехи Физических Наук. 1981. Т. 133. Вып. 4. С. 617-652.

180. Ness К., Makabe Т. Electron transport in argon in crossed electric and magnetic fields. // Physical Review E. 2000. V. 62. N. 3. P. 4083-4090.

181. Braithwaite N. St. J. Introduction to gas discharges. // Plasma Sources Science and Technology. 2000. V. 9. N 4. P. 517-527.

182. Водопьянов A.B., Голубев C.B., Зорин В.Г., Разин С.В., Шилов М.А. Параметры плазмы электронно-циклотронного резонансного разряда в открытой магнитной ловушке в квазигазодинамическом режиме удержания. // Письма в ЖТФ. 1999. Т. 25. В. 14. С. 90-94.

183. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smirnov A.N., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Sources of Soft X-rays and Multicharged Ions Based on ECR Discharge in Heavy Gases Sustained by High-Power Gyrotron Radiation. // Proceedings of the International

184. Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 2000. V. 1. P. 347-355.

185. Басов Н.Г., Захаренков Ю.А., Рупасов A.A. и др. Диагностика плотной плазмы. // М.: Наука. 1989. 368 С.

186. Альбиков З.А., Велик В.П., Бобашев С.В. и др. Исследование характеристик детекторов для диагностики импульсного рентгеновского излучения высокотемпературной плазмы. // Диагностика плазмы. Вып. 6. М.: Энергоатомиздат. 1989. С. 48-52.

187. Bobashev S.V., Golubev A.V., Platonov Yu. Ya„ Salashchenko N.N. et. al. Absolute photometry of pulsed intense fluxes of ultrasoft X-ray radiation. // Physica Scripta. 1991. V. 43. P. 356-367.

188. Запысов A.JI., Израилев И.М., Никитин В.П. и др. Градуировка детекторов низкоэнергетического рентгеновского излучения. // Диагностика плазмы. Вып. 6. М.: Энергоатомиздат. 1989. С. 43-47.

189. Токигути К., Макудо Н., Койке Н. /У Приборы для научных исследований. 1986. Т.57.С.1526

190. Arata Y., Miyake S., Kishimoto N. et al // Japan J. Appl. Phys. 1988.Y.27. P.1281.

191. ЛенгК. Астрофизические формулы. M.: Мир, 1978. С. 262.

192. Грим Г. Уширение спектральных линий в плазме. М.: Мир, 1978. С.404.

193. INP, Junkerstr. 99, 65205 Wiesbaden, Germany.

194. A.T. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. // Москва, « Мир », 1992.

195. Cooper W.S., Berkner К.Н., Pyle R.V., Multi-Aperture Extractor Design for Producing Intense Ion and Neutral Beams, Nucl. Fusion. 12, 263 (1972a).

196. Xiang W., Spadtke P., Hollinger R., Galonska M., Heymach F., GSI Report: Computer Simulation of High Current Uranium Beams for Injection Beam Line of the UNILAC, 2004-02 July.

197. Скорняков Г.В. ЖТФ. 1962, т.32, в.2, c.261; ЖТФ. 1962, т.32, в.4, с.777.

198. Skornjakov G.V. Plasma Physics (J. Nucl. Energy, Part C). 1966, v.8, p.561.

199. Peregood B.P. and Lehnert В., Nucl. Instr. andMeth. 1981, v.180, p.357.

200. Abramova К. V., Voronin A. V., Hellblom K. G., Uehara K., and Sadamoto Y.,Trans, of Fusion Technology. 1999, v.35, p.263.

201. Абрамова К.Б., Воронин А.В., Лев М.Л., Семенов А.А., Склярова Е.М., ЖТФ. 1997, т.67 в.1, с.ЗО.

202. Галечян Г.А., Перегуд Б.П. ЖТФ. 1969, т.39, в.9, с.1696.

203. Абрамова К.Б., Воронин А.В., Галечян Г.А, Лев М.Л. ЖТФ. 1997, г.67, в.2, с. 12.

204. Козырев А.Н., Перегуд Б.П., ЖТФ. 1974, т.44, в.4, с.743.

205. Pastukhov V. P., Nucl. Fusion. 1974, v. 14 (3), р.255.

206. Shull J.M., Van Steenberg M., Astroph. J. Suppl. Ser. 1982, v.48, p.95.

207. MazzottaP. et. al., Astron. Astroph. Suppl. Ser. 1998, v.133, p.403.

208. Kitagawa A., Muramatsu M., Sekiguchi M. et. al., Rev. Sci. Instram., 2000, v.71 (2), p.1061.

209. Abramova K.B., Smirnov A.N., Voronin A.V., and Zorin V.G., Rev. Sci. Instrum., 2000, v.71 (2), 337 Muller A., Salzborn E., Phys. Lett. 1977, V.62A, p.391. p.921.

210. Goldenberg A.L. andLitvak A.G., Physics of Plasmas. 1995, v.2, p.2562.

211. G. G. Gulbekian et. al. Preprint JENR, Dubna 1980, p9-80-549; In. Proc. of the 14th Intern. Conf. Edit. J. C. Cornell, World Scientific, Singapur 1995, pp. 95 98.

212. V.B. Kutner, Review of Scientific Instruments. 65, 1039 (1994).

213. P. Sortais at al, Review of Scientific Instruments, 69, 556 (1998).

214. S. Biri et. al. Review of Scientific Instruments. 63,2902 (1992).

215. Богатов H.A., Быков Ю.В., Венедиктов Н.П., Голубев С.В, Еремеев А.Г., Зорин В.Г., В.Е. Семенов. Газодинамическое распространение неравновесного СВЧ разряда.// Физика плазмы. 1986. - Т.12, вып.6. - С.725-732.

216. Быков Ю.В., Голубев С.В., Зорин В.Г. Плазменный ореол и скачки фронта ионизации неравновесного СВЧ разряда высокого давления.// Физика плазмы. -1989. -Т.15, вып.1. С.107-113.

217. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Ионизирующее излучение СВЧ разряда.// Письма в ЖТФ. 1983. - Т.9, вып.14. - С.888-891.

218. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Несамостоятельный СВЧ разряд в пучке электромагнитных волн.// Письма в ЖТФ. 1984. -Т.10, вып.5. -С.271-274.

219. Богатов Н.А., Голубев С.В., Зорин В.Г. Механизм образования плазменного ореола вокруг СВЧ разряда.// Физика плазмы. 1986. - Т.12, вып.11. - С.1369-1375.

220. Богатов Н.А., Гитлин М.С., Голубев С.В., Разин С.В. Экспериментальное исследование неустойчивости несамостоятельного СВЧ разряда.// ЖТФ. 1987. -Т.57, вып.1. - С.194-196.

221. Golubev S.V., Zorin V.G., Razin S.V. Ion charge state distribution in plasma of electron cyclotron resonance discharge sustained by powerful millimeter wave radiation. // Review of Scientific Instruments. 1998. V. 69. N. 2. P. 634-636.

222. V. Semenov, V. Skalyga, A. Smirnov, V. Zorin. Scaling for ECR Sources of Multicharged Ions with Pumping at Frequencies from 10 to 100 GHz. Review of Scientific Instruments, v. 73, #2, p. 635 637. 2002.

223. S.V. Golubev, S.V. Razin, A.Y. Sidorov, Y.A. Skalyga, A.V.Vodopyanov, V. Zorin. High Current Density Ion Beam Formation from Plasma of ECR Discharge. Review of Scientific Instruments, Volume 75, Issue 5, pp. 1675-1677, 2004.

224. Ю.В. Быков, C.B. Голубев, А.Г. Еремеев, В.Г. Зорин. Электронно-циклотронный разряд, поддерживаемый СВЧ излучением миллиметрового диапазона длин волн Труды II Всесоюзной совещания " СВЧ разряд в волновых полях " (Куйбышев, 1989) с. 62.

225. Ю.В.Быков, А.Г.Еремеев, С.В.Голубев, В.Г. Зорин. ЭЦР разряд, поддерживаемый излучением миллиметровых волн. Физика Плазмы т. 16, с. 487 489 (1990).