Импульсный разряд в тяжёлых газах, возбуждаемый в магнитной ловушке мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронного циклотронного резонанса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

РАЗИН Сергей Владимирович

ИМПУЛЬСНЫЙ РАЗРЯД В ТЯЖЁЛЫХ ГАЗАХ, ВОЗБУЖДАЕМЫЙ В МАГНИТНОЙ ЛОВУШКЕ

МОЩНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН В УСЛОВИЯХ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСА

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2004

Работа выполнена

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

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор С. В. Голубев (ИПФ РАН).

доктор физико-математических наук И. А. Коссый (ИОФ РАН); доктор физико-математических наук, профессор Г. А. Марков (ННГУ им. Н. И. Лобачевского).

Российский научный центр «Курчатовский институт» (г. Москва).

Защита состоится « » июня 2004 г. в часов на заседании диссертационного совета Д002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950 г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН.

I

Автореферат разослан «

мая 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета профессор ^-^Ьл^ ю. В. Чугунов

Общая характеристика работы

Актуальность темы.

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) <всвч = о« (здесь ûw и сосе - круговая частота СВЧ поля и циклотронная частота электронов, соответственно) привлекает к себе внимание исследователей на протяжении приблизительно трёх последних десятилетий. Первоначально изучение и применение ЭЦР разряда было связано с экспериментами, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-3]). В дальнейшем одним из наиболее важных научных приложений ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке явилось создание источников многозарядных ионов (МЗИ) различных химических элементов, в частности, инертных газов. Такие источники МЗИ предназначены в первую очередь для инжекции ионов в циклотронные ускорители.

В связи с непрерывным развитием исследований в области ядерной физики требования к ионным источникам постоянно возрастают. Прежде всего, необходимо повышать зарядность ионов. Кроме того, требуется увеличивать интенсивность ионных пучков. Именно источники МЗИ на основе ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [4, 5].

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [6, 7] экспериментально было продемонстрировано значительное увеличение выхода многозарядных ионов из ЭЦР источника при изменении частоты греющего СВЧ излучения с 10 до 18 ГТц - ток ионов со средним по распределению зарядом увеличился пропорционально квадрату частоты накачки . В то же время распределение ионов по зарядовым

состояниям при этом практически не изменилось, что в рамках элементарных представлений можно объяснить следующим образом. При увеличении частоты СВЧ накачки возрастает концентрация электронов в разряде Ne, при этом пропорционально Nc растут и потери плазмы за счёт кулоновских столкновений (время жизни плазмы в магнитной ловушке т, «= VNC ). В этом случае, при оптимальной температуре электронов, распределение ионов по зарядам, определяемое параметром Ne-Tt [4, 5], не изменяется, а ток многозарядных ионов, определяемый параметром А/е /т,, будет пропорционален /свч ' если ^ ^ /свч • Отсюда понятен интерес к исследованиям ЭЦР разряда, создаваемого СВЧ излучением большой частоты, поскольку соответственно должен возрасти ток многозарядных ионов. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что при использовании мощного миллиметрового излучения гиротронов возможно настолько значительное увеличение концентрации разрядной плазмы (при сохранении высокой температуры электронов), при

рос. национальная

виз, 7РКД с.Г.еароург 2006 р к

котором изменяется характер удержания плазмы в ловушке - реализуется так называемый квазигазодинамический (КГД) режим с холодными "столк-новительными" ионами, горячими "бесстолкновительными" электронами и заполненными конусами потерь в пространстве скоростей [1 А, 8, 9]. В таком режиме время удержания плазмы слабо зависит от её плотности (см., например, [1А, 8, 10]), поэтому с увеличением концентрации электронов увеличивается параметр , в результате чего максимум ионных зарядовых распределений смещается в сторону более высоких кратностей ионизации [4, 5]. В связи с вышесказанным понятна актуальность исследований оптимальных с точки зрения образования многозарядных ионов режимов горения электронно-циклотронного резонансного разряда, поддерживаемого в прямой магнитной ловушке миллиметровым излучением гиротрона.

Наряду с использованием ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке в качестве источника МЗИ, такой разряд в тяжёлых газах (азот, кислород, аргон, криптон и др.) рассматривается также как возможный источник вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и мягкого рентгеновского излучения (МРИ), представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов [11]. Основные перспективы использования ЭЦР разряда как источника МРИ связаны, по-видимому, с микроэлектроникой. В настоящее время в мире интенсивно ведутся работы по созданию различных типов источников мягкого рентгена (МР) с длиной волны порядка 100 А. Такое излучение применяется в рентгеновской микролитографии для получения полупроводниковых структур субмикронных размеров, что является чрезвычайно актуальной задачей [12].

Для эффективной работы плазменных рентгеновских источников требуется наличие достаточно плотной плазмы с горячей электронной компонентой и заметным количеством многозарядных ионов необходимой кратности ионизации. Физические условия в ЭЦР разряде, поддерживаемом мощным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн в прямой магнитной ловушке, позволяют получить значительную температуру Тс ~ 100 - 400 эВ [3, 2А] основной части электронов, а также плотную плазму с электронной концентрацией ЛГе > 2-1013 см "3 [3, 2А, ЗА]. Поскольку указанная электронная температура близка к оптимальной для образования и возбуждения многозарядных ионов тяжелых газов [13], излучающих в мягком рентгеновском диапазоне в области длин волн порядка 100 А, в плазме ЭЦР разряда должно создаваться большое количество МЗИ, и генерироваться интенсивное линейчатое мягкое рентгеновское излучение. Поэтому представляются актуальными исследования режимов горения ЭЦР разряда, обеспечивающих оптимальные условия для генерации мягкого рентгена.

В связи с широким применением в научных исследованиях и технологиях ЭЦР разряда в прямых магнитных ловушках, значительный интерес

представляет изучение начальной стадии такого разряда, т.е. изучение процесса пробоя. Дело в том, что при создании и нагреве плазмы в условиях электронного циклотронного резонанса (а это, как правило, происходит при достаточно низких давлениях рабочего газа - 10 "3 Topp и ниже) наряду с кулоновскими столкновениями появляется дополнительный канал ухода плазмы из ловушки, связанный с рассеянием электронов в конус потерь при взаимодействии их с резонансной СВЧ накачкой [14, 15]. При использовании в качестве источника СВЧ излучения современных гиротронов, создающих плотность потока мощности порядка нескольких кВт/см 2 и выше, i указанный механизм потерь может стать доминирующим [9, 16]. Исследо-

вание ЭЦР пробоя в таких условиях также представляется актуальной задачей.

Целью настоящей диссертационной работы являлось экспериментальное исследование ЭЦР разряда, создаваемого в прямой магнитной ловушке в тяжёлых (воздух, кислород, аргон) газах излучением мощного импульсного гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, а также изучение перспектив использования такого разряда в качестве источника мягкого рентгеновского излучения и многозарядных ионов.

Научная новизна.

Впервые реализован и комплексно исследован импульсный сильнонеравновесный ЭЦР разряд в тяжёлых газах с квазигазодинамическим режимом удержания плотной плазмы в прямой осесимметричной магнитной ловушке. Найдены условия существования плазмы с изотропным и анизотропным распределениями электронов по скоростям.

Определены оптимальные условия образования в ЭЦР разряде многозарядных ионов (например, Аг,0+- Аг12+) и генерации мягкого рентгеновского излучения (длины волн Л - 100 Ä).

Получено изображение разряда в мягких рентгеновских лучах (АЛ = 60 -115 А).

Экспериментально подтверждено существование канала ухода электронов из магнитной ловушки, связанного с их рассеянием в конусы потерь при резонансном взаимодействии с мощной электромагнитной волной накачки.

Научная и практическая значимость.

Исследованы особенности возникновения и поддержания плотной неравновесной плазмы импульсного разряда в тяжёлых газах, возбуждаемого в магнитной ловушке простой пробочной конфигурации мощным миллиметровым излучением в условиях электронного циклотронного резонанса. Показано, что такой разряд является эффективным источником как мягкого рентгеновского излучения, так и многозарядных ионов, и может быть использован в рентгеновской микролитографии и ускорителях тяжёлых частиц.

Использование результатов работы.

Результаты проведённых исследований использовались- в работе по теме "Шарж" (отчет ИПФ АН СССР, 1991 г., № Гос. регистрации 01870089540); при реализации Межотраслевой научно-технической программы России "Физика микроволн" (проект 4.2) и Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект "Фундаментальная радиофизика"); при выполнении государственного контракта № 105-5/33/34/35/68(00)-П "Гиро-трон"; проектов РФФИ № 93-02-849, № 00-02-16480, а также международных проектов ИНТАС № 97-0094, ИНКАС (МЦФПИН) № 98-2-12, МНТЦ №325 и №1496.

Положения, выносимые на защиту.

1. Возникновение импульсного ЭЦР разряда в тяжёлых газах в прямой осесимметричной магнитной ловушке при продольном вводе мощного электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн носит пороговый по плотности газа характер. Наличие порога обусловлено рассеянием электронов в конус потерь в результате их резонансного взаимодействия с электромагнитным полем микроволновой накачки. Газовыделение с расположенного в магнитной пробке или внутри ловушки диэлектрического окна, предназначенного для ввода электромагнитного излучения в вакуумную камеру, оказывает существенное влияние на развитие разряда при давлениях газа порядка 10"6- 10"5Торр.

2. Совокупность экспериментальных данных о параметрах плазмы и динамике ЭЦР разряда можно объяснить в рамках предположения о реализации квазигазодинамического режима удержания плотной (Л/с > Ю13 см ~ 3) сильнонеравновесной (Ге » Г, ) плазмы в магнитной ловушке. Такой режим, в отличие от классического режима удержания, характеризуется заполненностью электронами конусов потерь в пространстве скоростей, поэтому время жизни плазмы в ловушке определяется скоростью ионного звука и не зависит от концентрации электронов; возможна реализация разряда как с изотропным, так и с анизотропным распределением электронов плазмы по скоростям.

3. Использование мощного миллиметрового излучения гиротрона для поддержания ЭЦР разряда в простой магнитной ловушке позволяет существенно увеличить ток и зарядность ионов тяжёлых газов. В частности, в плазме аргона распределения ионов по кратностям ионизации имеют максимум на зарядах +(10-12), при этом плотность суммарного по всем заряд-ностям ионного тока в пробках ловушки достигает нескольких сотен мА/см2, что значительно превышает соответствующие параметры традиционных ЭЦР источников многозарядных ионов с накачкой излучением сантиметрового диапазона длин волн.

4. ЭЦР разряд в тяжёлых газах, поддерживаемый в прямой магнитной ловушке мощным пучком миллиметровых волн, является эффективным

источником мягкого рентгена в области длин волн порядка 100 Á, представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов. Мощность мягкого рентгеновского излучения, генерируемого аргоновой плазмой, достигает W^ = 16 кВт в импульсе длительностью т = 1 мс при эффективности преобразования мощности СВЧ пучка в мягкое рентгеновское излучение на уровне 12 %.

Публикации и апробация результатов.

Данная диссертационная работа выполнена в Институте прикладной физики РАН (г. Н. Новгород). Изложенные в диссертации результаты док' ладывались на семинарах ИПФ РАН, опубликованы в работах [1А - 21А], представлялись и докладывались: на 1-м, 2-м, 3-м и 4-м Международных рабочих совещаниях "Strong Microwaves in Plasmas" (H. Новгород, 1990, ' 1993,1996 и 1999 г.г.); на Симпозиуме'92 исследовательского Центра "Ultra High Energy Density Heat Source" (Япония, 1992); на 10-м, 11-ми 12-м совместных российско-германских семинарах "ECRH and Gyrotrons" (Н. Новгород, 1998; Германия, 1999; Н. Новгород - Москва, 2000), на 24-й Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1997); на международной конференции "Open Magnetic Systems for Plasma Confinement" (Новосибирск, 1998), на Всероссийской конференции по физике низкотемпературной плазмы (Петрозаводск, 1998), на 3-й Международной рабочей встрече "Microwave Discharges: Fundomentals and Applications" (Франция, 1997); на 7-й, 8-й и 9-й международных конференциях "Ion Sources" (Италия, 1997, Япония, 1999, США, 2001); на 15-й Международной конференции "Cyclotrons and Their Applications" (Франция, 1998); на 14-й Международной рабочей встрече "ECR Sources" (Швейцария, 1999); на Международной университетской конференции "Electronics and Radiophysics of Ultra -High Frequencies", (Санкт-Петербург, 1999); на 13-й Международной конференции "Beams 2000" (Япония, 2000); на Международном совещании "Sources 2000" (Япония, 2000); на Международном совещании "Production of Intense Beams of Highly charged Ions" (Италия, 2000).

Личный вклад автора.

Автор принимал участие в обсуждении тематики и в постановке задач " исследований. Подготовка всех экспериментов, выбор методов и проведе-

ние исследований проходили при непосредственном участии соискателя. Ему принадлежит основной вклад в проведение измерений порогов ЭЦР пробоя, в обработку полученных данных при исследовании вакуумного ультрафиолетового и мягкого рентгеновского излучений плазмы. В работу над публикациями по теме диссертации все соавторы внесли равный научный вклад.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 156 страниц, включая 63 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 165 наименований.

Краткое содержание диссертации

Во Введении обоснована актуальность темы исследований, сформулированы цели работы, отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов, кратко изложено содержание диссертации, а также приведены основные положения, выносимые на защиту.

Глава 1 посвящена 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.

В разделе 1 1 приведено описание экспериментальной установки. Квазигауссов пучок линейно поляризованного СВЧ излучения гиротрона с частотой /свч = 37.5 ГТц, длительностью импульса xcg4 = 1 мс и максимальной мощностью Рач = 130 кВт фокусировался диэлектрической линзой внутрь цилиндрической стеклянной вакуумной камеры. Плотность потока мощности в фокальной области достигала - 10 кВт/см2. Разрядная вакуумная камера с входным кварцевым окном, предназначенным для ввода СВЧ излучения, помещалась в прямую магнитную ловушку, создаваемую двумя одинаковыми соленоидами. Магнитное поле ловушки было импульсным длительностью = 9 мс, максимальное значение напряжённости магнитного поля в пробках достигало 2.4 Тл. Длина магнитной ловушки (расстояние между пробками) составляла 20 см, пробочное отношение (отношение величины магнитного поля в пробке к величине магнитного поля в центре ловушки) равнялось 3. СВЧ мощность вводилась в разрядную камеру вдоль силовых линий магнитного поля ловушки через одну из её магнитных пробок. ЭЦР пробой и нагрев плазмы осуществлялся на первой гармонике гироча-стоты: й)свч = со«, где 0)свч и сосс - круговая частота СВЧ поля и циклотронная частота электронов, соответственно. Резонансное магнитное поле составляло BR = 1.34 Тл. Давление рабочего газа варьировалось в пределах 10 ~ 6 - 10" 2 Topp. Разрядная вакуумная камера могла перемещаться вдоль магнитной оси ловушки, при этом положение входного кварцевого окна изменялось относительно магнитной пробки. Для ликвидации статистического разброса времени возникновения разряда, т.е. для достижения устойчивого режима ЭЦР пробоя, использовался предионизатор - набор нихро-мовых проволочек диаметром 0.3 мм, которые закреплялись в вакуумной камере. Наличие предионизатора позволяло создавать начальную плотность затравочных электронов в ловушке. Момент возникновения разряда фиксировался по появлению интенсивного свечения, регистрируемого фотоэлектронным умножителем ФЭУ-84. С помощью спектрографа СТЭ-1 осуществлялось наблюдение обзорных спектров излучения ЭЦР разряда в видимой области. Исследование пространственно-временных характеристик свечения разряда проводилось фотохронографом ФЭР-7. Для оценки электронной концентрации в разряде осуществлялось зондирование плазмы слабым

диагностическим СВЧ излучением, которое вводилось поперёк магнитного поля в центре ловушки, имело частоту 35.52 ГГц и линейную поляризацию, соответствующую обыкновенной волне. Кроме того, проводились измерения коэффициента прохождения через плазму разряда мощного СВЧ излучения гиротрона. Установка работала в режиме одиночных импульсов с интервалом 40-50 секунд.

В разделе 1.2 описаны экспериментальные исследования условий зажигания импульсного ЭЦР разряда в магнитной ловушке [4А-7А]. 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. Экспериментально найдена граница области « существования ЭЦР разряда на плоскости параметров р-Вт, где р - давле-

ние газа в разрядной камере, Вт - величина магнитного поля в пробках ловушки.

В разделе 1.3 исследуется влияние положения входного диэлектрического СВЧ окна на развитие ЭЦР разряда. Влияние проявлялось при помещении окна как в магнитную пробку, так и внутрь ловушки. При этом в области существования разряда на плоскости параметров р -Вт можно было выделить две части: первая приблизительно совпадала с областью существования разряда без диэлектрика в магнитной пробке (см. раздел 1.2), вторая (в виде достаточно узкой полосы на плоскости параметров р - В„) простиралась до малых давлений р - 10 " 6 Topp. Оценки показывают, что при низких (р < 10 " 5 Topp) давлениях развитие разряда невозможно без дополнительного интенсивного поступления газа в ловушку, причём поступление газа связано именно с наличием в магнитной пробке или внутри ловушки диэлектрического окна. Данный вывод был подтверждён, в частности, наблюдением пространственно-временных развёрток свечения разряда.

В разделе 1.4 проведено сопоставление экспериментальных данных по исследованию условий ЭЦР пробоя газа в магнитной ловушке с результатами построенной в [14] 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 [4А-7А] указанная теория была скорректирована с учётом условий описываемых в данной главе экспериментов, и было получено следующее условие возникновения ЭЦР разряда, которое определяет пороговую концентрацию нейтралов Nm в зависимости от величины магнитного поля в пробках ловушки Вт: 10 " 12 -N„ (см ~ 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 об определяющей роли в электронных потерях (по крайней мере, на

стадии пробоя) процесса рассеяния электронов в конус потерь при их взаимодействии с резонансной СВЧ накачкой.

В главе 2 описываются эксперименты по исследованию вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена, излучаемых плазмой ЭЦР разряда. Эксперименты проводились на установке, общая схема которой незначительно отличалась от описанной в разделе 1.1. С целью расширения возможностей диагностики плазмы использовалась разрядная вакуумная камера из нержавеющей стали с набором диагностических фланцев. Длина магнитной ловушки составляла 25 см, пробочное отношение равнялось 3.4.

В разделе 2 1 приводится описание диагностической аппаратуры, ис- $

пользуемой при проведении исследований.

Для получения обзорных УФ- и ВУФ-спектров излучения плазмы применялся вакуумный спектрограф скользящего падения ТМС-1 с рабочим < диапазоном длин волн X ~ 540 - 4000 А, диспергирующим элементом в котором служила вогнутая дифракционная решётка 1200 штрихов/мм.

Для исследования излучения ЭЦР разряда в мягкой рентгеновской области спектра (X = 10 - 250 А) использовались полупроводниковые абсолютно калиброванные p-i-n диоды типа СППД-11-04 с различными спектральными чувствительностями и набором сменных фильтров (алюминий, лавсан) на пропускание.

Детальное изучение спектра мягкого рентгеновского излучения в области его максимальной интенсивности (Я = 70 — 110 А) проводилось с использованием рентгеновского монохроматора, диспергирующим элементом в котором служило брэгговское многослойное рентгеновское зеркало, а приёмником излучения являлся абсолютно калиброванный p-i-n диод СППД-11-04. В экспериментах использовались зеркала на основе структур молибден - карбвд бора Мо-В4С и молибден - кремний Mo-Si, рабочие области которых перекрывали диапазон длин волн 65 - 200 А.

Исследование рентгеновского излучения плазмы ЭЦР разряда в более коротковолновой области спектра - в диапазоне длин волн X ~ 1 - 6 А - 1

проводилось с помощью работающего в режиме счёта фотонов анализатора рентгеновских спектров и интенсивностей XR-100T на основе абсолютно калиброванного охлаждаемого p-i-n диода. *

Исследование пространственных характеристик мягкого рентгеновского излучения плазмы ЭЦР разряда проводилось с использованием изображающей системы, основу которой составляла камера-обскура, представляющая собой отверстие небольшого диаметра в непрозрачном для рентгеновского излучения экране. Система регистрации позволяла получать рентгеновское изображение плазмы в интервале длин волн ЛА = 1 — 115 А.

В разделе 2.2 приводятся основные результаты наблюдений спектров ультрафиолетового и вакуумного ультрафиолетового излучений плазмы ЭЦР разряда в диапазоне длин волн X ~ 540 - 4000 А. Эксперименты про-

водились в атмосфере аргона (с примесью кислорода на уровне 1 %) при давлении 210" 4 Topp, 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 разделе 2.3 описываются эксперименты по определению спектрального состава и абсолютной интенсивности мягкого рентгеновского излучения плазмы ЭЦР разряда. Вначале 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 А = 45 - 120 А [8А, 9А]. Дальнейшее более детальное исследование спектров мягкого рентгеновского излучения проводилось в разряде в аргоне [10А-13А] с помощью монохроматора на основе сменных многослойных рентгеновских зеркал. Основные параметры установки при этом были следующими: мощность СВЧ излучения гиротрона 130 кВт, давление аргона в разрядной камере (1 - 3)10 " 4 Topp, величина магнитного поля в пробках ловушки 2.3 Тл. Эксперименты показали, что максимум мягкого рентгеновского излучения плазмы лежит в области длин волн А ~ 100 А, а на краях интервала ДА = 70 - 110 Ä интенсивность излучения спадает на порядок. Согласно проведённым абсолютным измерениям интенсивности мягкого рентгена, максимум спектральной мощности составляет 730 Вт /А на длине волны А = 90 А, а интегральная по диапазону длин волн А = 65 - 170 А мощность MP излучения (в предположении изотропности источника) достигает WUf!l ~16 кВт. Следовательно, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение составляет 12 %.

Эксперименты по исследованию излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда в более коротковолновом диапазоне - в интервале длин волн А = 1 - 6 А (энергия квантов Av = 2—10 кэВ) - описаны в разделе 2.4. Было установлено, что в полулогарифмическом масштабе измеренная зависимость спектральной интенсивности рентгеновского излучения dЕ /dv от энергии квантов хорошо аппроксимируется двумя прямыми существенно разного наклона [2А, 12 А, 14А].

В разделе 2.5 приводятся описания экспериментов по визуализации излучающей в мягком рентгене аргоновой плазмы [12А, 15А]. Экспериментальные условия соответствовали оптимальным для генерации интенсивного мягкого рентгеновского излучения. С целью расширения возможностей исследования динамики разрядной плазмы был осуществлён несоосный ввод СВЧ мощности в магнитную ловушку: ось СВЧ пучка гиротрона была

смещена относительно продольной оси магнитной системы на 1.5 см. Зарегистрированное интегральное по времени изображение наиболее ярко светящейся в рентгеновских лучах плазменной области имело вид незамкнутого кольца.

Раздел 2.6 посвящён обсуждению полученных во второй главе экспериментальных результатов. Показано, что в области длин волн X ~ 100 Ä мягкий рентген представляет собой линейчатое излучение образующихся в ЭЦР разряде многозарядных ионов, а в более коротковолновом диапазоне Я — 1 — 6 Ä преобладает тормозное излучение, возникающее в плазме при столкновениях электронов с ионами. Вид спектра тормозного рентгена dfijxq» /dv [2А, 12А, 14А] указывает на наличие в разряде двух электронных фракций с существенно различными температурами и концентрациями, что является обычным для плазмы ЭЦР разрядов [2, 3, 5]. Температура "тёплой" группы электронов, измеренная по тангенсу угла наклона экспериментальной зависимости ln(d£TopM /dv) от энергии квантов, составила 300 -400 эВ, а "горячей" 6-12 кэВ. Абсолютные измерения спектральной интенсивности dETOpM /dv тормозного РИ позволили определить и концентрации указанных электронных фракций. Для "тёплых" электронов было получено значение (2 - 7)-1013 см-3, а для "горячих" - 109 - Ш10 см "3.

Анализ формы рентгеновского изображения плазмы, полученного с помощью камеры-обскуры при несоосном вводе СВЧ мощности в разрядную камеру, позволил оценить время жизни плазмы в магнитной ловушке, которое оказалось порядка 10 мкс. Данный факт согласуется с теоретическими представлениями о характере удержания плотной неравновесной плазмы ЭЦР разряда в прямой ловушке [17-19].

В 3-й главе диссертации исследуются распределения по зарядовым состояниям ионов аргона, образующихся в ЭЦР разряде [ЗА, 14А, 16А-21А]. Указанные распределения измерялись в потоке плазмы, вытекающей из ловушки через её пробки вдоль силовых линий магнитного поля.

В разделе 3.1 дано описание системы напуска плазмообразующего газа в разрядную камеру. Система работала в импульсном режиме. Импульсный напуск позволял получать рабочее давление газа - порядка 10 ~ 4 Topp - в разрядной камере при сохранении давления в остальном вакуумном объёме установки на уровне фонового - порядка 10 "6 Topp. Такое распределение давлений необходимо для сведения к минимуму искажений зарядовых спектров ионов вследствие перезарядки на нейтралах на трассе пролёта ионов от разряда до ионного анализатора.

В разделе 3.2 приведено описание ионного анализатора, с помощью которого измерялись энергетические и зарядовые распределения образующихся в разряде ионов. Анализатор имел две ступени анализа - магнитную и электростатическую, что позволяло независимо измерять энергию ионов и отношение их заряда к массе q!Mv

В разделе 3.3 представлены основные экспериментальные факты, касающиеся формирования распределений ионов аргона по зарядовым состояниям. Характер сигналов с различных диагностических датчиков указывает на то, что в условиях экспериментов разряд в своём развитии в течение СВЧ импульса последовательно проходит две стадии. При оптимальных условиях в течение первых нескольких сотен микросекунд после начала ЭЦР разряда распределение ионов по зарядовым состояниям в вытекающей из ловушки плазме имело максимум на зарядах q - + (10-12), затем кратность ионизации ионов снижалась, и максимум зарядового распределения смещался на заряды q~ + (5-7).

Раздел 3.4 посвящён интерпретации полученных результатов. Как известно [4, 5], для эффективного образования в плазме ЭЦР разряда, удерживаемой в прямой магнитной ловушке, иона зарядности q необходимо обеспечить выполнение неравенства: Л^-т, > [Arq_1-q (Ге)] Здесь кц-\,ч (Те) -константа скорости ионизации иона зарядности q -1 электронным ударом. В КГД режиме [1А, 8-10], в отличие от классического [20], время удержания плазмы в ловушке не зависит непосредственно от Ne, следовательно, параметр Ne-т, растёт с увеличением электронной концентрации, что приводит к смещению максимума в распределении ионов по зарядовым состояниям в сторону больших кратностей ионизации. Кроме того, в условиях квазигазодинамического режима удержания, помимо достижения высоких кратностей ионизации, возможно извлечение из плазмы разряда больших ионных токов [17А, 18А], определяемых отношением Nt!z\.

Все наблюдаемые экспериментальные факты, касающиеся распределений ионов по зарядовым состояниям, объясняются в рамках основанного на результатах измерений в разряде концентрации и температуры электронов предположения о том, что в условиях экспериментов был осуществлён квазигазодинамический режим удержания ЭЦР-плазмы. Причём на первой стадии разряда, по-видимому, реализуется КГД режим с сильно анизотропной функцией распределения электронов по скоростям, в то время как на второй стадии разряда функция распределения изотропна [8, 9, 17-19]. Смена анизотропного КГД режима удержания плазмы в ловушке изотропным приводит к уменьшению параметра удержания Nc-x-t, что и объясняет наблюдаемую динамику формирования распределений ионов по кратно-стям ионизации.

В Заключении сформулированы полученные в диссертации основные научные результаты.

1. Экспериментально определены условия импульсного ЭЦР пробоя тяжёлого газа (воздуха) в прямой осесимметричной магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ излучения миллиметрового диапазона в зависимости от давления газа р и величины магнитного поля в пробках ловушки Вт при постоянном уровне СВЧ мощности. Полученные экспериментальные

результаты подтверждают теоретические предположения об определяющей роли в электронных потерях (по крайней мере, на стадии пробоя) процесса рассеяния электронов в конус потерь при их взаимодействии с СВЧ полем мощной микроволновой накачки в зоне электронного циклотронного резонанса. Исследовано влияние на порог возникновения ЭЦР разряда положения входного кварцевого окна, через которое СВЧ излучение вводится в разрядную вакуумную камеру. Экспериментально найдено, что при помещении диэлектрического окна в магнитную пробку или внутрь ловушки на плоскости параметров р - Вт появляется дополнительная область существования ЭЦР разряда, что связано с выделением газа с поверхности диэлектрика и последующим развитием разряда в этом газе.

2. Проведены исследования спектров излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого в прямой осесимметричной магнитной ловушке мощным пучком электромагнитных волн миллиметрового диапазона, с помощью вакуумного спектрографа в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях (интервал длин волн X = 540 - 4000 А). Обнаружено, что интенсивность излучения плазмы нарастает в коротковолновую область спектра вплоть до границы исследованного спектрального интервала. Расшифровка спектральных линий показала наличие в разряде ионов аргона с зарядами +(4 - 5).

3. Исследовано мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда в воздухе, техническом кислороде и чистом аргоне в диапазоне длин волн X = 10 - 250 А с использованием фильтров и p-i-n диодов с различными спектральными чувствительностями. Найдено, что основная часть рентгеновского излучения плазм перечисленных газов лежит в интервале X = 45 - 120 А, причём наибольшая интегральная по указанному участку спектра интенсивность излучения наблюдалась в аргоновой плазме. Показано, что исследуемое рентгеновское излучение представляет собой линейчатое излучение многозарядных ионов.

4. Исследованы спектры МРИ плазмы ЭЦР разряда в аргоне в интервале длин волн А, = 65 — 200 А с помощью рентгеновского монохроматора на основе многослойного рентгеновского зеркала. Проведённые абсолютные измерения интенсивности мягкого рентгена показали, что в диапазоне длин волн X = 65 - 170 А мощность MP излучения достигает WMp„ = 16 кВт. Таким образом, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение оказывается на уровне 12 %.

5. В режиме интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения получен спектр и проведены абсолютные измерения интенсивности рентгеновского излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда в интервале длин волн X = 1 - 6 А. Показано, что данное рентгеновское излучение является тормозным излучением, возникающим в объёме плазмы при столкновениях электроцов с ионами. Обнаружено, что в плазме присутствуют две фракции

электронов - "тёплая" с температурой 300 - 400 эВ и концентрацией (2-7)-Ю13 см~3, и "горячая" с температурой 6-12 кэВ и концентрацией 109 - Ю10 см" . Мощность тормозного рентгеновского излучения, проинтегрированная по диапазону длин волн К ~ 1 - 6 А, составила при этом =1.5 Вт.

6. В режиме интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения с помощью камеры-обскуры получено интегральное по времени рентгеновское изображение плазмы ЭЦР разряда в аргоне в диапазоне длин волн К ~ 60 - 115 А. Анализ формы рентгеновского изображения излучающей области при несоосном вводе в магнитную ловушку СВЧ мощности позволил оценить время жизни плазмы в ловушке, которое составило около 10 мкс. Данная величина согласуется с результатами существующей теории удержания плотной неравновесной плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке.

7. Экспериментально найдены условия эффективной генерации в ЭЦР разряде многозарядных ионов аргона. В этих условиях проведены измерения распределений ионов аргона по зарядовым состояниям в плазме, вытекающей из магнитной ловушки через её пробки. Обнаружено, что максимум распределений существенно смещён в сторону больших зарядностей по сравнению с распределениями в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов непрерывного действия с накачкой излучением сантиметрового диапазона длин волн.

Исследована временная динамика указанных распределений в течение разряда. Измерения показали, что в течение первых нескольких сотен микросекунд после начала ЭЦР разряда распределение ионов аргона по зарядовым состояниям имело максимум на зарядах <у = + (10 - 12), затем кратность ионизации ионов снижалась, и максимум зарядового распределения смещался на заряды q ~ + (5 - 7).

8. Реализован квазигазодинамический режим удержания в магнитной ловушке плотной неравновесной (Те » 7}) плазмы ЭЦР разряда. Отличительной особенностью такого режима является заполненность электронами конусов потерь в пространстве скоростей, так что время жизни плазмы в ловушке слабо зависит от её плотности. При этом сравнительно холодные ионы имеют длину свободного пробега относительно ион-ионных столкновений много меньше характерных размеров магнитной ловушки, в то время как горячие электроны являются бесстолкновительными. В этих условиях в разряде возможно образование как изотропной (ие1 = г)ец), так и анизотропной (г>е±» г^н) функции распределения электронов по скоростям, что приводит, как показано экспериментально, к формированию распределений ионов по зарядовым состояниям с максимумом на существенно различных зарядностях.

Список цитируемой литературы

1. 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.

2. 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.

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

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

5. Getter R. Electron cyclotron resonance ion sources and ECR plasmas // Institute of Physics. Bristol. 1996.434 p.

6. Geller R. ECRIS - closing remarks // Journal de Physique. 1989. Colloque CI.

Suppl. № 1. V. 50. P. 887-892.

7. 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.

8. Гольдберг A.B., Семёнов B.E. Оценка времени жизни ионов в ECR-источнике с плотной плазмой // Рабочее совещание по источнику ионов с электронно-циклотронным резонансом. Дубна. Россия. 1991. С. 16-17.

9. Golubev S.V., Semenov V.E., Suvorov E.V., Tokman M.D. On the energetic electron losses from the mirror magnetic traps due to powerful resonant RF field // Proc. Int. conf. on Open Plasma Confinement Systems for Fusion. Ed. by A. Kabantsev. World Scientific Publishing. Singapore. 1994. P. 261-274.

10. Мирное B.B., Рютов Д.Д Газодинамическая ловушка // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1988. Т. 8. С. 77-130.

11. 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, №. 3. P. 1055-1067.

12. Bcuiuee K.A. Физика субмикронной литографии. М.: Наука, 1990. 528 с.

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

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

15. Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю. Циклотронная неустойчивость радиационных поясов Земли // Вопросы теории плазмы. М.: Атомиздат, 1980. Вып. 10. С. 88-163.

16. Golubev S.V., Semenov V.E., Suvorov E.V., Tokman M.D. Production and application of ECR plasma discharge with relativistic electron component // Proc. Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. N. Novgorod. Russia. 1994. V. 1. P. 347-375.

17. Семёнов B E., Турлапов А.В. Удержание плазмы с анизотропной функцией распределения электронов в открытой магнитной ловушке: Препринт ИПФ РАН № 422. Н. Новгород, 1997.20 с.

18. Turlapov A.V., Semenov V.E. Confinement of a mirror plasma with an anisotropic electron distribution function // Physical Review E. 1998. V. 57, №. 5. P. 5937-5944.

19. Semenov V.E., Smirnov A.N., Turlapov A. Modeling of a Mirror-Trapped Plasma for an ECR ion Source // Transactions of Fusion Technology. 1999. V. 35, № IT. P. 398-402.

20. Пастухов В.П. Классические продольные потери плазмы в открытых адиабатических ловушках // Вопросы теории плазмы. М.: Энергоатом-издат, 1984. Вып. 13. С. 160-204.

Список публикаций по теме диссертации

1А. Golubev S.V., Zorin V.G., Zorina T.N., Razin S.V. ECR Sources of Multiply Charged Ions Involving Millimeter - Wave Gyrotron // Proc. Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. N. Novgorod. Russia. 1991. V. 1. P. 485-489.

2A. 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, вып. 14. С. 90-94.

ЗА. Голубев С В., Зорин В.Г., Разин С.В. Распределение ионов по зарядовым состояниям в мощном импульсном разряде, поддерживаемом излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронно-циклотронного резонанса // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, вып. 8. С. 60-64.

4А. 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 // Proc. of Simposium'92 of Research Center for Ultra High Energy Density Heat Source. 1992. Osaka. Japan. P. 17-22.

5A. 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 // Proc. Int. Workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. N. Novgorod. Russia. 1994. V. 1. P. 387-392.

6А. 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 ИПФ РАН № 386. Н. Новгород, 1995. 19 с.

7А. 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.

8А. 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.

9А. Golubev S.V., Platonov Yu.Ya.t 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.

10A. 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, Вып. 24. С. 7-12.

IIA. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Zorin V.G., Kryachko A.Yu., Lopatin A.Yu., Luchin V.l., Razin S.V., SmirnovA.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, № 2B. Pt. 1. P. 1016-1017.

12A. S.V. Golubev, V.l. Luchin, S.V. Razin, N.N. Salashchenko, A.N. Smirnov, A.V. Vodopyanov, V.G. Zorin. Mirror-Trapped Plasma Heated by Powerful Millimeter Wave Radiation as an ECR Source of Soft X-rays // Proc. Int. Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. N. Novgorod. Russia. 2000. V.l. P. 356-361.

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

14A. 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 // Proc. Int. Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. N. Novgorod. Russia. 2000. V. 1. P. 347-355.

15A. 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 ИПФ РАН № 568. Н. Новгород, 2001. 11 с.

16А. Golubev S.V., Zorin V.G., Razin S.V. Ion charge state distribution in 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.

17A. 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, № 2. P. 634-636.

18 A. Golubev S.V., Razin S.V., Vodopyanov A.V., Zorin V.G. Formation of mul-ticharged ions in plasma of ECR discharge sustained by powerful millimeter wave radiation in a mirror trap // Transactions of Fusion Technology. 1999. V. 35, № IT. P. 288-291.

19A. 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 quasi-gasdynamic plasma confinement in a mirror magnetic trap // Review of Scientific Instruments. 2000. V. 71, № 2. P. 669-671.

20A. Vodopyanov A.V., Golubev S.V., Razin S.V., Zorin V.G. Investigation of ECR multicharged ion source with pumping by powerful millimeter wave radiation // Proc. 15A Int. Conf. "Cyclotrons and Their Applications". Caen. France. 1998. P. 420-422.

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 // Proc. 14th Int. Workshop on ECR Sources "ECRIS'99". CERN. Geneva. Switzerland. 1999. P. 195-197.

О/.(24

РНБ Русский фонд

2006-4 639

РАЗИН Сергей Владимирович

импульсный разряд в тяжёлых газах, возбуждаемый в магнитной ловушке

мощным излучением миллиметрового диапазона длин волн в условиях электронного циклотронного резонанса

Автореферат

Ответственный за выпуск С. В. Разин

Подписано в печать 12.05.04. Формат 60 х 90 V|6. Бумага офсетная № 1 Уел иеч. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №53(2004).

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

1 з ític;: 2004 41

Введение

Гл.1. Особенности возникновения ЭЦР разряда в газе малой плотности в прямой магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ-излучения

1.1. Описание экспериментальной установки

1.2. Пробой газа в прямой магнитной ловушке в условиях ЭЦР

1.3. Влияние на развитие ЭЦР разряда диэлектрика, находящегося вблизи магнитной пробки

1.4. Обсуждение результатов и выводы

Гл.2. Излучение плазмы ЭЦР разряда в области вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена

2.1. Диагностическая аппаратура

2.2. Ультрафиолетовое и вакуумное ультрафиолетовое излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 540-4000 А)

2.3. Мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 10 - 250 А)

2.4. Рентгеновское излучение ЭЦР разряда (диапазон длин волн 1 - 6 А)

2.5. Изображение плазмы ЭЦР разряда в мягких рентгеновских лучах

2.6. Обсуждение экспериментальных результатов, выводы

Гл.3. Распределения ионов плазмы ЭЦР разряда по зарядовым состояниям

3.1. Система импульсного напуска газа

3.2. Система анализа ионов

3.3. Результаты экспериментов

3.4. Интерпретация полученных результатов

СВЧ разряд в магнитном поле в условиях электронного циклотронного резонанса (ЭЦР) привлекает к себе внимание исследователей на протяжении приблизительно трёх последних десятилетий. Первоначально изучение и применение ЭЦР разряда было связано с экспериментами, проводимыми в рамках программы по управляемому термоядерному синтезу (см., например, [1-10]). В дальнейшем ЭЦР разряд стал использоваться также в других областях науки и техники. В настоящее время плазма, полученная в условиях ЭЦР, применяется, например, во всевозможных плазменно-ионных технологиях в микроэлектронике (травление [11-14], напыление тонких плёнок [11,13,15, 19], ионная имплантация [13, 15-19], ионная литография [20] и др.). Одним из наиболее важных научных приложений ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке явилось создание источников многозарядных ионов (МЗИ) различных химических элементов, в частности, инертных газов. Такие источники МЗИ предназначены в первую очередь для инжекции ионов в циклотронные ускорители [21-23].

В связи с непрерывным развитием исследований в области ядерной физики требования к ионным источникам постоянно возрастают. Прежде всего, необходимо повышать зарядность ионов я, поскольку энергия ускоренных в циклотроне заряженных частиц пропорциональна я2 [22-24]. Кроме того, требуется увеличивать интенсивность ионных пучков. Именно источники МЗИ на основе ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке считаются в настоящее время наиболее перспективными в этом плане [21-23].

Один из путей совершенствования ЭЦР источников МЗИ связан с повышением частоты и мощности СВЧ накачки. Это стало очевидным после того, как в работах [21,25] 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 Г свч. В то же время распределение ионов по зарядовым состояниям при этом практически не изменилось, что в рамках элементарных представлений можно объяснить следующим образом. При увеличении частоты СВЧ накачки возрастает концентрация электронов в разряде Ке, при этом пропорционально Ме растут и потери плазмы за счёт кулоновских столкновений (время жизни плазмы в магнитной ловушке т, ос 1/Ые). В этом случае, при оптимальной температуре электронов, распределение ионов по зарядам, определяемое параметром [22, 23, 26], не изменяется, а ток многозарядных ионов, определяемый параметром Ые /х, , будет пропорционален f свч , если Ые ^вч •

Отсюда понятен интерес к исследованиям электронно-циклотронного резонансного разряда, создаваемого СВЧ излучением большой частоты, поскольку соответственно должен возрасти ток многозарядных ионов. Кроме того, необходимо подчеркнуть, что при использовании мощного миллиметрового излучения гиротронов возможно настолько значительное увеличение концентрации разрядной плазмы (при сохранении высокой температуры электронов), при котором изменяется характер удержания плазмы в ловушке - реализуется так называемый квазигазодинамический режим с холодными "столкновительными" ионами, горячими "бесстолкновительными" электронами и заполненными конусами потерь в пространстве скоростей [27-29]. В таком режиме время удержания плазмы слабо зависит от её плотности (см., например, [27, 28, 30]), поэтому с увеличением концентрации электронов увеличивается параметр , в результате чего максимум ионных зарядовых распределений смещается в сторону более высоких кратностей ионизации [22, 23]. В связи с вышесказанным понятна актуальность исследований оптимальных с точки зрения образования многозарядных ионов режимов горения электронно-циклотронного резонансного разряда, поддерживаемого в прямой магнитной ловушке миллиметровым излучением гиротрона.

Наряду с использованием ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке в качестве источника МЗИ, такой разряд в тяжёлых газах (азот, кислород, аргон, криптон и др.) рассматривается также как возможный источник вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и некогерентного мягкого рентгеновского излучения (МРИ), представляющего собой линейчатое излучение многозарядных ионов [31-34]. Такие источники могут применяться, например, для калибровки рентгеновской аппаратуры [35], модификации поверхности полимеров и т. д. [36]. Но основные перспективы использования ЭЦР разряда как источника МРИ связаны, по-видимому, с микроэлектроникой [32, 33]. В настоящее время в мире интенсивно ведутся работы по созданию различных типов источников мягкого рентгена (МР) с длиной волны порядка 100 А [37-42]. Такое излучение применяется в рентгеновской микролитографии для получения полупроводниковых структур субмикронных размеров, что является чрезвычайно актуальной задачей [43-45].

Для эффективной работы плазменных рентгеновских источников требуется наличие достаточно плотной плазмы с горячей электронной компонентой и заметным количеством многозарядных ионов необходимой кратности ионизации. Физические условия в ЭЦР разряде, поддерживаемом мощным излучением гиротрона миллиметрового диапазона длин волн в прямой магнитной ловушке, позволяют получить значительную температуру Те ~ 100 - 400 эВ [9, 46] основной части электронов, а также плотную плазму с электронной концентрацией Ые ^ 2-10 см [9, 32, 46, 47]. Поскольку указанная электронная температура близка к оптимальной для образования и возбуждения многозарядных ионов тяжёлых газов [48-51], излучающих в мягком рентгеновском диапазоне в области длин волн порядка 100 Ä [52], в плазме ЭЦР разряда должно создаваться большое количество МЗИ, и генерироваться интенсивное линейчатое мягкое рентгеновское излучение.

Говоря о создании плазменных источников МРИ, следует иметь в виду и такую технологическую проблему, как загрязнение элементов рентгеновской оптики, вызванное воздействием разлетающейся разрядной плазмы (особенно это касается лазерно-плазменных источников). При использовании же в качестве источника мягкого рентгена ЭЦР разряда в магнитной ловушке указанная проблема легко решается, если выводить рентгеновское излучение перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, поскольку в этом направлении обеспечивается хорошее удержание плазмы.

Таким образом, на основе ЭЦР разряда в тяжёлых газах в прямой магнитной ловушке с накачкой мощным миллиметровым излучением гиротрона может быть реализован весьма эффективный источник мягкого рентгеновского излучения в области длин волн порядка 100 Ä. Поэтому представляются актуальными исследования режимов горения ЭЦР разряда, обеспечивающих оптимальные условия для генерации мягкого рентгена.

В связи с широким применением в научных исследованиях и технологиях ЭЦР разряда в прямых магнитных ловушках, значительный интерес представляет изучение начальной стадии такого разряда, т.е. изучение процесса пробоя. Дело в том, что при создании и нагреве плазмы в условиях электронного циклотронного резонанса (а это, как правило, происходит при достаточно низких давлениях рабочего газа - 10 ~3 Topp и ниже ) наряду с кулоновскими столкновениями появляется дополнительный канал ухода плазмы из ловушки, связанный с рассеянием электронов в конус потерь при взаимодействии их с резонансной СВЧ накачкой [29, 53-56]. При использовании в качестве источника СВЧ излучения современных гиротронов, создающих плотность потока мощности порядка нескольких кВт/см и выше [57-59], указанный механизм потерь может стать доминирующим [56]. В работе [53] была построена теория ЭЦР пробоя газа малой плотности в прямой осесимметричной магнитной ловушке, учитывающая потери электронов при их взаимодействии с СВЧ полем в зоне электронного циклотронного резонанса. Экспериментальная проверка данной теории также представляется актуальной задачей.

Целью настоящей диссертационной работы являлось экспериментальное исследование ЭЦР разряда, создаваемого в прямой магнитной ловушке в тяжёлых (воздух, кислород, аргон) газах излучением мощного импульсного гиротрона миллиметрового диапазона длин волн, а также изучение перспектив использования такого разряда в качестве источника мягкого рентгеновского излучения и многозарядных ионов.

Научная новизна.

1. Экспериментально исследован СВЧ пробой разреженного (давление р < 10 ~ 3 Topp) тяжёлого газа (воздух) в прямой осесимметричной магнитной ловушке в условиях циклотронного резонанса электронов при квазиоптическом продольном вводе мощного (130 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 потери электронов из ловушки (по крайней мере, на начальном этапе разряда) определяются рассеянием их в конус потерь при взаимодействии с мощной резонансной СВЧ накачкой.

2. Проведены исследования мягкого рентгеновского излучения импульсного ЭЦР разряда в тяжёлых газах (воздух, кислород, аргон), поддерживаемого мощным пучком миллиметровых волн в прямой магнитной ловушке простой пробочной конфигурации. С помощью монохроматора на основе сменных многослойных рентгеновских зеркал впервые получен спектр линейчатого мягкого рентгеновского излучения (МРИ) плазмы ЭЦР разряда в аргоне в диапазоне длин волн 65 - 200 Ä. Экспериментально показано, что максимум МРИ плазмы лежит в области длин волн А, ~ 100 Ä, а на краях интервала ДА. « 70 -110 Ä интенсивность излучения спадает на порядок.

3. Измерена абсолютная спектральная интенсивность линейчатого излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда в диапазоне 65 - 170 Ä. Показано, что такой разряд является эффективным источником мягкого рентгеновского излучения: максимум спектральной мощности составляет 730 Вт/ Ä на длине волны А, ~ 100 Ä, а интегральная по указанному диапазону длин волн мощность МРИ (в предположении изотропности рентгеновского источника) достигает 16 кВт. Таким образом, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение оказывается на уровне 12 % .

4. В условиях интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения получен спектр и проведены абсолютные измерения интенсивности тормозного рентгеновского излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда в интервале длин волн А. « 1 — 6 А. Экспериментально показано, что в плазме существуют две фракции электронов - "тёплая" с температурой Т" » 300 - 400 эВ и "горячая" с температурой Teh «6-12 кэВ. На основании абсолютных измерений интенсивностей тормозного рентгеновского излучения определены концентрации обеих групп электронов, которые составили N* « (2-7)-10 13 см-3 для "тёплых" и N, <3109 см-3 для "горячих" электронов.

5. С помощью камеры-обскуры получено рентгеновское изображение плазмы ЭЦР разряда в аргоне в диапазоне длин волн X » 60 — 115 А при несоосном вводе СВЧ мощности в магнитную ловушку, приводящем к азимутально-неоднородному нагреву электронов. Анализ такого рентгеновского изображения позволил сделать оценку времени жизни плазмы в ловушке, которая дала величину порядка 10 мкс. Это соответствует теоретическим представлениям о характере удержания в ловушке плотной сильнонеравновесной плазмы, согласно которым в условиях наших экспериментов в режиме интенсивной генерации МРИ реализуется квазигазодинамический (КГД) режим удержания плазмы с изотропной функцией распределения электронов по скоростям.

6. Экспериментально найдены условия эффективной генерации в ЭЦР разряде многозарядных ионов. В этих условиях проведены измерения распределения ионов аргона по зарядовым состояниям в плазме, вытекающей из магнитной ловушки через её пробки. Обнаружено, что максимум распределения существенно смещён в сторону больших зарядностей по сравнению с распределениями в традиционных ЭЦР источниках МЗИ с накачкой излучением сантиметрового диапазона длин волн.

Исследовано временное поведение распределений ионов аргона по кратностям ионизации в течение разряда.

7. Вся совокупность наблюдаемых экспериментальных фактов объясняется в рамках предположения о том, что в экспериментах был осуществлён квазигазодинамический режим удержания ЭЦР-плазмы. Причём в условиях эффективной генерации высокозарядных ионов реализуется, по-видимому, КГД режим с сильно анизотропной функцией распределения электронов по скоростям ( Тех » Тец), в котором время жизни плазмы в ловушке значительно превосходит время жизни в КГД режиме с изотропной функцией распределения электронов, реализующемся в условиях интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения. Смена анизотропного КГД режима удержания плазмы в ловушке изотропным приводит к уменьшению параметра Ne-ii , определяющего зарядность ионов плазмы, что и объясняет наблюдаемую динамику распределений ионов по кратностям ионизации.

Научная и практическая значимость.

Исследованы особенности возникновения и поддержания плотной неравновесной плазмы импульсного разряда в тяжёлых газах, возникающего в магнитной ловушке простой пробочной конфигурации под действием мощного миллиметрового излучения в условиях электронного циклотронного резонанса. Показано, что такой разряд является эффективным источником как мягкого рентгеновского излучения, так и многозарядных ионов, и может быть использован в рентгеновской микролитографии и ускорителях тяжёлых частиц.

Использование результатов работы.

Результаты проведённых исследований использовались: в работе по теме "Шарж" (отчёт ИПФ АН СССР, 1991 г., № Гос. регистрации 01870089540); при реализации Межотраслевой научно-технической программы России "Физика микроволн" (проект 4.2) и Федеральной целевой программы "Интеграция" (проект "Фундаментальная радиофизика"); при выполнении государственного контракта № 105-5/33/34/35/68(00)-П "Гиротрон"; проектов РФФИ № 93-02-849, № 00-02-16480, а также международных проектов ИНТАС № 97-0094, ИНКАС (МЦФПИН) № 98-2-12, МНТЦ № 325 и № 1496.

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Общий объём диссертации составляет 157 страниц, включая 63 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 165 наименований.

Полученные в диссертационной работе основные научные результаты заключаются в следующем.1. Экспериментально определены условия импульсного ЭЦР пробоя тяжёлого газа

(воздуха) в прямой осесимметричной магнитной ловушке при продольном вводе СВЧ излучения миллиметрового диапазона в зависимости от давления газа р и величины магнитного поля в пробках ловушки Вщ при постоянном уровне СВЧ мощности.Полученные экспериментальные результаты подтверждают теоретические предположения об определяющей роли в электронных потерях (по крайней мере, на стадии пробоя) процесса рассеяния электронов в конус потерь при их взаимодействии с СВЧ полем мощной микроволновой накачки в зоне электронного циклотронного резонанса.Исследовано влияние на порог возникновения ЭЦР разряда положения входного кварцевого окна, через которое СВЧ излучение вводится в разрядную вакуумную камеру.Экспериментально найдено, что при помещении диэлектрического окна в магнитную пробку или внутрь ловушки на плоскости параметров р-Вщ появляется дополнительная область существования ЭЦР разряда, что связано с вьщелением газа с поверхности диэлектрика и последующим развитием разряда в этом газе.2. Проведены исследования спектров излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда, поддерживаемого в прямой осесимметричной магнитной ловушке мощным пучком электромагнитных волн миллиметрового диапазона, с помощью вакуумного спектрографа в ультрафиолетовой и вакуумной ультрафиолетовой областях (интервал длин волн X « 540 — 4000 А). Обнаружено, что интенсивность излучения плазмы нарастает в коротковолновую область спектра вплоть до границы исследованного спектрального интервала. Расшифровка спектральных линий показала наличие в разряде ионов аргона с зарядами +(4 - 5).3. Исследовано мягкое рентгеновское излучение ЭЦР разряда в воздухе, техническом кислороде и чистом аргоне в диапазоне длин волн Я, « 10 - 250 А с использованием фильтров и p-i-n диодов с различными спектральными чувствительностями. Найдено, что основная часть рентгеновского излучения плазм перечисленных газов лежит в интервале Я,«45 —120Ас максимумом в области Я, 70 - 100 А, причём наибольшая интегральная по указанному участку спектра интенсивность излучения наблюдалась в аргоновой плазме. Показано, что исследуемое рентгеновское излучение представляет собой линейчатое излучение многозарядных ионов.4. Исследованы спектры МРИ плазмы ЭЦР разряда в аргоне в интервале длин волн X « 65 - 200 А с помощью рентгеновского монохроматора на основе многослойного рентгеновского зеркала. Проведённые абсолютные измерения интенсивности мягкого рентгена показали, что максимум спектральной мощности составляет 730 Вт /А на длине волны Л, 100 А, а интегральная по диапазону длин волн Я, « 65 — 170 А мощность MP излучения (в предположении изотропности источника) достигает Wwpn « 16 кВт.Следовательно, эффективность преобразования мощности СВЧ излучения в мягкое рентгеновское излучение оказывается на уровне 1 2 % .5. В режиме интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения получен спектр и проведены абсолютные измерения интенсивности рентгеновского излучения аргоновой плазмы ЭЦР разряда в интервале длин волн Я, « 1 - 6 А. Показано, что данное рентгеновское излучение является тормозным излучением, возникающим в объёме плазмы при столкновениях электронов с ионами. Эксперименты показали наличие в плазме двух фракций электронов - "тёплой" с температурой Т^ * « 300 - 400 эВ и "горячей" с температурой TJ" « 6 - 12 кэВ. На основании измеренных абсолютных значений интенсивностей тормозного рентгеновского излучения определены концентрации обеих групп электронов, которые составили N* » (2-7)-10 ''' см •^ для "тёплых" и Nj < 3-10 см для "горячих" электронов. Мощность тормозного рентгеновского излучения, проинтегрированная по диапазону длин волн Я, « 1 — 6 А, составила при этом W юрм. « 1.5 Вт.6. В режиме интенсивной генерации мягкого рентгеновского излучения с помощью камеры-обскуры получено интегральное по времени рентгеновское изображение плазмы ЭЦР разряда в аргоне в диапазоне длин волн А, « 60 - 115 А. Анализ формы рентгеновского изображения излучающей области при несоосном вводе в магнитную ловушку СВЧ мощности позволил оценить время жизни плазмы в ловущке, которое составило около 10 мкс. Данная величина согласуется с результатами существующей теории удержания плотной неравновесной плазмы ЭЦР разряда в прямой магнитной ловушке.7. Экспериментально найдены условия эффективной генерации в ЭЦР разряде многозарядных ионов аргона. В этих условиях проведены измерения распределений ионов аргона по зарядовым состояниям в плазме, вытекающей из магнитной ловушки через её пробки. Обнаружено, что максимум распределений существенно смещён в сторону бо'льших зарядностей по сравнению с распределениями в традиционных ЭЦР источниках многозарядных ионов непрерьгеного действия с накачкой излучением сантиметрового диапазона длин волн.Исследована временная динамика указанных распределений в течение разряда.Измерения показали, что в течение первых нескольких сотен микросекунд после начала ЭЦР разряда распределение ионов аргона по зарядовым состояниям имело максимум на зарядах q « + (Ю - 12), затем кратность ионизации ионов снижалась, и максимум зарядового распределения смещался на заряды q » + (5 - 7).8. Реализован квазигазодинамический режим удержания в магнитной ловушке плотной неравновесной (Те » Tj ) плазмы ЭЦР разряда. Отличительной особенностью такого режима является заполненность электронами конусов потерь в пространстве скоростей, так что время жизни плазмы в ловушке слабо зависит от её плотности. При этом сравнительно холодные ионы имеют длину свободного пробега относительно ион ионных столкновений много меньше характерных размеров магнитной ловушки, в то время как горячие электроны являются бесстолкновительными. В этих условиях в разряде возможно образование как изотропной ( Uei « Оец , где Uei и Оец — соответственно поперечная и продольная по отношению к магнитному полю ловушки составляюшие скорости электрона), так и анизотропной ( U e i » Оец) функции распределения электронов по скоростям, что приводит, как показано экспериментально, к формированию распределений ионов по зарядовым состояниям с максимумом на существенно различных зарядностях.

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

2. 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.

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

4. 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. // Физика плазмы. 1976. Т. 2. Вып. 3. 390-395.

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

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

7. 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. 6-70.

8. 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. Вьш. 3. 64-70.

9. Демехов А.Г., Ерёмин 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

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

11. 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, 77-120.

12. 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.

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

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

15. Matsuoka М., Оно 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.

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

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

18. 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.

19. Watanabe Т., Yamamoto K., Tsuda O. et. al. Synthesis of amoфhous 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.

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

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

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

25. 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.

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

27. Гольдберг A.B., Семёнов B.E. Оценка времени жизни ионов в ECR-источнике с плотной плазмой. // Рабочее совещание по источнику ионов с электронно-циклотронным резонансом (ЭЦР). Дубна. Россия. 1991. 16-17.

28. Мирнов B.B., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1988. Т. 8. 77-130.

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

30. 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.

31. 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.

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

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

34. 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.

35. 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. 72-78.

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

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

38. 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,

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

41. Валиев К.А, Физика субмикронной литографии. // М.: Наука. 1990. 528

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

43. Водопьянов А.В., Голубев СВ., Зорин В.Г., Разин СВ., 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. 90-94.

44. Lennon 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.

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

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

47. Voronov G.S. Atomic data for fusion. Carbon and oxygen ions excitation rates by electron impact. // Preprint X» 28 General Physics Institute. 1992. 9 P.

48. Стриганов А.Р., Одинцова Г.А. Таблицы спектральных линий атомов и ионов. Справочник. // М.: Энергоиздат. 1982.312

49. 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. 934-943.

50. Беспалов П.А., Трахтенгерц В.Ю, Циклотронная неустойчивость радиационных поясов Земли. // В кн.: Вопросы теории плазмы. Вып. 10. Нелинейная динамика. М.: Атомиздат. 1980. 88-163.

51. Bespalov Р.А., Trakhtengerts V.Yu. The cyclotron instability in the Earth radiation belts. // Reviews of Plasma Physics. New York: Consultant Bureau. 1986. V, 10. P. 155-192.

52. Goldenberg A.L., Litvak A.G. Recent progress of high-power millimeter wavelength gyrodevices. // Physics of Plasmas. 1995. V. 2. N. 6. Pt. 2. P. 2562-2572.

53. Thumm M. Present developments and status of electron sources for high power gyrotron tubes and free electron masers. // Applied Surface Science. 1997. V. 111. P. 106-120.

54. Denisov G.G. Development of 1 MW output power level gyrotrons for fusion systems. // Proceedings of the International workshop "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. 1.itvak. Nizhny Novgorod. Russia. 2000. V. 2. P. 967-986.

55. Семёнов B.E., Турлапов A.B. Удержание плазмы с анизотропной функцией распределения электронов в открытой магнитной ловушке. // Препринт № 422 ИПФ РАН. Нижний Новгород. 1997. 20

56. Turlapov А.v., Semenov V.E. Confinement of a mirror plasma with an anisotropic electron distribution function. // Physical Review E. 1998. V. 57. N. 5. P. 5937-5944.

57. Semenov V.E., Smimov A.N., Turlapov A. Modeling of a Mirror-Trapped Plasma for an ECR ion Source. // Transactions of Fusion Technology. 1999. V. 35. N IT. P. 398-402.

58. Голубев СВ., Зорин В.Г., Плотников И.В., Разин СВ., 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. 1007-1011.

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

60. 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.

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

62. 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.

63. 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.

64. Golubev S.V., Razin S.V., Semenov V.E., Smimov 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.

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

66. Зайцев Н.И., Иляков Е.В., Ковнеристый Ю.К. и др. Калориметр для измерения энергии мощного электромагнитного импульса. // Приборы и техника эксперимента. 1992. №

67. Ковалёв Н.Ф., Резников Н.Г., Слуцкер ЯЗ. Волноводный фильтр-пробка. // Приборы и техника эксперимента. 1979. № 1. 120-122.

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

69. Lotz W. Electron-impact ionization cross-sections and ionization rate coefficients for atoms and ions from hydrogen to calcium. // Zeitschrift fur Physik. 1968. V. 216. N. 3. P. 241-247.

70. Voronov G.S. A practical fit formula for ionization rate coefficients of atoms and ions by electron impact: Z = 1 -28. // Atomic data and Nuclear data tables. 1997. V. 65. P. 1.

71. Месси Г., Бархоп E. Электронные и ионные столкновения. // М.: ИЛ. 1958. 604

72. Мотт П., Месси Г. Теория атомных столкновений. // М.: Мир. 1969. 450

73. 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.

74. Лихтенберг A., Либерман M. Регулярная и стохастическая динамика. // М.: Мир. 1984.

75. Гришин Л.В., Дорофеюк А.А., Коссый И.А. и др. Исследование вторично- эмиссионного СВЧ разряда при больших углах пролёта электронов. // Диссипация электромагнитных волн в плазме. Труды ФИАН. 1977. Т. 92. 82-131.

76. Бронштейн И.М., Фрайман Б.С. Вторичная электронная эмиссия. // М.: Наука. 1969.

77. Айнбунд М.Р., Поленов Б.В. Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение. //М.: Энергоиздат. 1981. 139

78. Браун Элементарные процессы в плазме газового разряда. // М.: Госатомиздат, 1961.

79. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. // М.: Наука. 1967.

80. Голант В.Е. Сверхвысокочастотные методы исследования плазмы. // М.: Наука. 1968.

81. Диагностика плазмы. // Под ред. Р. Хадцлстоуна и Леонарда. М.: Мир. 1967. 515

82. Держиев В.И., Жидков А.Г., Яковленко СИ. Излучение ионов в неравновесной плотной плазме. //М.: Энергоатомиздат. 1986. 160

83. Пресняков Л.П. Рентгеновская спектроскопия высокотемпературной плазмы. // Успехи Физических Наук. 1976. Т. 119. Вып. 1. 49-73.

84. Лукьянов СЮ. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. // М.: Наука. 1975.

85. Жевлакова Т.А., Любарский СВ. Метрологические проблемы изготовления зеркал для проекционной нанолитографии. // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 7. 40-48.

86. Акимов Ю.К., Игнатьев О.В., Калинин А.И. и др. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. // М.: Энергоатомиздат. 1989. 344 С

87. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С Основы экспериментальных методов ядерной физики. // М.: Энергоатомиздат. 1985.488

88. Гапонов СВ., Гусев 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. 208-213.

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

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

91. Мищетт А. Оптика мягкого рентгеновского излучения. // М.: Мир. 1989. 351 С

92. Гапонов СВ., Дубров В.В., 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. 214-218.

93. 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.

94. Виноградов А.В., Кожевников И.В. Оптика мягкого рентгеновского диапазона: состояние и проблемы. // Рентгеновская оптика. Труды ФИАН. 1989. Т. 196. 4-17.

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

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

97. Непке B.L., Lee Р., Тапака 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.

98. 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.

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

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

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

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

103. Спитцер Л. Физика полностью ионизованного газа. // М.: Мир. 1965. 212

104. Арцимович Л.А., Сагдеев Р.З. Физика плазмы для физиков. // М.: Атомиздат. 1979.

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

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

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

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

109. 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.

110. Запысов А.Л., Израилев И.М., Никитин В.П. и др. Градуировка детекторов низкоэнергетического рентгеновского излучения. //Диагностика плазмы. Вып. 6. М.: Энергоатомиздат. 1989. 43-47.

111. May D.P. ECR ion sources for accelerators. // Proceedings of the 15* International Conference "Cyclotrons and Their Applications". Caen. France. 1998. P. 395-401.

112. Geller R. Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects. // Review of Scientific Instruments. 1998. V. 69. N. 3. P. 1302-1310.

113. Sortais P. General review of recent developments for electron cyclotron resonance ion sources. // Review of Scientific Instruments. 1996. V. 67. N. 3. P. 867-872.

114. Melin G., Drentje A.G., Girard A., Hitz D. Ion behavior and gas mixing in electron cyclotron resonance plasmas as sources of highly charged ions. // Journal of Applied Physics. 1999. V. 86. N. 9. P. 4772-4779.

115. Douysset G., Khodja H., Girard A., Briand J.P. Highly charged ion densities and ion cofinement properties in an electron cyclotron resonance ion source. // Physical Review E. 2000. V. 61. N. 3. P. 3015-3022.

116. Hitz D., Girard A., Debemardi J. et. al. First results of the SERSE source operation at 28 GHz. // Proceedings of the Workshop on the Production of Intense Beams of Highly Charged Ions Р1ВШ-2000. Catania. Italy. 2000. P. 13-17.

117. Gammino S., Ciavola G., Celona L. et. al. Operation of the SERSE superconducting electron cyclotron resonance ion source at 28 GHz. // Review of Scientific Instruments. 2001. V. 72. N. 11. P. 4090-4097.

118. Sortais P., Bouly J.L., Chauvin N. et. al. The ISN PHOENIX program: ECRIS as charge accumulator. // Proceedings of the Workshop on the Production of Intense Beams of Highly Charged Ions PIBHI-2000. Catania. Italy. 2000. P. 11.

119. Thuillier Т., Sortais P., Peaucelle С et. al. New xenon results of PHOENIX at 28 GHz. // Abstracts of 15* International Workshop on ECR Ion Sources. Jyvaskyla. Finland. 2002.

120. Вайнштейн Л.А., Шевелько В.П. Ионизация многозарядных ионов электронами. // Труды ФИАН. 1987. Т. 179. 95-102.

121. Kato Y., Ishii S. Multiple-ionization effect on charge-state distribution in ECR source. // Journal of the Physical Society of Japan. 1995. V. 64. N. 1. P. 114-123.

122. Teng H., Xu Z. Contribution of excitation autoionization to the electron-impact ionization of Ar^^. // Physical Review A. 1996. V. 54. N. 1. P. 444-448.

123. Sortais P. Electron cyclotron resonance ion sources for production of multicharged ions. // Proceedings of the International Workshop on "Strong Microwaves in Plasmas". Ed. by A.G. Litvak. Nizhny Novgorod. Russia. 1994. V. 1. P. 312-327.

124. Кадомцев Б.Б. Коллективные явления в плазме. // М.: Наука. 1988. 304

125. Трубников Б.А. Теория плазмы. // М.: Энергоатомиздат. 1996. 463

126. Gammino S., Celona L., Ciavola G. et. al. Production of intense highly charged ion beams with SERSE. // Proceeding of the 14* International Workshop on ECR Sources. CERN. Geneva. Switzerland. 1999. P. 5-8.

127. Leitner M.A., Lundgren S.A., Lyneis CM. et. al. Progress report of the З*^** generation ECR ion source fabrication. // Proceeding of the 14* International Workshop on ECR Sources. CERN. Geneva. Switzeriand. 1999. P. 66-70.

129. Shirkov G.D. A classical model of ion confinement and losses in ECR ion sources. // Plasma Sources Science and Technology. 1993. V. 2. P. 250-257.

130. Girard A., Serebrennikov K., Lecot C. The role of the frequency in ECR ion sources. // Proceedings of the Workshop on the Production of Intense Beams of Highly Charged Ions PIBHI-2000. Catania. Italy. 2000. P. 141-146.

131. Иоффе M.C, Кадомцев Б.Б. Удержание плазмы в адиабатических ловушках. // Успехи Физических Наук. 1970. Т. 100. Вып. 4. 601-639.

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

133. Арсенин В.В. Аксиально-симметричные открытые ловушки. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1988. Т. 8. 49-76.

134. Чуянов В.А. Адиабатические магнитные ловушки. // Итоги науки и техники. Сер. Физика плазмы. 1980. Т. 1. Ч. 1. С 119-165.

135. Тимофеев А. В. Теория циклотронного нагрева в длинных адиабатических ловушках. // Физика плазмы. 1975. Т. 1. Вып. 1, С 88-110.

136. Melin G., Bourg Е., Briand P., Geller R. Preliminary electron cyclotron emission measurements from an ECRIS plasma. // Journal de Physique. 1989. Collocue CI. Suppl. N l . V . 50. P. 727-737.

137. Huba J.D. NRL plasma formulary. // Washington. 1994. 65 P.

138. Angert N., Spadtke P., Hill C. et. al. High current, high frequency ECRIS development program for LHC heavy ion beam application. // Proceeding of the \4^ International Workshop on ECR Sources. CERN. Geneva. Switzerland. 1999. P. 220-223.

139. Geller R. From цАтрз to mAmps - ECRIS progress and perspectives for the coming years. // Proceedings of the Workshop on the Production of Intense Beams of Highly Charged Ions PIBHI-2000. Catania. Italy. 2000. P. 163-170.

140. Sortais P., Bex L., Maunoury L, et. al. General рифозе high-performance electron cyclotron resonance ion source for production of multicharged ions. // Review of Scientific Instruments. 1998. V. 69. N. 2. P. 656-658.

141. Хилд M., Уортон Микроволновая диагностика плазмы. // М.: Атомиздат. 1968.

142. Hitz D., Berreby R., Druetta М. Diagnostics of ECR Caprice ion source. // Physica Scripta. 1999. V.T80. P. 511-513.

143. Токман M. Д. Нелинейная теория электронно - циклотронного взаимодействия электромагнитных волн с плазмой. // Диссертация на соискание учёной степени доктора физ.- мат. наук. Н. Новгород. 1996. 403

144. Semenov V., Skalyga V., Smirnov А., Zorin V. Scaling for ECR sources of multicharged ions with pumping at frequencies fi-om 10 to 100 GHz. // Review of Scientific Instruments. 2002. V. 73. N. 2. Pt. II. P. 635-637.