Научный архив: статьи

Приведены некоторые результаты (в основном полученные впервые) исследований плазменных диодов и пучковой плазмы. Работы проводились в Сухумском физико-техническом институте, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФРАН). Обзор работ разбит на четыре части. В первой части рассмотрены работы по исследованию плазменных диодов, во второй части — работы по созданию генераторов импульсного напряжения, ускорителей электронов прямого действия и использованию релятивистских электронных пучков (РЭП) в прикладных целях.

Приведены некоторые результаты (в основном полученные впервые) исследований плазменных диодов и пучковой плазмы. Работы проводились в Сухумском физико-техническом институте, в Физическом институте им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и в Институте общей физики им. А. М. Прохорова (ИОФРАН). Обзор работ разбит на четыре части. В первой части* рассмотрены работы по исследованию плазменных диодов.

Показано, что на основе ранее обнаруженного эффекта генерации в пучково‐плазменном разряде (ПРР) ионного потока от оси разряда может быть создан плазмохимический реактор для низкоэнергетичного травления полупроводниковых структур. Здесь показана возможность простого управления плотностью и энергией ионного потока путем изменения потенциала коллектора разряда. Реализованы средства компенсации заряда ионного потока, падающего на непроводящую поверхность, с помощью модуляции потенциала держателя подложки, а также путем модуляции потенциала плазмы.

Представлены два варианта конструкции нового электродугового плазматрона, даны их конструктивно‐сборочные чертежи и спецификации. Приведены результаты измерений удельной эрозии анода, оказавшейся на 4—5 порядков величины ниже традиционного уровня. Рассмотрены особенности рабочего процесса нового источника плазмы: вид вольт-амперной характеристики разряда, указания на диффузный характер анодной привязки дуги, проявления химической активации газов, подаваемых в технологический канал плазматрона.

Исследованы спектр излучения, спектральная яркость и размер источника рентгеновского и вакуумного ультрафиолетового излучений на основе фемтосекундной лазерной плазмы. Мягкое рентгеновское излучение этого источника было использовано для абсорбционной и фазово-контрастной радиографии микро- и нанообъектов. Кристаллы фторида лития применялись для регистрации рентгеновских изображений с субмикронным пространственным разрешением.

Представлены результаты исследования пароводяной конверсии метана с использованием трехфазного плазмотрона переменного тока мегаваттной мощности, в котором метан служит рабочим газом. Режим предусматривал одновременную подачу метана в дуговые каналы, а воды – в камеру плазмотрона. Выявлена двухстадийная схема превращений: на первой стадии происходит пиролиз метана в дуговых каналах; на второй — пароводяная конверсия продуктов пиролиза при контакте с водой в камере. Получены экспериментальные данные о влиянии соотношения расходов метана и воды на концентрацию продуктов пиролиза. Режимы работы плазмотрона в ходе исследований варьировались в следующих диапазонах: дуговая мощность – от 1,32 до 1,61 МВт, расход метана – от 43 до 57,5 г/с, расход воды – от 0 до 67 г/с.

Лазеры, источники когерентного ультрафиолетового (УФ) и вакуумного УФ (ВУФ) излучения, плазмохимические реакторы, реакторы для очистки загрязненных газов и т. д. можно отнести к классу устройств, рабочей средой которых является плазма, образованная в результате взаимодействия сильноточного релятивистского электронного пучка (СРЭП) с газом. Эффективность этих устройств, объединенных под общим названием “системы инжекционной газовой электроники” (СИГЭ), в основном зависит от эффективности передачи энергии пучка газу (ng = Wg / Wb) и эффективности преобразования переданной газу энергии Wg в энергию конечного продукта Win (nin = Win / Wg). Рассмотрен экспериментальный стенд-лазер как частный случай СИГЭ, на котором предполагается реализовать новый эффективный способ накачки в целях оптимизации энерговклада ng и полезного выхода nin

Представлены экспериментальные исследования однонейтродных плазмотронов. Рассмотрено влияние изменения расхода основного плазмообразующего газа в зазор катод— нейтрод и влияние изменения расхода основного плазмообразующего газа в зазор нейтрод— анод.

Представлены характеристики нового гиротронного комплекса МИГ-3 для создания и нагрева плазмы в стеллараторе Л-2М и результаты первых экспериментов с использованием указанного комплекса. Комплекс МИГ-3 включает в себя два трехэлектродных гиротрона (ГИКОМ) нового поколения с рекуперацией энергии электронного пучка, высоковольтный модулятор, обеспечивающий работу обоих гиротронов как в отдельности, так и совместно, а также блок управления и регистрации данных. При одновременной работе обоих гиротронов суммарная удельная мощность, вводимая в плазму, может достигать 5 МВт/м3.

Представлены результаты экспериментального исследования параметров плазмы, формируемой в узком коаксиальном резонаторе инжектора CERA-RI-2. Определены зависимости газовой и энергети- ческой эффективности формирования ионного потока от массового расхода рабочего газа – Ar.

Предложена расчетно-экспериментальная методика оценки параметров стационарной пучковой плазмы: средних по ее объему концентрации свободных электронов и степени ионизации газовой компоненты. Мощность пучка электронов, как и длина их пробега, находятся по измерениям вольтамперной характеристики и энергетической эффективности генераторов электронных пучков. Степень ионизации смеси газов рассчитана в предположении баланса процессов ионизации и рекомбинации заряженных частиц. Показано, что в плазме, созданной генератором электронного пучка в смеси газов среднего давления, ключевую роль в рекомбинации играет диссоциативная рекомбинация частиц. Даны оценки достоверности исходных допущений. Используя измеренные вольтамперные характеристики, проведены расчеты характеристик плазмы в смеси газов (О2 – 20,9 %, N2 – 78,1 %, пары H2O – 1 %) при давлении от 1 до 2,5 кПа.

Для увеличения плотности элементов микросхем при фотолитографии предложено использовать лазерно-плазменные источники при оптическом пробое. Наивысшая эффективность генерации излучения в рентгеновском диапазоне на длине волны 6,7 нм достигается при использовании плазмы тугоплавких редкоземельных элементов гадолиния и иттербия в газовой фазе. Рассматриваются основные параметры и варианты построения устройства формирования мишени для оптического пробоя на основе аналога – электродугового источника плазмы на парах щелочно-го металла. Проведено исследование требований к устройству: выполнены термо- и газодинамические расчеты и оценки. В качестве нагревателя предложено использовать нагрев генератором электронного пучка на основе открытого разряда в буферном газе. Выполнены расчеты длины пробега электронов и плотности энерговыделения в плазме. Приведены оценки энергетической эффективности создания мишени при нагреве устройства пучком электронов.