Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
21
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ФІЗИКИ
КАЛЮЖНА ГАННА ГЕННАДІЇВНА
УДК: 533.9 533.93 537.523/.527
ОСОБЛИВОСТІ ПЛАЗМОВОЇ КІНЕТИКИ
В ЖЕВРІЮЧОМУ РОЗРЯДІ В БАГАТОКОМПОНЕНТНИХ
ГАЗОВИХ СУМІШАХ
01.04.04 – фізична електроніка
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ 2006
Дисертація є рукописом
Робота виконана в Інституті фізики Національної Академії наук України
Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук
Щедрін Анатолій Іванович,
Інститут фізики НАН України,
провідний науковий співробітник
відділу газової електроніки
Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук
Дацюк Віталій Васильович,
Київський національний університет
імені Тараса Шевченка,
доцент кафедри теоретичної фізики
кандидат фізико-математичних наук
Ізмайлов Ігор Олександрович,
Інститут фізики напівпровідників
ім. В.Є. Лашкарьова НАН України,
старший науковий співробітник
відділу теоретичної фізики
Провідна установа: Ужгородський національний університет
кафедра квантової електроніки
Захист дисертації відбудеться 23 лютого 2006 р. о 14 год. 30 хв. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України за адресою: 03028. Київ-28, проспект Науки, 46.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту фізики НАН України.
Автореферат розісланий 19 січня 2006 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Чумак О.О.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Низькотемпературна плазма – це складна система, для якої характерний тісний взаємозв’язок між фізичними і хімічними параметрами: функцією розподілу електронів за енергіями, їх концентрацією, хімічним складом плазми, напругою електричного поля в розряді. Моделювання плазмокінетичних процесів, що мають місце в середовищі, разом з розрахунком функції розподілу електронів і параметрів жевріючого розряду дає можливість визначити оптимальний компонентний склад і тиск робочої газової суміші, а також найбільш сприятливі умови функціонування фізичних систем. Крім того, вивчення цих взаємозв’язків відкриває можливості для керування властивостями середовищ на основі багатокомпонентної плазми, створення багатофункціональних приладів, наприклад, багатохвильових джерел випромінювання.
Слід також відзначити, що багато сумішей, які добре зарекомендували себе в практичному застосуванні, містять надзвичайно токсичні гази. Тому набуває актуальності створення аналогічних систем, але з використанням менш шкідливих компонентів.
Таким чином, в дослідженнях кінетики багатокомпонентної плазми можна виділити такі актуальні напрямки:
– одержання середовищ з якісно новими властивостями, що можуть бути основою для створення перспективних приладів і технологій;
– оптимізація складу сумішей і режиму введення енергії в плазму з метою покращення ефективності існуючих систем;
– пошук безпечних малотоксичних компонентів, які могли б успішно замінити токсичні речовини, що використовуються на даний час.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Представлені в дисертаційній роботі результати отримано у відділі газової електроніки Інституту фізики НАН України. Проведені дослідження є складовими частинами виконання держбюджетних науково-дослідницьких тем:
1. 02.07/00045 "Дослідження механізмів та умов утворення інверсної функції розподілу електронів в жевріючому розряді з порожнистим катодом" договір №Ф7/298-2001 від 29.08.2001 (1.07.2001 – 30.12.2005), номер держреєстрації – 0101U007146;
2. 1.4.1 В/76 "Дослідження кінетичних та динамічних процесів в технологічних плазмових системах" (1.01.2002 – 31.12.2004), номер держреєстрації – 0102U000271;
3. 1.4.1 В/116 "Плазмохімічні та плазмодинамічні процеси в технологічних плазмових системах" (1.01.2005 – 31.12.2005), номер держреєстрації – 01054000632.
Мета і задачі дослідження. При проведенні досліджень, що представлені в дисертаційній роботі, ставилась така мета:
1. підвищення ефективності ексимерних електророзрядних KrF- і ArF- лазерів;
2. пошук малотоксичного і ефективного галогеноносія для XeCl-лазера;
3. одержання активного середовища з інверсною функцією розподілу електронів за енергіями, яке може бути потенційно використане для створення інверсної заселеності електронних рівнів домішкових молекул.
Для досягнення вказаних цілей вирішувались такі задачі:
1. вивчення залежностей енергії випромінювання KrF-, ArF- і XeCl-лазерів від складу газової суміші, тиску, зарядної напруги;
2. вивчення впливу буферного газу на ефективність генерації KrF- і ArF-лазерів;
3. оптимізація параметрів схеми збудження електророзрядних лазерів типу LC-інвертор з метою найефективнішого вкладу енергії в активне середовище;
4. порівняльний аналіз динаміки розряду і випромінювання XeCl-лазера на сумішах He:Xe:HCl і He:Xe:CCl2F2;
5. вивчення функції розподілу електронів за енергіями в сумішах азоту з різними електронегативними газами.
Вказані задачі вирішувались методом комп'ютерного моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерних KrF-, ArF- і XeCl-лазерах, а також ФРЕЕ в суміші азоту з електронегативними газами. Всі числові розрахунки, результати яких представлено в дисертаційній роботі, було проведено в комплексі з експериментальними дослідженнями.
Об'єктом дослідження були кінетичні процеси, що відбуваються в плазмі жевріючого розряду в багатокомпонентних сумішах, а його предметом – активні середовища KrF-, ArF- і XeCl-лазерів різного складу, а також плазма на основі суміші азоту з домішкою електронегативних газів.
Наукова новизна одержаних результатів. Одержані в дисертаційній роботі результати мають важливе наукове значення.
Детальне дослідження впливу виду буферного газу (гелію чи неону) на ефективність роботи ексимерних KrF- і ArF-лазерів дозволило теоретично обґрунтувати експериментальні результати, відомі в світовій практиці.
Вперше досліджено вплив параметрів розповсюдженої схеми збудження електророзрядних ексимерних лазерів типу LC-інвертор на характер плазмової кінетики в активному середовищі лазера. Показано, що потенціал запалення розряду, розрядний струм і енергія випромінювання лазера істотно залежать від параметрів LC-інвертора
Вперше проведено порівняльний аналіз кінетики розряду і випромінювання в ексимерних XeCl-лазерах з використанням галогеноносіїв HCl і CCl2F2. Показано, що максимальна енергія випромінювання в сумішах He:Xe:CCl2F2 і He:Xe:НCl приблизно однакова.
Вперше досліджено функцію розподілу електронів за енергіями в сумішах азоту з різними електронегативними газами і одержано активне середовище з стаціонарною інверсною ФРЕЕ, в якій значна частина електронів має енергії, що відповідають інверсній ділянці, розташованій в діапазоні 2-6 еВ.
Практичне значення одержаних результатів. Одержані в роботі результати мають як наукове, так і прикладне значення.
Оптимізація параметрів сумішей і схеми збудження KrF- і ArF-лазерів дозволила істотно покращити ефективність вкладу енергії в розряд і одержати рекордні на сьогоднішній день вихідні характеристики KrF- і ArF-лазерів на гелієвих сумішах – енергії випромінювання 1 Дж при ккд ~ 2%.
Вперше обґрунтовано доцільність використання буферних газів гелію чи неону, що визначають вартість газової суміші, в ексимерних KrF- і ArF-лазерах в залежності від величини зарядної напруги і параметрів електричної схеми збудження.
Вперше показано можливість реалізації конкурентноспроможного XeCl лазера на основі нової малотоксичної хімічно інертної суміші з використанням галогеноносія фреон-12.
Одержано перспективне середовище із стаціонарною інверсною функцією розподілу, яке може бути використане для створення інверсної заселеності електронних рівнів домішкових частинок.
Особистий вклад здобувача. Участь в постановці задач дослідження, розробка програм для числового моделювання кінетики розряду і випромінювання ексимерних лазерів. Створення бази даних з перерізів електронних процесів і швидкостей кінетичних реакцій, що використовуються в розрахунках. Проведення розрахунків, аналіз теоретичних результатів і інтерпретація експериментальних даних. Підготовка і написання наукових статей, основних положень і висновків дисертаційної роботи.
Всі статті написано у співавторстві з науковим керівником і авторами експериментальних досліджень, що виконані в Інституті лазерної фізики СВ РАН і Інституті фізики НАН України.
Апробація результатів дисертації. Основні результати і положення дисертаційної роботи доповідались на наукових семінарах Інституту фізики НАН України, підсумкових конференціях ІФ НАН України 2003, 2004 рр.; міжнародних конференціях
1. XI International Conference on Laser Optics (St.Petersburg, Russia 30.06 – 4.07, 2003)
2. VI International Conference “Atomic and Molecular Pulsed Lasers (Tomsk, Russia 15.09 – 19.09, 2003)
3. XVI International School-Seminar Spectroscopy of Molecules and Crystals (Sevastopol, Ukraine 25.05 – 1.06, 2003)
Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 5 статтях і 3 матеріалах і тезах конференцій.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація містить вступ, п’ять розділів, загальні висновки і список цитованої літератури. Загальний обсяг дисертації складає 140 сторінок. Робота містить 41 малюнок, 11 таблиць. Список використаних джерел налічує 108 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі до дисертації обґрунтовано актуальність обраного напрямку досліджень, сформульовано мету, задачі і наукову новизну роботи, наукову і практичну цінність одержаних результатів.
Перший розділ дисертаційної роботи присвячений огляду явищ, які зумовлені особливостями плазмової кінетики в багатокомпонентних газових середовищах. Якщо набір кінетичних процесів в однокомпонентній плазмі є порівняно простим, то в суміші декількох газів кількість можливих реакцій між збудженими, зарядженими і нейтральними частинками, а також електронами досягає сотень. При цьому складна кінетика часто зумовлює зміну функції розподілу електронів за енергіями, а також утворення нових компонент плазми, що відсутні у вихідній суміші, призводячи до появи якісно нових властивостей середовища.
Так, наприклад, використання багатокомпонентних сумішей, що містять інертний і електронегативний гази, дозволило вперше одержати стаціонарне середовище з інверсним розподілом електронів за енергіями, що зумовило від'ємну рухливість електронів. Крім того, середовища з інверсними ФРЕЕ становлять і самостійний інтерес, відкриваючи можливість для інвертування заселеностей електронних рівнів деякого домішкового газу в тому випадку, коли максимуми перерізів збудження цих рівнів відповідають інверсній ділянці.
Багатокомпонентні газові середовища знайшли широке застосування в квантовій електроніці, наприклад, в He:Ne-лазері, де неон є робочою речовиною, а гелій – донором енергії збудження; в ексимерних лазерах на галогенідах інертних газів, де випромінюючі молекули формуються в ході гарпунної реакції між збудженим атомом інертного газу і молекулою галогену.
В багатьох випадках використання багатокомпонентних сумішей не призводить до появи принципово нових властивостей робочого середовища, проте значно покращує його корисні характеристики. Наприклад, додавання пари цезію до плазмового джерела від'ємних іонів водню призводить до істотного збільшення густини струму іонів Н- і покращення газової економічності джерела, що пов’язано з реакцією конверсії атомів водню на покритій цезієм поверхні анода. Розбавлення плазми хлору, яка використовується для плазмохімічного травлення, інертними газами чи воднем у багатьох випадках дозволяє значно покращити його ефективність завдяки збільшенню потоку іонів на поверхню, що обробляється. Іонне бомбардування призводить до очистки поверхневих активних центрів внаслідок десорбції продуктів взаємодії і нереагуючих частинок, отже, сприяє підвищенню ефективності травлення.
Використання багатокомпонентних сумішей може провокувати і несприятливі явища, призводячи, наприклад, до розвитку різних нестійкостей. Зокрема, вихідні характеристики ексимерних лазерів на галогенідах інертних газів стримуються виникненням ступінчато-іонізаційної нестійкості, яка спричиняє шнурування розряду і припинення лазерної генерації вже через декілька десятків наносекунд. Як свідчать числові розрахунки, розвиток такої нестійкості пов’язаний з одночасною присутністю в суміші важкого інертного газу і галогену. Зміна плазмохімічного складу середовища може в багатьох випадках спричинити розвиток хімічно-іонізаційної нестійкості.
В другому розділі досліджується плазмова кінетика в активному середовищі ексимерного електророзрядного KrF-лазера, який збуджується електричною схемою типу LC-інвертор з загострюючою ємністю. При числовому моделюванні динаміки розряду і випромінювання ексимерного лазера рівняння електричного кола розв’язувались разом з рівнянням Больцмана для функції розподілу електронів в двочленному наближенні і системою кінетичних рівнянь для нейтральних, збуджених та заряджених частинок плазми і фотонів.
Аналіз плазмокінетичних процесів, що відбуваються в активному об’ємі ексимерного лазера, дає можливість визначити оптимальні параметри робочої суміші (повний тиск, концентрації інертного газу і галогеноносія), а також дослідити залежність енергії випромінювання від величини зарядної напруги.
Зокрема, дослідження впливу тиску суміші на енергію генерації лазера свідчить про те, що зменшення енергії в області високих тисків зумовлено саме кінетичними процесами. Підвищення тиску суміші еквівалентне зменшенню “ефективного” електричного поля в розряді Е/р, що визначає вигляд функції розподілу електронів за енергіями і, відповідно, швидкості електронних процесів. Тому при високих тисках зменшуються концентрації збуджених атомів і іонів інертного газу, внаслідок чого падає темп генерації ексимерних випромінюючих молекул. В той же час зменшення енергії випромінювання при низьких тисках зумовлюється порушенням вимоги однорідної передіонізації робочого об’єму. Із зменшенням тиску суміші скорочується часова затримка між імпульсами передіонізації і розрядного струму. В результаті за час, що передує пробою, електрони передіонізації не встигають однорідно розподілитися по об'єму розрядної камери, що призводить до неоднорідності розряду і зменшення енергії генерації.
Вимогою забезпечення однорідної передіонізації робочого об’єму пояснюється і зміна оптимального тиску суміші від 2,1 до 2,9 атм, що експериментально спостерігається при варіюванні зарядної напруги від 18 до 26 кВ. Із збільшенням зарядної напруги зростає швидкість передачі енергії в розряд і, відповідно, скорочується тривалість допробійної стадії його розвитку. Збільшення тиску суміші дає можливість затримати момент пробою і забезпечити часову затримку між імпульсами передіонізації і розрядного струму, яка є достатньою для однорідної передіонізації розряду. Одночасне підвищення зарядної напруги і тиску суміші призводить до того, що “ефективне” електричне поле в розряді Е/р залишається практично незмінним, так же як і значення швидкісних констант процесів збудження, іонізації і ступінчатої іонізації атомів криптону, які відповідають за генерацію електронів. Тим не менш, в діапазоні зарядних напруг 18–26 кВ спостерігається двократне збільшення енергії випромінювання. Для пояснення цього факту необхідно прийняти до уваги зростання ширини розряду від ~ 0,6 см до ~1,2 см, що експериментально спостерігалось у вказаному інтервалі зміни зарядної напруги. Збільшення області горіння розряду в умовах практично незмінного ефективного поля становить цікаву проблему, яка потребує подальшого детального дослідження.
Вивчення залежності енергії випромінювання KrF-лазера від концентрації інертного газу свідчить про те, що в області низьких концентрацій криптону енергія генерації обмежується малим накопиченням збуджених атомів Kr*, Kr** і іонів Kr+, які беруть участь в процесах формування ексимерних молекул. Збільшення концентрації інертного газу в суміші супроводжується обрізанням високоенергетичного хвоста функції розподілу електронів і, відповідно, зниженням швидкості збудження криптону електронним ударом. Зменшення кількості збуджених атомів Kr*, Kr** призводить до падіння ефективності ступінчатої іонізації – основного процесу утворення електронів в розряді. В результаті зменшується густина електронів і іонів Kr+, F‾. Слід відзначити, що в досить широкому інтервалі поблизу оптимального значення концентрації криптону енергія генерації залишається практично постійною. Цей факт пояснюється дуже слабкою зміною повної швидкості утворення збуджених атомів криптону kexNeNKr в цьому діапазоні, оскільки зростання кількості інертного газу в суміші в той же час призводить до зменшення швидкості збудження kex.
Основне обмеження на вміст галогену в суміші накладають не кінетичні процеси, а параметри кола живлення лазера, зокрема, величина зарядної напруги. Збільшення концентрації фтору спричиняє інтенсивніше прилипання електронів на допробійній стадії розвитку розряду. В результаті електронна густина зростає повільніше, отже для пробою розрядного проміжку необхідні вищі напруги. Тому при деякій граничній (для даної зарядної напруги) концентрації галогену потенціал, що може бути досягнутий на розрядному проміжку, виявляється недостатнім для пробою розряду, отже розрядний струм і енергія генерації різко падають до нуля. В той же час при вищих зарядних напругах пробій в такій суміші відбуватиметься без перешкод, і гранична концентрація галогену зсунеться в область вищих значень. Аналіз кінетичних процесів, що мають місце в активному об'ємі лазера, свідчить про те, що вони не обмежують вміст галогену при концентраціях менших ~ 0,5%.
Оптимальна концентрація фтору, одержана на основі числового розрахунку, виявляється вищою за її експериментальне значення. Для пояснення такого розходження необхідно провести подальше дослідження плазмової кінетики ексимерного лазера з врахуванням процесів, що відбуваються на стінках розрядної камери. Крім того, виявляється, що значний вплив на криву залежності енергії випромінювання від вмісту галогену має також форма електродного профілю, що використовується в числовій моделі. При врахуванні реального (близького до циліндричного) профілю електродів оптимальна концентрація фтору зменшується від 0,5% до 0,4%, а зростання енергії випромінювання при підвищенні вмісту фтору набуває набагато менш різкого характеру.
Кінетичні процеси, що мають місце в активному об’ємі лазера, тісно пов’язані з режимом роботи електричної схеми його накачки. З одного боку, коло живлення, що використовується для накачки лазера, визначає величину електричного поля в розряді і швидкості основних електронних процесів; від швидкості передачі енергії в розряд залежить ступінь однорідності електронів передіонізації. З іншого, плазмова кінетика визначає швидкість генерації електронів на допробійній стадії розвитку розряду, впливаючи на момент пробою і, відповідно, потенціал запалення розряду. Для оптимізації електричної схеми збудження типу LC-інвертор проводився повний аналіз її роботи і впливу кожного з елементів кола на параметри розряду і випромінювання лазера. Результати числових розрахунків, а також експериментальних досліджень свідчать про те, що динаміка розряду і енергія випромінювання істотним чином залежать від величини індуктивності провідників, що підводять струм. Перехід до області оптимальних значень індуктивності дозволяє подвоїти ефективність передачі енергії з електричного кола в розряд, що призводить до зростання енергії генерації приблизно в 1,5–2 рази (мал.1), а також розширити діапазон робочих напруг в бік їх зменшення.
Мал.1. Залежність енергії генерації від індуктивності провідників, що підводять струм
В третьому розділі проведено аналіз кінетики розряду і випромінювання в активному середовищі ArF лазера, а також досліджено вплив виду буферного газу (гелію чи неону) на оптимальні параметри генерації KrF і ArF лазерів. Зміна кінетики розряду і випромінювання ексимерного лазера при заміні гелію на неон зумовлена різницею в транспортних перерізах розсіяння електронів на атомах цих інертних газів: на атомах неону низькоенергетичні електрони розсіюються менш інтенсивно (мал.2а). Тому електрони з енергіями 10–20 еВ, що утворилися в результаті збудження і іонізації атомів легкого інертного газу, в суміші з неоном залишаються в цьому інтервалі, тоді як в суміші з гелієм вони зазнають ефективного розсіяння і переходять в область низьких енергій. Зрозуміло, що оскільки додавання неону до робочої суміші збільшує кількість електронів, які здатні ефективно збуджувати і іонізувати атоми робочого інертного газу, пробій в такому середовищі має відбутися раніше, ніж в суміші з буферним газом гелієм. Таким чином, перехід від гелію до неону дозволяє істотно зменшити потенціал запалення розряду (мал.2б). Проте в тому випадку, коли накопичена енергія передається в розряд досить швидко (що дійсно має місце при параметрах схеми збудження, яка використовується в експерименті), слід брати до уваги те, що передчасний пробій розрядного проміжку призводить до зменшення енергії генерації за рахунок нерівномірної передіонізації активного середовища. Тому заміна гелію на неон супроводжується зменшенням енергії випромінювання. Аби уникнути цього, можна штучно затримати момент пробою в суміші з неоном шляхом збільшення робочого тиску.
Мал.2. а) Транспортні перерізи розсіяння електронів на атомах гелію і неону; б) Часові залежності імпульсів напруги на розряді в сумішах He:Kr:F2 = 89,8:10:0,2, He:Ne:Kr:F2 = 44,9:44,9:10:0,2 и Ne:Kr:F2 = 89,8:10:0,2 при тиску 2,5 атм і зарядній напрузі 21 кВ.
Також розглянуто залежність енергії випромінювання від величини зарядної напруги в KrF і ArF лазерах на основі різних буферних газів. Показано, що зменшення крутизни залежності енергії випромінювання від зарядної напруги, що спостерігається експериментально при додаванні неону до активного середовища ArF-лазера, можна пояснити повільнішим зростанням ширини розряду із збільшенням зарядної напруги.
В четвертому розділі вперше представлено результати числового моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерному ХеСl-лазері, в якому галогеноносієм є фреон-12 (CCl2F2). У порівнянні з хлороводнем, який використовується зазвичай, фреон-12 є низькотоксичною хімічно інертною речовиною. Для з'ясування питання про перспективність його використання як галогеноносія в активному середовищі ексимерного лазера було проведено порівняльний аналіз плазмової кінетики в ХеС1-лазерах на сумішах He:Xe:CCl2F2 і He:Xe:HCl.
Показано, що вибір галогеноносія істотно впливає на величину напруги пробою розрядного проміжку – в середовищі, яке містить НСl, пробій відбувається при нижчій напрузі. Цей факт пов’язаний з різною швидкістю росту електронної густини на допробійній стадії розвитку розряду. Основним процесом, що відповідає за зникнення електронів в цей період часу, є їх прилипання до незбуджених молекул галогеноносія. Оскільки прилипання електронів до молекул НСl, що знаходяться в основному коливальному стані, відбувається з дуже низькою інтенсивністю, зростання електронної густини в суміші, що містить хлороводень, здійснюється набагато швидше, призводячи до пробою розрядного проміжку при низькій напрузі на електродах.
В обох сумішах генерація ексимерних молекул НСl* визначається процесом іон-іонної рекомбінації, оскільки реакція між збудженими атомами Хе* і молекулами НCl або CCl2F2 в 97–98% випадків призводить до дисоціації галогеноносіїв, а не до утворення XeCl*. Таким чином, виграш від використання того чи іншого галогеноносія в ексимерному ХеCl-лазері визначається ефективністю утворення від'ємних іонів Cl‾. Згідно з результатами числового моделювання, швидкості генерації іонів Cl‾ і, відповідно, ексимерних молекул ХеCl* в середовищах Не:Хе:НCl і Не:Хе:CCl2F2 є приблизно однаковими, що призводить до досягнення майже однакових енергій випромінювання. Часова еволюція основних компонент плазми в сумішах Не:Хе:НCl і Не:Хе:CCl2F2 представлена на мал.3.
Мал.3 Часова еволюція основних компонент плазми в суміші Не:Xe:CCl2F2 (а): 1 – Ne, 2 – Xe+, 3 – ClЇ, 4 – Xe*, 5 – CCl2F2, 6 – CCl2F2(v), 7 – XeCl*, 8 – hv, і в суміші Не:Xe:НCl (б): 1 – Ne, 2 –Xe+, 3 – ClЇ, 4 – Xe*, 5 – HCl (υ=1), 6 – HCl(υ=2), 7 – XeCl*, 8 – hv
Одержані результати дають підстави стверджувати, що фреон-12 може бути використаний для створення конкурентноспроможного XeCl-лазера на основі низькотоксичної хімічно інертної суміші.
П'ятий розділ дисертації присвячений числовому розрахунку функцій розподілу електронів за енергіями в сумішах азоту з електронегативними газами в жевріючому розряді з порожнистим катодом. Як було показано раніше в ході експериментальних і теоретичних досліджень [1], в плазмі азоту в жевріючому розряді з порожнистим катодом можливе формування стаціонарної ФРЕЕ з інверсією в області енергій 2–6 еВ. Середовища з подібною функцією розподілу можуть бути використані для інвертування заселеностей електронних рівнів деякого домішкового газу, якщо максимуми перерізів їх збудження співпадають з областю інверсії. Проте одержане середовище містить незначну кількість електронів з енергіями, що відповідають інверсній ділянці: переважна їх більшість зосереджена в енергетичному діапазоні 0–2 еВ. З метою збільшення відносної кількості електронів в інверсній області ФРЕЕ пропонується використати суміш азоту з електронегативними газами. Інтенсивне прилипання низькоенергетичних електронів до електронегативних молекул має сприяти зменшенню їх концентрації в розряді і, відповідно, збільшенню відносної кількості електронів в області вищих енергій і, в тому числі, на інверсній ділянці.
Розрахунок ФРЕЕ проводився для сумішей азоту з електронегативними газами SF6, F2, NF3 і CCl4. Згідно з результатами числового моделювання, змальована ситуація реалізується в середовищах N2:SF6 і N2:CCl4 при відсотковому вмісті електронегативного газу 1–10%. В цих сумішах процес дисоціативного прилипання низькоенергетичних електронів відбувається дуже ефективно, призводячи до помітного зменшення їх кількості. При цьому в результаті перенормування ФРЕЕ відбувається значне збільшення концентрації електронів в інверсній області. Інші непружні процеси взаємодії електронів з домішковим газом не впливають істотним чином на ФРЕЕ внаслідок його низької концентрації. Із збільшенням відсоткового вмісту електронегативного газу роль коливального і електронного збудження його молекул підвищується, призводячи до згладжування інверсії і формування монотонної ФРЕЕ. Найбільший підйом ФРЕЕ на інверсній ділянці досягається в сумішах N2:SF6 і N2:CCl4 при співвідношенні концентрацій азоту і електронегативного газу 10:1 (мал.4).
Мал.4. а) ФРЕЕ в азоті (1) і суміші N2:SF6=1:0,1 (2) при повному тиску 0,1 тор; б) ФРЕЕ в азоті (1) і суміші N2:CCl4=1:0,1 (2) при повному тиску 0,1 тор
В сумішах N2:F2 і N2:NF3 підйому інверсної ділянки не відбувається: прилипання електронів до цих газів має недостатньо інтенсивний характер аби помітно вплинути на вигляд функції розподілу.
ВИСНОВКИ
Досліджено вплив плазмової кінетики в активних середовищах ексимерних KrF-, ArF- і XeCl-лазерів на їх вихідні характеристики, а також одержано перспективне середовище із стаціонарною інверсною ФРЕЕ в суміші азоту з електронегативними газами.
Серед основних результатів дисертаційної роботи головними є:
1. Проведено числове моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерних KrF- і ArF-лазерах на основі гелієвих сумішей, що збуджуються електричною схемою типу LC-інвертор з метою покращення їх характеристик. Проведені теоретичні дослідження дозволили створити ексимерні лазери з ккд ≈ 2%, в той час як максимальний ккд, одержаний дотепер в суміші Не:Kr:F2, складає 1,1%, а в суміші Не:Ar:F2 – 0,44%.
2. Досліджено залежності енергії випромінювання лазерів від повного тиску робочої суміші, співвідношення концентрацій інертного газу і галогеноносія, а також величини зарядної напруги. Обґрунтовано необхідність збільшення тиску робочої суміші із підвищенням зарядної напруги з метою забезпечення однорідної передіонізації середовища.
3. Розглянуто вплив буферного газу (гелію чи неону) на кінетику розряду і випромінювання ексимерних лазерів. Показано, що заміна гелію на неон супроводжується істотним зниженням потенціалу запалення розряду. Цей факт дозволяє знизити потужність накачки ексимерного лазера, проте може призводити до зменшення енергії генерації за рахунок нерівномірної передіонізації активного середовища.
4. Вперше проведено аналіз плазмової кінетики в активному середовищі ексимерного лазера в залежності від параметрів електричної схеми збудження типу LC-інвертор. Це дало можливість оптимізувати вклад енергії в розряд і збільшити енергію випромінювання лазера в 1,5-2 рази.
5. Вперше показано можливість створення конкурентноспроможного ХеС1-лазера з використанням низькотоксичного хімічно інертного галогеноносія фреон-12 СС12F2. Порівняльний аналіз кінетики розряду і випромінювання в ексимерних ХеС1-лазерах на сумішах Не:Хе:НС1 і Не:Хе:СС12F2 показав, що енергії випромінювання, які досягаються в цих активних середовищах, є приблизно однаковими.
6. Розраховано функції розподілу електронів за енергіями в сумішах азоту з електронегативними газами в жевріючому розряді з порожнистим катодом. Виявлено можливість формування стаціонарної ФРЕЕ з інверсією в інтервалі енергій 2-6 еВ і істотною часткою електронів, що відповідають інверсній ділянці.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
1. А.Г.Калюжная, А.В.Рябцев, А.И.Щедрин. Особенности функции распределения электронов в тлеющем разряде с полым катодом в смесях азота с электроотрицательными газами. ЖТФ. 2003. – Т.73, вып.1. –С.42-45.
2. А.М. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.В. Рябцев, А.А. Жупиков. Влияние интенсивности накачки на эффективность эксимерного KrF-лазера на смеси He-Kr-F2. Квантовая электроника. 2004. – Т.34, №10. – С.901-906.
3. М.Г. Зубрілін, Г.Г.Калюжна, І.А.Попов, А.І.Щедрін. Порівняльні характеристики ексимерних XeCl-лазеров на сумішах He/Xe/HCl і He/Xe/CCl2F2. Український фізичний журнал. 2005. – Т.50 , №5. – С.922-930.
4. А.М. Ражев, А.А. Жупиков, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная. Влияние параметров системы возбуждения и активной среды на эффективность эксимерных электроразрядных лазеров. – Украинский физический журнал. 2005. – Т.50, №9. – С.922-929.
5. А.М. Ражев, А.И. Щедрин, А.Г. Калюжная, А.А. Жупиков. Влияние параметров возбуждения и активной среды на эффективность эксимерного электроразрядного ArF лазера. Квантовая электроника. 2005. – Т.35, №9. – С.799-804.
Цитована література.
1. Баженов В.Ю., Рябцев А.В., Солошенко И.А. и др. Исследование функций распределения электронов по энергиям в тлеющем разряде с полым катодом в азоте и кислороде // Физика плазмы. – 2001. – Т.27, № 9. – С.859–864.
АНОТАЦІЯ
Калюжна Г.Г. Особливості плазмової кінетики в жевріючому розряді в багатокомпонентних газових сумішах. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.04 – фізична електроніка. – Інститут фізики НАН України, Київ, 2006.
В дисертації представлено результати досліджень плазмової кінетики в жевріючому розряді в багатокомпонентних сумішах різного складу. Числове моделювання кінетики розряду і випромінювання в ексимерних газорозрядних KrF і ArF лазерах дало можливість визначити оптимальний склад їх активних середовищ, оптимальний тиск сумішей, дослідити залежності енергії випромінювання і ккд лазерів від величини зарядної напруги. Досліджено вплив буферного газу (гелію чи неону) на кінетику розряду і випромінювання. Одночасне моделювання плазмової кінетики ексимерних лазерів і електричної схеми накачки дозволило істотно оптимізувати параметри останньої, що призвело до збільшення ефективності генерації лазерів в 1,5-2 рази.
Вперше проведено числове моделювання кінетики розряду і випромінювання в активному середовищі ексимерного ХеС1 лазера, в якому токсичний галогеноносій НС1, що зазвичай використовується, замінено на фреон-12. Показано, що така заміна не призводить до зменшення ефективності генерації, що дозволило створити конкурентноспроможний ХеС1 лазер на основі малотоксичної хімічно інертної суміші.
Досліджено функції розподілу електронів за енергіями (ФРЕЕ) в сумішах азоту з різними електронегативними газами в жевріючому розряді з порожнистим катодом. Показано, що в сумішах N2:SF6 і N2:CCl4 формується стаціонарна інверсна ФРЕЕ із значним вмістом електронів в області інверсної ділянки.
Ключові слова: ексимерний лазер, галогеніди інертних газів, функція розподілу електронів за енергіями, буферний газ, схема збудження.
АННОТАЦИЯ
Калюжная А.Г. Особенности плазменной кинетики в тлеющем разряде в многокомпонентных газовых смесях. – Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.04 – физическая электроника. – Институт физики НАН Украины, Киев, 2006.
В диссертации представлены результаты изучения плазменной кинетики в тлеющем разряде в ряде многокомпонентных газовых смесей.
Проведено численное моделирование кинетики разряда и излучения в эксимерных KrF- и ArF-лазерах на основе гелиевых смесей, возбуждаемых электрической схемой типа LC-инвертор. С этой целью уравнение Больцмана для функции распределения электронов в двучленном приближении решалось совместно с уравнениями электрической цепи и системой кинетических уравнения для нейтральных, возбужденных и заряженных частиц плазмы. Анализ плазменнокинетических процессов, протекающих в активном объеме лазера, позволил определить оптимальные параметры рабочей среды (полное давление, концентрации инертного газа и галогеноносителя), а также исследовать зависимость энергии излучения от величины зарядного напряжения.
Обнаружено, что изменение содержания инертного газа в достаточно широком диапазоне практически не оказывает влияния на величину энергии генерации, в то время как зависимость ее от содержания галогена носит весьма резкий характер. При этом концентрация фтора ограничивается как кинетическими процессами, так и параметрами цепи питания лазера, а расчетная зависимость энергии излучения от содержания галогена чувствительна к форме электродов, используемых в численной модели. Обоснована необходимость увеличения давления рабочей смеси по мере повышения зарядного напряжения в целях обеспечения однородности предыонизации среды. Впервые отмечено возрастание ширины активной области горения разряда по мере увеличения зарядного напряжения и влияние этого эффекта на величину энергии генерации.
Впервые изучено влияние параметров распространенной электрической схемы возбуждения (типа LC-инвертор) на характер кинетических процессов, протекающих а активной среде эксимерного электроразрядного лазера. Обнаружено, что динамика разряда и излучения существенным образом зависит от величины индуктивности токоподводящих проводов, влияющей на эффективность передачи энергии в разряд. Переход в область оптимальных значений индуктивности позволяет удвоить эффективность энерговклада, что приводит к возрастанию энергии генерации в 1,5-2 раза.
Оптимизация параметров среды и системы возбуждения лазера позволила создать эксимерные лазеры с кпд ≈ 2%, в то время как максимальные кпд, полученные до сих пор в KrF и ArF лазерах на гелиевых смесях составили, соответственно, 1,1% и 0,44%.
Рассмотрено влияние буферного газа (гелия и неона) на кинетику разряда и излучения KrF- и АrF-лазеров. Показано, что замена гелия на неон сопровождается существенным понижением потенциала зажигания разряда, что объясняется различиями в транспортных сечениях рассеяния электронов на атомах этих инертных газов. С одной стороны, этот факт позволяет снизить мощность накачки эксимерного лазера при работе с неоновыми смесями. Однако в том случае, когда запасенная энергия передается в разряд достаточно быстро, преждевременный пробой разрядного промежутка приводит к уменьшению энергии генерации за счет неравномерной предыонизации активной среды. В этом случае замена гелия на неон сопровождается спадом энергии излучения.
Впервые показана возможность создания конкурентноспособного ХеС1-лазера на основе с использованием галогенсодержащего вещества фреон-12 СС12F2. По сравнению с обычно используемым хлороводородом, фреон-12 представляет собой малотоксичный, химически инертный газ. Сравнительный анализ кинетики разряда и излучения в эксимерных ХеС1-лазерах на смесях Не:Хе:НС1 и Не:Хе:СС12F2 показал, что скорости образования эксимерных молекул ХеС1* в этих активных средах сравнимы между собой, что приводит к достижению примерно равных энергий излучения.
Рассчитаны функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в смесях азота с электроотрицательными газами в тлеющем разряде с полым катодом. Известно, что в чистом азоте в тлеющем разряде с полым катодом возможно формирование стационарной ФРЭЭ с инверсным участком в диапазоне 2-6 эВ. Такая среда является перспективной с точки зрения инвертирования заселенностей примесного газа, однако ее возможности ограничены низким числом электронов в области инверсии. С целью повышения относительного числа электронов на инверсном участке, предложено исследовать ФРЭЭ в смесях азота с электроотрицательными газами. Интенсивное прилипание низкоэнергетичных электронов к электроотрицательным молекулам должно способствовать снижению их числа в разряде и, соответственно, увеличению относительного числа электронов на инверсном участке. Описанная ситуация реализуется в смесях N2:SF6 и N2:CCl4 при процентном содержании электроотрицательного газа 1-10%. По мере увеличения его концентрации повышается роль колебательного и электронного возбуждения его молекул, приводя к сглаживанию инверсии. В смесях N2:F2 и N2:NF3 подъема инверсного участка не происходит, поскольку прилипание электронов к этим участкам носит недостаточно интенсивный характер, чтобы заметно повлиять на функцию распределения электронов.
Ключевые слова: эксимерный лазер, галогениды инертных газов, функция распределения электронов по энергиям, буферный газ, схема возбуждения.
SUMMARY
Kalyuzhna G.G. Peculiarities of plasma kinetics in a glow discharge in multicomponent gas mixtures. – Manuscript.
Thesis for the candidate degree (physical and mathematical sciences) in speciality 01.04.04 – physical electronics. – Institute of Physics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2006.
The thesis deals with investigations of plasma kinetics in a glow discharge in multicomponent mixtures of various compositions. Numerical simulation of the discharge and radiation kinetics in excimer gas-discharge KrF and ArF lasers makes it possible to establish the optimal quantitative composition of the active media and the optimal mixture pressure, to investigate the dependence of the radiation energy and efficiency on the magnitude of the charging voltage. The differences of the optimal parameters of the active media of KrF and ArF lasers as well as the influence of a buffer gas (helium or neon) on the discharge and radiation kinetics are studied. Consistent simulation of plasma kinetics in excimer lasers and the electric pumping circuit gives a possibility to optimize the parameters of the latter. This results in an increase of the effectiveness of laser generation by a factor of 1.5-2.
The discharge and radiation kinetics in the active medium of an excimer XeCl laser with a halogen-containing gas Freon-12 instead of toxic HCl is numerically simulated for the first time. It is shown that such replacement does not result in a decrease of the generation effectiveness, that's why Freon-12 can be used for manufacturing a competitive XeCl laser based on a low-toxic chemically inert mixture
The electron energy distribution functions (EEDF) in mixtures of nitrogen with electronegative gases in a hollow-cathode glow discharge are investigated. It is shown that a stationary inversed EEDF with an increased number of electrons in the inverse region can be formed in the mixtures N2:SF6 and N2:CCl4.
Key words: excimer laser, rare-gas halide, electron energy distribution function, buffer gas, excitation circuit.