Разработка и создание компактного источника экстремального ультрафиолетового излучения на малоиндуктивных капиллярных разрядах

Использование быстрых электрических капиллярных разрядов для получения неравновесной плазмы многозарядных ионов является одним из основных путей создания компактных и недорогих источников когерентного, частично когерентного и некогерентного экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения [1]. Под термином компактный источник понимается прибор, размещаемый на оптическом столе (itable-top). Необходимая для различных применений степень когерентности определяется соотношением длины капилляра и расстоянием, на котором происходит насыщение интенсивности волны излучения.

Импульсно-периодический источник некогерентного ЭУФ излучения на коротком капилляре (/ ~ 1см) успешно развивается в Японии для целей проекционной литографии на длине волны 13.5 нм в качестве альтернативы лазерно-создаваемому источнику [2]. Настоящая диссертационная работа связана с развитием компактных частично когерентных и полностью когерентных источников ЭУФ излучения (лазеров) на основе длинных капилляров, что является значительно более трудной задачей. Впервые возникновение лазерной генерации на переходе 3p-3s Ne-подобного аргона (А, = 46.9 нм) в источнике на капиллярных разрядах было зарегистрировано исследовательской группой под руководством J. Rocca в 1994 г. в Колорадском Государственном Университете (КГУ), США [3]. В процессе исследования и развития этого лазера энергия генерации была доведена до рекордной в мире величины 0,88 мДж, а средняя мощность до 3,5 мВт при частоте повторения импульсов до 4 Гц [4−6]. Причем было детально исследованы лазерные свойства излучения (расходимость, пространственная когерентность, поляризованность) [7]. На более компактном лазере была достигнута рекордная частота повторения импульсов 14 Гц при выходной энергии 30 мкДж [8].

Усилия американских ученых по развитию ЭУФ лазеров на капиллярных разрядах были подхвачены в Италии, в Университете Л’Акуила [9], Японии, в Токийском Технологическом Институте [10], Чехии, в Институте Физики.

Плазмы Чешской Академии Наук [11] и других странах. Наибольшие успехи были достигнуты итальянскими учеными, которые на неоно-подобных ионах аргона получили лазерную энергию в импульсе до 300 цДж при хорошем качестве излучения, используя умеренные разрядные токи.

Проведенные исследования лазерных характеристик показали, что подобные устройства позволяют получать ЭУФ излучение с расходимостью менее 5 мрад, с круговой поляризацией и полной пространственной поперечной когерентностью в пределах луча. Это дало возможность успешно продемонстрировать их применимость во многих областях науки, в том числе для интерферометрической диагностики плотной плазмы в термоядерных и прикладных исследованиях при фокусировке лазерного луча на мишени [12, 13]. Доказана применимость ЭУФ лазеров для интерференционной литографии в наноэлектронике [14], для измерения оптических констант [15], для абляции различных материалов [16], для определения характеристик мягкой рентгеновской оптики [17] и т. д.

В то же время эффективность подобных лазеров оказывается чрезвычайно низкой (г} ~ 10″ 5), что приводит к энергетической перегрузке и, соответственно, к малому времени жизни капиллярных трубок, недопустимому для практических применений. Эта проблема усугубляется при продвижении в сторону более коротких длин волн, требующих еще более высоких удельных мощностей накачки. При создании импульсных систем питания капиллярных разрядов обычно используются генераторы наносекундных высоковольтных импульсов, в разработке которых накоплен богатый опыт в области сильноточной электроники рядом научных центров, в том числе НИИЭФА. В некоторых экспериментах по ЭУФ лазерам этот опыт использовался буквально напрямую, когда сильноточные электронные ускорители модернизировались путем замены вакуумных диодов на капиллярные нагрузки, что не принесло больших успехов. Целесообразнее, используя этот опыт, создавать компактные импульсные системы питания согласованно с капиллярными нагрузками с тем, чтобы минимизировать неиспользованную в процессе накачки активной среды.

часть первоначально запасенной энергии и увеличить таким образом эффективность источников излучений и срок службы трубок. На решение этой проблемы направлена данная диссертационная работа, что подтверждает ее актуальность.

Актуальность работы подтверждается также тем, что она выполнялась по • Проекту Международного Научного Технологического Центра МНТЦ 0991 «Физика и техника формирования рисунка нанометрового масштаба больших интегральных схем на основе взаимодействия интенсивного ЭУФ излучения с веществом», поддержанного японской стороной.

Цель работы.

Основной целью работы является создание компактного импульсного источника ЭУФ излучения на основе малогабаритного многоканального генератора высоковольтных импульсов, длинной транспортирующей кабельной линии и малоиндуктивной капиллярной нагрузки, а также проведение модельных численных и экспериментальных исследований, подтверждающих работоспособность общей концепции источника излучений.

Для достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

• разработать и промоделировать компактный многоканальный генератор наносекундных высоковольтных импульсов на основе двойной накопительно.

9 формирующей искусственной линии с бумаго-масляным диэлектриком, коммутирующего рельсового газового разрядника с искажением электрического поля и обостряющего газового коммутатора;

• разработать и испытать малоиндуктивную конструкцию подсоединения транспортирующих кабелей к капиллярной нагрузке с тесным расположением обратного коаксиального токопровода, оставляющей свободными оба торца трубки для диагностических и технологических целей;

• исследовать на модельном однокабельном источнике эффективность предварительной ионизации газа в капилляре с помощью бегущей волны скользящего разряда;

• исследовать на модельном источнике электрофизические и излучательные характеристики основного разряда, возникающего при достижении бегущей волной скользящего разряда выходного электрода;

• провести испытания полномасштабного источника ЭУФ излучения, доказывающего его работоспособность и правильность выбранного направления.

Научная новизна.

1. Впервые разработан и создан компактный электроразрядный источник ЭУФ излучения на базе генератора высоковольтных импульсов, в котором использована малогабаритная двойная накопительно-формирующая искусственная линия с бумаго-масляным диэлектриком, допускающая зарядку непосредственно от выпрямителя умеренно высокого напряжения (< 100 кВ).

2. Впервые в системе импульсного питания источника во избежание влияния отраженных волн на процесс накачки активной среды кроме ДФЛ использована длинная транспортирующая линия с длительностью двойного пробега волны напряжения, превышающей длительность высоковольтного импульса (ти ~ 100 не).

3. Впервые разработан токосборный узел источника с восемью кабельными высоковольтными разъемами, выдерживающими импульсное напряжение до 200 кВ и оставляющий свободными оба торца капиллярной трубки для диагностических и технологических целей.

4. Впервые для импульсных ЭУФ источников реализована рабочая схема, в которой предварительная ионизация активной среды производится бегущей волной скользящего лавинного разряда при напряжении, примерно равном двойному напряжению падающей волны (режим разомкнутой линии), а основной разряд накачки осуществляется при токе, стремящемся к двойному току падающей волны (режим короткого замыкания).

5. Впервые разработана модель малоиндуктивной капиллярной нагрузки в виде искусственной линии, звенья которой соответствуют усредненной глубине проникновения электрического поля в капилляр вдоль его оси. В.

Ф звенья включены коммутаторы, запускаемые последовательно в соответствии с движением волны лавинного разряда вдоль капилляра.

6. Экспериментально и численно показано влияние фазы скользящего разряда на обострение тока основного разряда.

7. Впервые получен лазерный эффект на полномасштабном малоиндуктивном источнике на неоно-подобном аргоне (длина капилляра 10 см). При этом использовались бегущая волна скользящего разряда для предварительной ионизации газа в пристеночной области трубки и основной г-разряд для столкновительной ионизационной накачки активной среды.

Практическая значимость работы.

1. Исследования основного разряда в модельном источнике излучения при изменении давления газа на шесть порядков показали, что малоиндуктивный капиллярный разряд представляет универсальный источник коллимированного излучения, от мягкого рентгеновского до видимого красно-оранжевого.

0 диапазонов, включая ЭУФ. Перестройка источника на нужный диапазон спектра достигается простым изменением начального давления газа. Этот результат может быть использован при создании много-диапазонного источника коллимированного излучения для биофизики, бактериологии и других областей науки.

2. Использование созданного компактного полномасштабного источника когерентного излучения на неоно-подобном аргоне с длиной волны генерации.

46.9 нм предусмотрено для проведения демонстрационных экспериментов совместно с ФИ АН по ЭУФ проекционной микроскопии биологических и наноэлекгронных объектов с субмикронным разрешением.

3. Становится возможной разработка более коротковолнового, 13.4 нм ЭУФ лазера на водородо-подобном азоте с использованием опыта разработки малоиндуктивного капилляра, запитываемого от импульсного генератора, содержащего искусственную накопительно-формирующую линию с бумаго-масляным диэлектриком.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты разработки компактного источника коротковолнового излучения на основе высоковольтного наносекундного генератора, содержащего компактную двойную накопительно-формирующую искусственную линию с бумаго-масляным диэлектриком, длинной транспортирующей линии и малоиндуктивной капиллярной нагрузки с радиально расположенными кабельными разъемами.

2. Методика моделирования и оптимизации переходных процессов, происходящих при запитывании малоиндуктивной капиллярной нагрузки от импульсного генератора через длинную транспортирующую линию с учетом параметров капиллярной нагрузки, представленной в виде искусственной коммутируемой специальным образом линии.

3. Результаты экспериментального исследования зависимости времени распространения бегущей волны скользящего лавинного разряда вдоль капилляра от начального давления газа при изменении его от 0.001 до 1000 Topp.

4. Результаты оптических исследований основного разряда в модельном однокабельном источнике от давления газа и напряжения в падающей волне.

5. Результаты испытания полномасштабного источника ЭУФ излучения на неоно-подобном аргоне.

Апробация работы и публикации.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на восьми международных научных конференциях:

Pulsed Power Plasma Science Conference PPPS-2001 (June 17−22, 2001, Las Vegas, Nevada, USA) — 25-th Intern. Power Modulator Symposium and 2002 HighVoltage Workshop (2002, Hollywood, California, USA) — 9-th Intern. Conference on x-ray lasers ICXRL-2004 (23 — 28 May 2004, Beijing, China) — 15-th Intern. Conf. on high power particle beams BEAMs-2004 (18−24 July, 2004, St.-Petersburg, Russia) — XX Международная конференция «Взаимодействие интенсивных потоков энергии с веществом» (28 февраля — 6 марта 2005 г., п. Эльбрус, Россия) — Pulsed Power Conf., РРС-2005 (July 13−18, 2005, Monterey, USA) — International Conferences «Microand nanoelectronics — 2003 and 2005» (October 6−10, 2003; October 3 -7,2005, Zvenigorod, Moscow region, Russia), а также опубликованы в 14 работах.

Структура и объём работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём работы — 198 страниц.

Во введении показана актуальность темы работы, сформулированы ее основная цель, научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения.

В первой главе представлен обзор известных и возможных применений электроразрядных источников коротковолнового ЭУФ излучения, основных направлений развития ЭУФ лазеров. Проанализированы преимущества и недостатки используемых схем высоковольтного импульсного питания электроразрядных источников коротковолнового излучения. Этот анализ позволил сформулировать основную цель работы, задачи разработки и наметить основной подход к ее выполнению.

Во второй главе представлены результаты разработки и исследования многоканального генератора высоковольтных импульсов на основе искусственной ДФЛ с бумаго-масляной изоляцией, разработанной и изготовленной в Санкт-Петербургском Техническом Университете на кафедре # ТВН. По результатам численного моделирования переходных процессов в эквивалентной схеме генератора в согласованном режиме и режиме холостого хода проведена оптимизация элементов газовых разрядников и ошиновки генератора.

В третьей главе дано описание основных технических и конструкторских решений, принятых при разработке полномасштабного источника коротковолнового излучения. Приведены результаты численного моделирования при работе импульсной системы питания, как на постоянную 0 капиллярную нагрузку, так и на капиллярный разряд, описываемый моделью «снежного плуга».

В четвертой главе содержатся сведения о разработке и исследованиях одноканального модельного электроразрядного источника, на котором проводились эксперименты по исследованию процессов формирования и распространения скользящего разряда в капилляре при различных давлениях рабочего газа и зарядного напряжения наносекундного генератора. Приведены результаты сравнения экспериментальных и расчетных данных времени распространения лавинного разряда, а также численного исследования вопросов согласования капиллярной нагрузки с передающей линией.

В пятой главе представлены результаты исследований излучательных характеристик плазмы модельного капиллярного разряда в широком диапазоне изменения давления аргона, а также результаты испытания полномасштабного источника излучений.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Заключение

.