Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 11 04;07;12 Пространственное изменение характеристик эрозионной плазмы свинца при распространении лазерного факела от мишени й А.К. Шуаибов, М.П. Чучман Ужгородский национальный университет, 88000 Ужгород, Украина e-mail: ishev@univ.uzhgorod.ua (Поступило в Редакцию 7 марта 2006 г.) С помощью метода эмиссионной спектроскопии исследованы фундаментальные характеристики лазерной эрозионной плазмы свинца на расстоянии от мишени 1 и 7 mm: концентрации атомов, одно- и двузарядных ионов, электронов, давление, длина свободного пробега, степень ионизации плазмы. Плазма была сформирована излучением импульсно-периодического неодимового лазера: (3-5) 108 W/cm2; 1.06 m; 20 ns; 12 Hz.

PACS: 41.75.Jv, 52.38.-r Введение на 1 и 7 mm от поверхности мишени, был выполнен линзой с фокальным расстоянием F = 11 cm. Таким Метод эмиссионной спектроскопии с пространствен- образом, были исследованы усредненные по времени ным разрешением широко используется для диагностики на определенном расстоянии от мишени эмиссионные и оптимизации многих лазерных технологий, включая спектры излучения лазерной плазмы. Система регилазерное осаждение тонких пленок, лазерные источники страции излучения состояла из монохроматора МДР-2 ионов, источники рентгеновского излучения лазерной (1200 lines/mm), фотоумножителя ФЭУ-106 и потенциоплазмы [1Ц3]. Этот метод позволяет избежать непосред- метра КСП 4. Точность измерения интенсивности излуственного контакта с вредной и химически агрессивной чения была не хуже 10%.

средой, дает фундаментальную информацию относитель- С использованием интенсивности излучения спекно температуры и концентрации электронов в лазерном тральных линий лазерной плазмы в области длин волн факеле, скорости движения плазмы, динамики фунда- 200-600 nm, с учетом относительной спектральной чувментальных характеристик плазмы при одновременном ствительности экспериментальной установки, а также движении, расширении и перемешивании частиц разного данных о времени распада возбужденных состояний по рода в факеле. Таким образом возможно определить различным радиационным каналам [6] были рассчитаны главные критерии контроля свойств внесенной на под- относительные заселенности возбужденных состояний ложку пленки, а также энергетического и зарядового атомов и однозарядных ионов:

состояния ионов в лазерной плазме.

N jkI j jk Свинец широко используется в микроэлектронике, так =, (1) g Ajkg j j как входит в состав многокомпонентных соединений, k например, таких как PbS, PbGa2S4, и керамики [2,4,5].

где Ч длина волны излучения, A Ч вероятность Для упрощения диагностики и контроля лазерной эроперехода, I Ч интенсивность спектральной линии, g Ч зионной плазмы свинца или содержащих его соединений статистический вес, индексы j, k обозначают верхние в различных технологических процессах исследовались и нижние уровни излучательного перехода.

эмиссионные характеристики лазерного факела чистого Распределение заселенностей возбужденных состоясвинца, что позволяет определить фундаментальные ханий атомов и ионов по энергиям дает возможность рактеристики лазерной плазмы при ее распространении.

анализировать особенности образования возбужденных состояний, оценивать соотношение концентраций атоТехника и методика эксперимента мов, одно- и двузарядных ионов, определять электронную температуру плазмы, делать выводы относительно Лазерная плазма формировалась посредством дей- термодинамического и ионизационного равновесия. При ствия импульсно-периодического излучения неодимово- исследовании лазерной эрозионной плазмы свинца был го лазера ((3-5) 108 W/cm2; 1.06 m; 20 ns; 12 Hz). получен достаточно четкий вид распределения заселенВ качестве мишени использовался образец особо чисто- ностей возбужденных состояний атомов и однозарядго свинца. Мишень располагалась в вакуумной камере ных ионов в относительно широком диапазоне энергий.

с остаточным давлением воздуха p = 8 Pa. Фокусировка Распределение характеризуется линейным видом в логалазерного излучения на поверхность мишени осуще- рифмическом масштабе (хотя таких линейных участков ствлялась длиннофокусной линзой F = 50 cm. Отбор несколько) и может быть использовано для определения излучения из областей лазерного факела, удаленных абсолютных значений концентраций атомов и ионов.

62 А.К. Шуаибов, М.П. Чучман Для этого проводилось нормирование относительных значений концентраций атомов и ионов на полученную ранее по времени рекомбинации концентрацию электронов методом решения системы уравнений соотношения концентраций частиц плазмы (na, n+, n2+), определенi i ных экспериментально, и уравнения сохранения заряда, в которое входят концентрации ионов и электронов:

n+ + 2n2+ = ne. (2) i i Для более полного описания плазмы также были вычислены давление (p), длина свободного пробега (L), степень ионизации плазмы () с помощью базовых соотношений из молекулярной физики и физики плазмы:

p = nakTe, (3) L =, (4) 2d2na 100ne =, (5) na + n+ + n2+ i i где k Ч постоянная Больцмана, d Ч диаметр атома свинца.

Ранее мы исследовали временную динамику излуче ния плазмы лазерного факела свинца при его расширении и усредненное во времени излучение на расстоянии 1 и 7 mm от мишени. Эти эксперименты выявили некоторые отличия в эмиссионных характеристиках, вызванные особенностями энергобаланса плазмы и ее пространственной эволюцией при образовании и распространении от мишени. Были определены такие параметры плазмы, как время рекомбинации ионов (tr ), электронная концентрация и температура (Te) [7Ц9].

Таким образом, мы имеем все необходимые данные Распределение возбужденных состояний атомов и ионов свиндля вычисления характеристик плазмы лазерного факела ца по энергиям на расстоянии от мишени 1 и 7 mm.

согласно формулам (1)Ц(5).

единицу большей степени ионизации. В этом случае Результаты и их обсуждение термодинамическое равновесие возбужденных частиц соответствует ионизационному. Соотношение же конИз рисунка были рассчитаны температура электроцентраций атомов и ионов в основных состояниях уканов и относительные концентрации атомов, одно- и зывает на температуру, при которой произошла закалка двузарядных ионов лазерной плазмы. В случае свинца степени ионизации 3.7 eV. Для нижних возбужденных распределение заселенностей возбужденных состояний состояний атомов характерно возбуждение вследствие достаточно четко указывает на присутствие нескольких многочисленных соударений со свободными электроизбирательных механизмов образования возбужденных нами. В целом, несмотря на дополнительные каналы состояний атомов и ионов. Для однозарядных ионов внесения энергии хаотического движения за счет дисна рисунке приведены инверсные прямые, указывающие на преобладание рекомбинационного механизма образо- сипации потенциальной энергии ионов, термодинамическое равновесие всегда успевает установиться. Лучшим вания возбужденных состояний. При этом наибольшее количество как дву-, так и однозарядных ионов нахо- доказательством этому является прямолинейность сформированных различными механизмами участков расдится в основном состоянии. Такой вид распределения заселенностей атомов и ионов свинца указывает также пределения заселенностей возбужденных состояний по на закалку степени ионизации плазмы на ранних этапах энергиям. После закалки степени ионизации скорость ее эволюции. Таким образом, ионизационное равнове- направленного движения частиц плазмы осталась высие можно рассматривать лишь для частиц конкретной сокой: приблизительно 30 и 12 km/s для центра масс степени ионизации и основного состояния ионов на плазмы на расстоянии 1 и 7 mm от мишени. Эквивалент Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Пространственное изменение характеристик эрозионной плазмы свинца... Пространственное изменение характеристик и параметров лазерной плазмы свинца r, ne, Ti.eq., Te, n2+, n+, na, tr, P, L,, mm cm-3 eV eV cm-3 cm-3 cm-3 ns Pa mm % 1 2.4 1016 3.7 0.86 5.7 1014 2.3 1016 1.5 1017 55 (Pb1+) 21055 0.05 14 (Pb2+) 7 1.3 1015 2.9 0.48 1.6 1012 1.3 1015 3.5 1016 1085 (Pb1+) 2702 0.2 1139 (Pb2+) кинетической энергии атомов (исходя из скорости их зом, продольный размер плазмы к окончанию действия движения) составляет десятки и может достигать со- лазера достигает сотен микрометров. На расстоянии тен электронвольт. Поэтому одной из причин закалки же, большем чем 1 мм, проявляется уже изентропийная степени ионизцаии плазмы можно назвать ее быстрое стадия расширения, предшествующая полностью вырарасширение. Пространственная неоднородность состава женной одномерной ударной волне.

азерной плазмы, выраженная в преобладании ионизи- Нужно отметить, что несмотря на неоднородности рованных частиц на переднем фронте и нейтральных на концентрационного профиля плазмы при ее образовании заднем, также может быть причиной наличия нескольких замедление переднего ее фронта и почти постоянная направлений прямых на рисунке. Таким образом, до скорость заднего приведут к постепенному перемешиваизменения характера движения плазмы от мишени и нию плазмы материала мишени без значительного вклаее перемешивания, которое начинает проявляться на да в данный процесс внешнего газа. Перемешиванию расстоянии 7 mm от мишени [9], вместо проявления также будет способствовать турбулентность, сопровонеравновесности на распределении заселенностей по ждающая выравнивание плотности плазмы на переднем энергии, наблюдается четкий вклад определенных меха- фронте с плотностью внешнего газа. Оба этих эффекта низмов возбуждения. Этому способствует также высокая хорошо наблюдаются на практике [9Ц11], а спектры степень ионизации плазмы свинца совместно с низкой плазмы лазерного факела не содержат излучения остатемпературой. точного газа, находящегося в вакуумной камере [11], Результаты вычисления характеристик лазерной плаз- концентрация которого в наших условиях достаточмы представлены в таблице. По изменению параметров но велика (1.8 1015 cm-3). Такое поведение позволяет плазмы при ее движении с 1 до 7 mm от мишени спрогнозировать дальнейший переход от одномерного к можно сделать вывод, что плазма находится в состоянии трехмерому расширению в форме ударной волны и поодномерного расширения (концентрация обратно про- степенное перемешивание с внешним газом вследствие порциональна расстоянию). А по изменению скорости наличия турбулентности. При этом скорость движения движения с увеличением расстояния от мишени можно плазмы начнет снижаться еще быстрее, и окончательное говорить об одномерной ударной волне паров материала выравнивание плотности, а вскоре после этого также мишени, что соответствует зависимости скорости дви- давления плазмы и остаточного газа, возможно из-за жения (V ) от расстояния (r): V 1/r2. Таким образом, взаимодиффузии плазмаЦвнешний газ.

пары, или плазма материала мишени, достигая расстоя- Исследование поведения плазмы при пониженных давния 1 mm от мишени, перестает находиться в состоянии лениях внешнего газа на последних стадиях эволюции адиабатического расширения, которое на ранних этапах особенно актуально вследствие возможного управления эволюции плазмы поддерживается как за счет значитель- конденсацией нанопорошков как очень перспективных ного преобладания давления в плазме над давлением материалов современной электроники [12]. К сожалеокружающего газа в вакуумной камере, так и за счет нию, все тонкости поведения плазмы после ее движения продолжения поглощения в плазме лазерного излучения до расстояния больше чем 7 mm, от мишени остаются и компенсации потери энергии на собственное расшире- не исследованными нами, мы можем говорить только ние и действие на внешний газ. Поглощение в парах о том, что расширение плазмы после ее достижения материала мишени, как указывает одномерное расши- 7 mm постепенно прекращается. Дальше концентрация рение, осуществляется при незначительном отдалении ее частиц снова будет увеличиваться, так как прохоплазмы от мишени. Ее поперечный размер во много раз дит характерное для ударной волны перераспределение превосходит продольный. Сама же скорость расширения плотности, когда частицы собираются около границы на начальном этапе эволюции, которая может быть раздела плазма-газ или, другими словами, на фрони больше 30 km/s, позволяет внешним слоям плазмы те ударной волны. Такое поведение особенно хорошо расшириться настолько, что поглощение переходит к проявляется для серебра и галлия [9,11]. Каков будет внутренним слоям, это является дополнительной (к пе- дальнейший ход событий и как будут соотноситься речисленным в работе [9]) причиной неоднородного ударные процессы с турбулентными, мы планируем концентрационного профиля ионов плазмы. Таким обра- экспериментально исследовать в будущем. Полученные Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 64 А.К. Шуаибов, М.П. Чучман же данные уже дают некоторые ключи к управлению и изменяется настолько, что рекомбинация практически дальнейшей оптимизации работы лазерных источников прекращается. Зависимость времени рекомбинации от плазмы и ионов, рекомбинационных коротковолновых времени расширения в этом случае можно выразить как источников излучения. tr t2. Как следует из таблицы, время рекомбинации Как следует из таблицы, концентрация однозарядных ионов начинает увеличиваться вследствие расширения ионов не меняется вследствие рекомбинации. Изменение плазмы на расстоянии меньше 1 mm, из-за чего на расконцентрации однозарядных ионов, так же как и концен- стоянии 1 mm время рекомбинации однозарядных ионов трации нейтральных атомов, обусловлено в основном больше времени рекомбинации двузарядных ионов тольрасширением. Изменение же концентрации двузарядных ко в 4 раза. Постепенное прекращение рекомбинации ионов не согласуется с одним расширением, поэтому двузарядных ионов в данном случае проявляется уже можно говорить о непрекращающейся рекомбинации тогда, когда их концентрация становится сравнительно двузарядных ионов. Такая особенность указывает на наи- низкой, да и то на небольшое время, так как дальнейший более приемлемое использование лазерных источников переход к режиму разлета ударной волны снова начнет однозарядных ионов, как наименее поддающихся влия- увеличивать концентрацию частиц плазмы и тем самым нию рекомбинации. Отметим также несостоятельность спровоцирует некоторое увеличение температуры, вывремени рекомбинации быстро установить соответствие деление оставшейся потенциальной энергии плазмы, и ионизационного и термодинамического равновесия, из- даст возможность наблюдать второй пространственный за чего имеет место закалка ионизационного состояния максимум интенсивности излучения плазмы лазерного ионов, что совместно с контролируемой начальной сте- факела.

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам