8.3. Излучение плазмы
Спектр излучения низкотемпературной плазмы состоит из отдельных спектральных линий.
В газосветных трубках, например, наряду с процессами ионизации происходят процессы рекомбинации ионов с электронами. В результате рекомбинационных процессов формируются рекомбинационное излучение со спектром в виде широких полос.
Спектр излучения высокотемпературной плазмы более разнообразен.
Тормозное излучение с непрерывным рентгеновским спектром возникает при столкновении электронов с ионами в электрическом поле.
Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы. В свою очередь ускорение обратно пропорционально массе частицы. Поэтому в одном и том же поле тормозное излучение электрона гораздо мощнее тормозного излучения другой частицы, например протона.
Интенсивность тормозного излучения пропорциональна квадрату атомного номера Z ядра, в поле которого тормозится электрон, что следует из закона Кулона.
Спектр тормозного излучения непрерывен и ограничен максимально возможной энергией фотонов.
Угловое распределение тормозного излучения зависит от кинетической энергии электрона Те. В нерелятивистском случае, когда Te<mес2 (mе - масса электрона), угловое распределение излучения подобно угловому распределению электрического диполя, перпендикулярного к плоскости траекторий электрона. При ультрарелятивистских энергиях Она, когда Те>>тec2, тормозное излучение направлено по траектории движения электрона и концентрируется в пределах конуса с углом
[рад]
Это свойство используется для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии и -квантов.
В магнитном поле ларморовское вращение релятивистских электронов в плазме приводит к появлению магнитотормозного или синхротронного излучения. Синхротронное излучение обладает практически непрерывным спектром и сосредоточено в направлении мгновенной скорости частицы в узком конусе с углом раствора
где те - масса электрона, Е - ее энергия.
Синхротронное излучение лежит в ультрафиолетовой области спектра, а также в областях мягкого рентгеновского излучения. Синхротронное излучение имеет хорошие перспективы использования в рентгенолитографических процессах микроэлектроники.
Аналогичное излучение нерелятивистских частиц, движущихся по круговым или спиральным траекториям, называется циклотронным излучением. Излучение отдельной частицы в общем случав эллиптически поляризовано, большая ось эллипса поляризации рас положена в проекции магнитного поля.
Плазма может генерировать корпускулярное излучение, формируемое за счет быстрых частиц, вылетающих из неравновесной плазмы в результате развития различного типа неустойчивостей.
8.4. Диагностика плазмы
Диагностика плазмы заключается в определении параметров плазмы, которые характеризуют ее состояние. Диагностика плазмы весьма непростая процедура, поскольку плазма является многокомпонентной неравновесной, неоднородной системой.
Среди параметров, определяемых в процессе диагностики, следует отметить:
форму и месторасположение плазмы;
плотность электронов nc ионов ni атомов па, фотонов;
статистические распределения этих частиц по скоростям;
интенсивность излучения;
коэффициент поглощения;
частоту столкновений компонентов;
коэффициент диффузии.
Помещение датчика в плазму искажает ее параметры. Как правило, используются бесконтактные методы, в которых поле и излучение несут информацию о состоянии плазмы.
Используются пассивные и активные методы измерения параметров плазмы.
Пассивные методы основаны на регистрации излучений и потоков частиц из плазмы или измерения характеристик окружающих полей.
Активные методы основываются на измерении характеристик внешнего зондирующего излучения при его прохождении через плазму и на отклике плазмы на зондирующий луч.
Целенаправленное создание в плазме возмущений и исследование динамики их релаксации позволяют определить локальные характеристики плазмы. Динамика плазмы может быть исследована с помощью скоростной оптической развертки.
Спектроскопические исследования позволяют по излучению плазмы оценить значения концентраций электронов пе, ионов ni и т. д.
Широко используются методы зондирования плазмы когерентным электромагнитным полем. Это может быть как излучение СВЧ-диапазона, так и лазерное излучение в оптическом или ИК-диапазонах. В этом методе используются интерферометрические методы измерений в схемах типа интерферометров Маха — Цендера, Майкельсона.
Зондирование плазмы является самостоятельной областью научных исследований.
Лекция №9. Приборы и устройства плазменной электроники