Диссертация (Теплофизические проблемы получения стабильных капельных потоков с минимальным разбросом по скорости и размерам капель), страница 9

Достоинство металлических мишеней — большойкоэффициент выхода излучения. Однако воздействие лазера приводит к испарению вещества мишени и её локальному разрушению. В результате, частицы мишени попадают на рабочую оптику и сильно загрязняют её [33].В качестве неметаллических мишеней можно использовать газовые илижидкие струи инертных газов Xe, N2 и Ar [34-36].

Достоинство таких мишеней — отсутствие загрязнения рабочей оптики, а недостаток — малый коэффициент выхода излучения.Наиболее перспективными для получения EUV излучения являютсякриогенные корпускулярные мишени из инертных газов. Такие мишени обладают достаточно большим коэффициентом выхода излучения и не загряз-43няют рабочую оптику [37-40]. На рисунке 1.5 по результатам работ [39,40]представлена возможная схема источника EUV излучения для литографии.Вариант промышленной установки фирмы «ASML» [41] представлен на рисунке 1.6.

В этом варианте для получения EUV излучения предполагаетсяиспользовать монодисперсные гранулы ксенона с диаметром 30 мкм. Ориентировочная стоимость установки 50 миллионов долларов.В настоящее время работы по созданию новых источников EUV излучения проводятся в США (Intel, AMD, Micron Technology, Motorola, IBM), вЕвропе и Японии.В результате взаимодействия высокоинтенсивных ультракоротких лазерных импульсов с веществом мишени, кроме образования плазмы, можетпроисходить ускорение электронов и ионов.

Причём в этом случае темп ускорения может достигать 100 МэВ/мм. Для сравнения, темп ускоренияобычных ускорителей составляет 0,2-0,4 МэВ/м. Высокий темп ускоренияпозволяет существенно уменьшить размеры ускорителя и создавать так называемые настольные ускорители [42-45, 281].В свою очередь, взаимодействуя с ускоренными электронами, плазмасама может стать источником различных видов ядерных излучений. Возможная схема получения ядерных излучений выглядит следующим образом:лазерное излучение, взаимодействуя с мишенью, сначала рождает плазму иускоряет электроны в мишени, а затем, в результате воздействия ускоренных электронов на мишень, мишень сама становится источником различных видов ядерных излучений.

Вид излучения зависит от интенсивностилазерного излучения и от вещества мишени. При высокой интенсивности лазерного излучения и специально выбранном веществе мишени возможен целый спектр термоядерных реакций с выходом нейтронов, гамма квантов,альфа частиц и других ядерных излучений [46-49].44Рис. 1.5. Предлагаемая схема источника излучения в области экстремального ультрафиолета нового типа для литографииРис. 1.6. Возможный вариант литографической промышленной установкифирмы «ASML» (свет источника экстремального ультрафиолетового излучения отмечен зеленым)451.2.2. Теплофизические проблемы криогенных корпускулярных мишенейВ соответствии с методом получения, можно выделить следующие теплофизические процессы, влияющие на получение стабильных монодисперсных потоков капель и гранул (мишеней) из криогенных жидкостей: капиллярный распад струй жидкого криоагента, испарение с поверхности капель,конвективный теплообмен с окружающей средой, радиационный теплообмен, ускорение капель в газовом потоке, взаимодействие криогенных корпускулярных мишеней с высокоэнергетичным пучком.

Необходимо отметить, что экспериментальное исследование этих процессов осложнено следующими обстоятельствами: малым размером капель и гранул (от нескольких микрон до одного миллиметра); большими скоростями (до 100 м/с); высоким вакуумом; наличием низких температур (от 16К до 90К).Рассмотрим каждый из процессов в отдельности.1.2.2.1. Капиллярный распад криогенных струйНаиболее важным теплофизическим процессом, влияющим на получение стабильного потока криогенных корпускулярных мишеней с минимальным разбросом по параметрам, является капиллярный распад струй криогенных жидкостей.

Известно, что при истечении во внешнюю среду жидкаяструя становится неустойчивой и распадается на отдельные капли, различающиеся по размерам и по скорости. Такой вид распада жидких струй получил название спонтанного распада. Если на струе дополнительно имеетсявнешнее осесимметричное возмущение, то при определённых параметрахэтого возмущения жидкая струя распадается на капли одинакового размера(монодисперсные капли). Такой вид распада получил название вынужденного капиллярного распада струй (ВКРС).Первые подробные исследования капиллярной неустойчивости струижидкости были проведены Саваром [50] в 1833 году.

Изучая струи, истекающие из малых отверстий, Савар установил, что длина нераспавшейся час-46ти струи Lj зависит от величины внешнего начального возмущения δ0. Эксперименты Савара были продолжены Рэлеем, предложившим для объясненияполученных результатов линейную теорию устойчивости [51,52].В соответствии с этой теорией, струя неустойчива лишь к осесимметричным возмущениям поверхности, длина волны которых удовлетворяетследующему условию:λ2 π R j      ,(1.1)где: Rj – радиус невозмущённой струи.При выполнении неравенства (1.1) амплитуда возмущения растёт с течением времени t по закону:δ0 e γ t ,δ( t )(1.2)где δ0 – начальное возмущение, γ – инкремент неустойчивости.Инкремент неустойчивости γ определяется следующим дисперсионнымуравнением [13]:γ2σ( 1 κ2 Rj2 ) κRj2 ρI1( κ R j )I0 ( κ R j )0,(1.3)где: σ – поверхностное натяжение, Rj – радиус невозмущённой струи,ρ – плотность жидкости, ĸ – волновое число, I0(ĸRj) и I1(ĸRj) – модифицированные функции Бесселя мнимого аргумента нулевого и первого порядков,соответственно.Обычно для удобства используются безразмерное волновое число k и*безразмерный инкремент неустойчивости γ , определяемые следующим образом:kκ Rjγ*γ2 π Rj;λR 2j ρσ.(1.4)(1.5)С учётом (1.4) и (1.5) дисперсионное уравнение (1.3) может быть записано в следующем виде:47γ*I (k )(1 k ) k 1I0 ( k )0 ,5.2(1.6)В соответствии с линейной теорией Рэлея, максимальное значение инкремент неустойчивости γ* = γ m достигает при волновом числе k=km= 0,697.При максимальном инкременте струя распадается на капли наиболее быстрои имеет минимальную длину.Основываясь на теории Рэлея можно получить следующие важные характеристики: минимальную длину нераспавшейся части струи Lj и диаметротрывающихся от струи капель Dc [14].Диаметр капель:1,145 D0j ,7 ( 2 π km )0 ,33Dc2 Dj .(1.7)Длина нераспавшейся части струи:LjVjlnRjmгде: We1,03 We0 ,5 ln0Rj,(1.8)0ρ R j Vc2– число Вебера.σВ работах Шнейдера [92] и Эгерса [178] показано, что при отрыве капель от струи возникает дополнительное давление P = 2σ/Rj, обусловленноеповерхностным натяжением жидкости σ.Это дополнительноедавлениепрепятствует отрыву капли от струи.

Используя закон сохранения импульса,было получено следующее соотношение, связывающее скорость отрывающихся капель Vc и скорость струи Vj:Vc V j12R j V j2.(1.9)Зная скорость струи Vj , можно также определить расстояние между каплями по следующей формуле:lcπ Dj2 km12 σρ R j V j22,2 D j .(1.10)48Многочисленные эксперименты подтвердили справедливость теорииРэлея для слабовязких жидкостей — жидкостей с динамической вязкостьюнесильно отличающейся от вязкости воды η ≈ 0,001 Па∙с [53-66, 172, 207209].По своим теплофизическим характеристикам (вязкость и поверхностноенатяжение) криогенные жидкости относятся к слабовязким жидкостям. Поэтому, можно было бы ожидать, что капиллярный распад струй криогенныхжидкостей будет мало отличаться от распада при комнатной температуреобычных жидкостей, и для определения основных характеристик капиллярного распада можно использовать результаты линейной теории Рэлея.Однако в работе [67] монодисперсный распад тонких струй водорода иазотас минимальной длиной нераспавшейся части наблюдался при волно-вых числахkm = 0,53 для водорода и km = 0,60 для азота.

В соответствии слинейной теорией Рэлея, монодисперсный распад жидких струй с минимальной длиной нераспавшейся части должен происходить при волновомчисле km ≈ 0,7.Из экспериментов также следует, что на развитие капиллярных поверхностных волн существенное влияниеоказывает температура поверхностиструи. В некоторых случаях капиллярный распад струй криогенных жидкостей в установках по получению криогенных мишеней может происходитьлибо при сильном перегреве струи относительно внешней среды, либо присущественной разнице между давлением окружающей среды и давлением насыщения. В первом случае из-за существования внутри жидкости газовойили паровой фазы может возникнуть мгновенное вскипание жидкости, приводящее к распаду струи на очень мелкие капли [68]. Во втором случае наповерхности струи могут возникнуть так называемые барокапиллярные неустойчивости [68,69].Кроме того, на поверхности струи возможно появление неустойчивости,приводящей к нарушению исходной симметрии истечения [67, 68,70].

Так вработе [67,70] при малых скоростях истечения Vj от 1 м/с до 6 м/с и давле-49ниях, близких к давлению тройной точки, был обнаружен эффект отклонения струи от первоначального вертикального положения.Эффект отклонения струи выглядит следующим образом. Если тонкаякапиллярная струя вводится в камеру при нормальном давлении в камере, тоструя вертикальна.

С уменьшением давления в камере струя начинает отклоняться от вертикали, причём величина угла отклонения может быть значительна. Эффект наблюдался для капиллярных струй разного диаметра. Уголзагиба струи на струях меньшего диаметра был больше. При уменьшениискорости струи и при уменьшении давления в вакуумной камере угол загибаструи увеличивается. К настоящему времени эффект отклонения цилиндрической струи от оси симметрии при сохранении гладкой поверхности струине имеет надёжного объяснения, и для него отсутствует приемлемая математическая модель.Таким образом, существуют экспериментальные результаты, которыене могут быть объяснены в рамках теория Рэлея.

Это может означать, чтоклассическая теория Рэлея для распада тонких струй криогенных жидкостейне применима. В силу этого, более подробное изучение процессов, происходящих при капиллярном распаде тонких струй из криогенных жидкостей,крайне необходимо.1.2.2.2. Испарение с поверхности капель и теплообмен с окружающей средойПри движении внутри вакуумных камер установки, вследствие испарения вещества с поверхности, капли охлаждаются и становятся твёрдыми гранулами.Исследованию свободномолекулярного режима испарения (число Кнудсена Kn >> 1) и диффузионного ( Kn << 1), без учёта влияния капель друг надруга, посвящено значительное количество работ [71-79].Однако в случае монодисперсных капельных потоков, в результате малого расстояния между каплями, влияние капель друг на друга становитсясущественным.