Мощный импульсный терагерцовый гиротрон для перспективного источника экстремального ультрафиолетового излучения

Проект направлен на решение двух фундаментальных научных проблем - создание источников мощного когерентного излучения ТГц частотного диапазона и исследование взаимодействия такого излучения с веществом. Конкретная проблема, решаемая в проекте – создание генераторов с частотой излучения 1 ТГц и мощностью до нескольких киловатт и использование этого излучения для создания источника экстремального ультрафиолетового (ЭУФ) излучения для проекционной литографии высокого разрешения. За основу взят реализованный в 2008 году импульсный гиротрон с большой орбитой (ГБО) (80кВ/0.7А), работающий на третьей циклотронной гармонике с выходной мощностью излучения на частоте 1 ТГц до 0.4 кВт. Мы развиваем эту работу для реализации плазменного источника ЭУФ. Ранее проведённые эксперименты и расчеты показали, что для этого потребуется почти в десять раз большая мощность. Согласно проведенным исследованиям мощность генерации ГБО может быть увеличена до 4 кВт за счет увеличения мощности электронного пучка и уменьшения доли омических потерь в резонаторе. Разработана новая электронно-оптическая система (ЭОС) с реверсом магнитного поля, рассчитанная на формирование электронного пучка с уникальными параметрами 100кВ/1.2А, питч-фактором 1.5 и рекордной компрессией пучка 4700 раз. Реализация новой ЭОС позволит увеличить мощность электронного пучка в 2 раза по сравнению с прежним ГБО. Мощный электронный пучок способствует увеличению эффективности электронно-волнового взаимодействия, снижению омических потерь в резонаторе и увеличению мощности генерации. Для снижения омических потерь был предложен резонатор со скругленным дифракционным выводом излучения. Селективность использованной ранее рабочей моды ТЕ3,7 может улучшить введение в цилиндрическую часть резонатора специальной короткой аксиально-симметричной канавки. Проверить метод селекции предложено в прежней версии ГБО (80кВ/0.7А), где можно использовать резонатор сравнения без селективного элемента. Резонаторы обладают пониженными омическими потерями. Это позволит, согласно расчетам, увеличить мощность генерации до 1 кВт. Так же, проблема селекции может быть решена путем перехода в гладком слабонерегулярном резонаторе к рабочей моде с более высоким радиальным индексом. Мы планируем использовать моду TE3,9. По результатам моделирования, мода TE3,9 успешно конкурирует с ближайшей модой TE2,6. И хотя она не полностью подавлена, но ее вклад в общую выходную мощность составляет менее 5%. Эта небольшая примесь паразитной мощности второй гармоники не создает проблем для использования излучения ГБО для создания разряда в плазме. Соответствующий резонатор разработан для версии ГБО 100кВ/1А. Для дальнейшего использования излучения волноводная мода ТЕ3,9 преобразуется в волновой пучок специально разработанным квазиоптическим преобразователем. В качестве перспективного источника ЭУФ для проекционной микролитографии рассматривается плазма газового разряда, создаваемого мощным сфокусированным пучком электромагнитных волн с частотой 1 ТГц. Газовый разряд зажигается в специальной разрядной вакуумной камере. Поворотное зеркало преобразователя является частью квазиоптического тракта для ввода терагерцового излучения в разрядную камеру с его последующей фокусировкой. Планируется теоретически исследовать возможность существенного повышения интенсивности поля терагерцового излучения в области пробоя за счет использования системы накопления (во времени) и фокусировки выходного волнового потока. Такая система может представлять собой трехзеркальный квазиоптический резонатор. При этом газовый разряд предполагается создавать в точке наибольшего сжатия (по поперечному размеру) циркулирующего внутри резонатора волнового потока. Таким образом, в рамках проекта ставятся задачи создания уникальных компактных источников мощного когерентного излучения (что в терагерцовом частотном диапазоне интересно уже само по себе), так и использования этих источников для реализации перспективных плазменных источников ЭУФ.