O presente trabalho encontra-se dividido nas seguintes etapas: primeiramente são expostas algumas limitações presentes nas equações dinâmicas dos plasmas não-colisionais. A seguir obtem-se, de maneira heurística, algumas correções elementares às teorias lineares, correções estas que conduzem diretamente as assim chamadas quase-lienares em suas formas não relavística e relavística. Examina-se então o efeito da variação relativística da girofrequência sobre o coeficiente de difusão, numa aproximação tipicamente perturbativa. / The present work is divided in the following parts: firstly some limitations which are present in the dynamical equations for collisionless plasmas are discussed. Then we obtain, in a heuristic form, some elementary corrections to the linear theories, which directly lead to the so-called quasi-linear theories in its non-relativistic and relativistic forms. The effect of the relativistic variation of the gyrofrequency on the diffusion coefficient is examined in a typically perturbative approximation.

O presente trabalho encontra-se dividido nas seguintes etapas: primeiramente são expostas algumas limitações presentes nas equações dinâmicas dos plasmas não-colisionais. A seguir obtem-se, de maneira heurística, algumas correções elementares às teorias lineares, correções estas que conduzem diretamente as assim chamadas quase-lienares em suas formas não relavística e relavística. Examina-se então o efeito da variação relativística da girofrequência sobre o coeficiente de difusão, numa aproximação tipicamente perturbativa. / The present work is divided in the following parts: firstly some limitations which are present in the dynamical equations for collisionless plasmas are discussed. Then we obtain, in a heuristic form, some elementary corrections to the linear theories, which directly lead to the so-called quasi-linear theories in its non-relativistic and relativistic forms. The effect of the relativistic variation of the gyrofrequency on the diffusion coefficient is examined in a typically perturbative approximation.

Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

Investigamos o efeito da rotação de equilíbrio nos fluxos zonais (ZF) e modos acústicos geodésicos (GAM) em tokamaks da secção circular. Estes modos, ZF e GAM, ocorrem em sistemas toroidais como uma resposta do plasma à curvatura geodésica das linhas de campo magnético e devido ao movimento de deriva do fluido ( plasma). Este movimento de deriva é causado pela resposta de partículas carregadas ao campo elétrico e magnético e, para ambas as espécies de cargas, isto é, íons positivo e elétrons, o movimento é na mesma direção. Ao fazer uso de basicamente três aproximações tokamaks de alta razão de aspecto, princípio de quase-neutralidade e baixos valores de (aproximação eletrostática) e ao perturbar as equações da magnetohidrodinâmica ideal até primeira ordem, constatamos que a rotação de equilíbrio, de fato, afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. No equilíbrio com rotação toroidal, já investigado por W. Shaojie, os ZF se tornam instáveis e a freqüência dos GAM se altera com a rotação no caso de condutividade de calor finita; entretanto, quando a condutividade de calor tende a infinito, a rotação não influencia na freqüência dos ZF e GAM. Esta observação e os valores das freqüências dos ZF e GAM diferem da publicação original e portanto, se estivermos corretos, nosso trabalho poderá ajudar a resolver o problema dos ZF e dos GAM, que são questões ainda não completamente entendidas. A rotação causada por um campo eletrostático que surge devido à difusão ambipolar, ainda não investigada anteriormente, é descrita neste trabalho, Vimos que não há instabilidades neste caso, porém esse tipo de rotação também afeta a freqüência dos ZF e dos GAM. A freqüência dos ZF, que na ausência de rotação é nula, é proporcional à intensidade do fluxo de rotação. Interpretamos este resultado como uma conseqüência do efeito doppler. A freqüência dos GAM, por outro lado, se anula quando a rotação atinge um certo valor, que está relacionado com o fator de segurança e a razão do aspecto do tokamak. Considerando de ordem um fluxo de rotação, obtivemos altas freqüências, as quais não são aceitáveis em nosso modelo devido à aproximação de quase-neutralidade, de forma que nosso modelo é válido apenas para fluxos cuja ordem equivalem à razão de aspecto inversa. Entretanto, mesmo neste regime, a rotação tem grande impacto na freqüência dos ZF e dos GAM. Este é o principal resultado obtido. / We investigate the efect of equilibrium rotation on zonal flows (ZF) and geodesic acoustic modes (GAM) in tokamaks of circular cross section. These models, ZF and GAM, occur in toroidal systems as a response of the plasma to the geodesic curvature of the magnetic field lines and due to the drift motion of the fluid (plasma). This drift motions is caused by the response of charged particles to the electric and magnetic field and, for both species of charges, i. e., positive ions and negative electrons, the motion is in the same direction. By making use of basically three approximations, high aspect ratio tokamkas, the quasi-neutrality principle and low values (electrostatic approximation), and pertubing the ideal magnetohydrodynamics equations to first order, we find that the equilibrium rotation does affects the ZF and GAM frequencies. In the equilibrium toroidal rotation flow, which had already been studied by W. Shaojie, the ZF becomes unstable and the GAM frequency is changed by rotation for finity heat conductivity; but when the heat conductivity goes to infinity, the rotation has no influence on the ZF and GAM frequencies. This assertion and also the ZF and GAM frequencies values differ from the original publication and therefore, if we are correct, our work may help to solve the ZF and GAM problem, which is not yet a completely understood subject. The rotation caused by an equilibrium electrostatic field created by ambipolar diffusion, which has not been dealt is also investigate. We find no instability in this case, but the rotation also affects the ZF and GAM frequencies. The ZF frequency, which is usually null, becomes proportional to the equilibrium rotation flow. We interptret this result as a consequency of the doppler effect. The GAM frequency, on the other hand, becomes zero when the rotation reaches a certain value, which is related to the safety factor and the aspect ratio of the tokamak. Consideration of equilibrium flows scaling to order one leads to high frequencies, which is not accepted by contrasting the quasi-neutrality approximation and so, our model is valid only for small equilibrium electric field that scale to the inverse aspect ratio. But even in this regime, we find that the rotation has great impact on the ZF and GAM frequencies, which is the main result we obtain.

Neste trabalho estudaremos o comportamento de um feixe de partículas carregadas, radialmente simétrico, quando este élançado em um canal solenoidal com campo magnético constante. Se esse feixe for denso e se propagar com uma velocidade muito menor que a da luz, sofrerá um forte efeito de repulsão Coulombiana, a qual competirá com a força magnética externa do canal solenoidal. Em um dado momento, entre o regime de transição do estado inicial para o estado final de relaxação, o feixe ejetará partículas do seu núcleo para a borda e, esse processo se intensificará à medida que o feixe se propaga no canal solenoidal. Analisaremos esse fenômeno de maneira detalhada, tanto para feixes com temperaturas quanto para feixes frios. Para isso, construiremos modelos numéricos e analíticos, onde ambos estabelecerão parâmetros que permitam otimizar o tempo de vida do feixe dentro do canal solenoidal até a primeira ejeção de partículas, [1], [2], [3], [4]. Com o intuito de entendermos a dinâmica do sistema como um todo, também estudaremos o estado estacionário do feixe. Para tanto, utilizaremos técnicas Lagrangeanas e quantidade conservadas, como a energia total, a fim de determinarmos a emitância do estado relaxado [5], [6]. / In this work, we will study the behavior of a charged particle beam, radially symmet- rical, when it is launched in a solenoidal channel with constant magnetic field. If the beam is dense and propagate with speed much slower than the light, it will undergo a strong effect of Coulomb repulsion, which compete with the strength of the external magnetic solenoidal channel. At a certain point, between the transition from initial state to the ultimate state of relaxation, the beam will eject particles from the core to its edge, and this process will intensify as the beam propagates in the channel solenoidal. We will analyze this phenomenon in detail either for cold beams as for beams with temperature. To do this, we will construct analytical and numerical models, which both provide parameters to optimize the lifetime of the beam inside the solenoidal channel until the first ejection of particles, [1], [2], [3], [4]. In order to understand the dynamics of the system as a whole, we will also study the relaxed state of the beam. For this purpose, we will use Lagrangian techniques and conserved quantities, as the total energy, with the purpose of determine the emittance of the relaxed state [5], [6].

Neste trabalho são apresentados o projeto, construção, caraterização e utilização de um dispositivo de produção de plasmas por absorção de ondas eletromagnéticas, na frequência ciclotrônica dos elétrons - ECR (\"electron-cyclotron resonance\"), Os fundamentos teóricos dos processos físicos relevantes, tanto com relação a absorção das ondas eletromagnéticas como quanto ao diagnóstico do plasma, são discutidos de forma a permitir uma apresentação completa do tema, A construção e a utilização do dispositivo, para crescimento de filmes semicondutores de interesse sobre substratos de silício, são descritos em detalhe. No caso de filmes de nitreto de boro cúbico, as experiências não tiveram êxito devido a impossibilidade de conseguir a fonte de boro prevista no projeto, decaborana, Já no caso de nitreto de alumínio hexagonal, foi possível demonstrar, pela primeira vez diretamente em dispositivos ECR, o crescimento de grãos policristalinos, A configuração magnética e os parâmetros de plasma apropriados para crescimento de nitreto de alumínio foram devidamente determinados. / The design, construction, and characterization of an electron-cyclotron-resonance (ECR) plasma device, as well as its utilization for deposition of thin semiconductor films, is described in detail. The basic theory of the relevant physical process, regarding electromagnetic wave absorption by the plasma and diagnostic, is discussed in order to provide a self-contained presentation of the subject. The growth of cubic boron nitrite and hexagonal aluminium nitrite over silicon substrates was pursued. In the first case, the experimental procedure was hindered by the impossibility to import decaborane, which was envisaged in the original project as the source of boron. The attempts to other sources were unsuccessful. In the latter case, a successful growth of polycristalins aluminium nitride was achieved, for the first time directly in a ECR plasma), to the best of our knowledge. The magnetic configuration and plasma parameters required for successful crystal growth were determined.

São analisados os campos eletromagnéticos de baixa frequência devidos a limitadores magnéticos ergódicos e desviadores ergódicos e a densidade de potência absorvida em plasmas cilíndricos de tokamaks, considerando os efeitos da deriva diamagnetica e da rotação de plasma com velocidade paralela às linhas de campo magnético de equilíbrio. É considerado o tensor dielétrico de plasma frio colisional para esse modelo. Para a banda de frequências f < 30 kHz e modos com números poloidal/toroidal 31-1, para plasma com fator de segurança com crescimento monótono, e 21-1, para plasma com fator de segurança com um mínimo entre o centro e a borda do mesmo, a densidade de potência absorvida é negativa para frequências menores que a específica de deriva de elétrons e pode ser entendida como uma instabilidade. Esse modo pode ser estabilizado a medida que a frequência se aproxima do valor do mínimo do contínuo de Alfvén na região da superfície magnética racional considerada. Para os modos -311 e -2/1 a densidade de potência absorvida é positiva. A rotação de plasma com velocidade de f106 cm/s no centro do plasma não tem efeitos significativos sobre os resultados em comparação com a deriva diamagnética. Para a banda de frequências 30 7 f < 150 kHz podem ser excitadas ondas de Alfvén de deriva rápidas. A excitação dessas ondas depende da derivada do fator de segurança e das derivadas das frequências angulares diamagnêticas, nos casos de cisalhamento quase nulo e de cisalhamento negativo no centro do plasma, sendo a resistência de antena positiva e oscilatória com os valores dos máximos crescendo com a frequência. Ondas de Alfvén globais são excitadas no centro do plasma para modos poloidal/toroidal com sinais opostos (M/N<O) para plasmas com fator de segurança com crescimento monótono e fre- qüências menores que a mínima do contínuo de Alfvén. Os campos magnéticos do limitador magnético ergódico e do desviador ergódico comlsem a reação do plasma apresentam grandes diferenças. / Low frequency fields and power density absorption excited by ergodic magnetic lirniters and ergodic divertors are analyzed under the influence of the diamagrietic drift effect and the plasma rotation, whicli is parallel to the magnetic field, in the cylindrical plasma model of tokamaks. The dielectric tensor for that model is taken in the collisiorial cold plasma limit. For the frequency band f < 30 kHz the power density absorption for modes witli poloidal/toroidal numbers 31-1 in the plasma with monotonically growing safety factor and 21-1 for the plasma with safety factor with a minimum between the plasma core and the edge, is found to be negative for frequencies below a specific electron drift angular frequency and it can be understood as an instability. The unstable mode can be stabilized as the frequency approaclies tlie Alfvén continuum minimum at the position of the rational magnetic surface. For the modes -311 and -211 the power density absorption is positive. The plasma rotation with core velocity f106 cm/s has no effect in comparison with diamagnetic drift. For the frequency band 30 7 f < 150 kHz it is shown that fast drift Alfvén waves can be excited as eigenmodes. The excitation of these waves depends on the derivatives of the safety factor and the diamagnetic drift angular frequencies in the cases of flat or negative shear in the plasma core and the antenna resistance is positive and oscillatory with the maxima growing with the frequency. Global Alfvén wave resonances are excited at the plasma core for poloidal/toroidal mode numbers with opposite signs (M/N<O) for a monotonically growing safety factor and the frequencies below the minimum of the Alfvén continuum. The ergodic magnetic limiter and ergodic divertor magnetic fields with/witliout the plasma back reaction shows strong differences.

Les plasmas radio-fréquences à couplage inductif en gaz halogénés simples (cl2/hbr/o2) sont fortement utilisés dans l'industrie des semi-conducteurs. Cependant, notre connaissance des processus réactionnels de ces plasmas est encore très partielle. De nombreux travaux de simulations (fluides, particulaires...), visant à améliorer celle-ci, ont été produits ces dernières décennies. Toutefois, trop peu de résultats expérimentaux sont disponibles dans la littérature afin de valider ou améliorer ces simulations. L'objectif de cette thèse est alors de produire un ensemble complet de résultats experimentaux. Nous nous focalisons essentiellement sur le cas des plasmas de cl2 et de o2 purs. Dans cette thèse, nous étendons les résultats expérimentaux déjà présents dans la littérature : densités de charges et de neutres, températures translationnelles. En particulier, les tendances en fonction de la pression, essentielles pour la simulation, sont soigneusement étudiées. Les vibrations moléculaires sont également étudiées à l'aide d'un montage innovant de spectroscopie d'absorption. Nous montrons que les simulations sont encore loin de représenter fidèlement les processus réactionnels des plasmas étudiés. Nous tentons de fournir à cet effet quelques pistes d'améliorations. Ce travail est la base nécessaire à l'amélioration continue des plasmas industriels utilisés pour la gravure de semi-conducteurs. / Radio-frequency inductively-coupled plasmas in simple halogen gases (cl2/hbr/o2) are widely used in the semi-conductor industry. However, our knowledge of these plasmas is still incomplete. To improve it, numerous simulation studies have been performed in the last decades. Unfortunately, experimental results to compare these studies are still scarce. The objectives of this thesis is to provide a comprehensive set of experimental results. We focused on the plasmas of pure o2 and cl2. In this thesis, we extend the already available experimental results : neutral nd charges densities, translational temperatures. In particular, the tendancies of these parameters as a function of the pressure are carefully studied. Molecular vibrations are studied as well using a new kind of absorption spectroscopy setup. We show that the recent simulations are still far from representing the reactional processes in the studied plasmas. We then try to provide some ideas of improvement. This work is the needed start to improve etching plasma industrial processes.

Um novo sistema de bobinas de Mirnov (SCBM), composto de 24 bobinas magnéticas (assim como toda a eletrônica associada ao tratamento dos sinais), foi construído, instalado e colocado em operação para o estudo das instabilidades MHD no plasma do tokamak TCABR. Deste conjunto de bobinas, 22 delas foram instaladas ao redor de uma secão poloidal e, as outras duas, em diferentes posições toroidais, todas no interior da câmara de vácuo do TCABR. O posicionamento assimétrico destas, na direção poloidal, foi feito de forma a corrigir os efeitos produzidos pela toroidicidade do tokamak. Além disso, para a análise dos modos MHD presentes ao longo das descargas de plasma, é proposto um modelo físico simplificado que tem em conta, basicamente, o efeito da superposição de ondas em todas as bobinas magnéticas do sistema. A partir da modulação, das amplitudeds e da defasagem angular obtida entre os sinais experimentais do SCBM, são realizadas simulações para se determinar a intensidade dos modos e a composição do espectro MHD nas descargas de plasma TCABR. Também, foi contrtuído e instalado no interior da câmara de vácuo do tokamak TCABR um Limitador Ergódico Magnético (LEM), para investigar o efeito da atuação de campos magnéticos perturbativos no plasma. A geometria utilizada para o posicionamento dos segmentos condutores, foi escolhida de forma que as perturbações magnéticas geradas pelo LEM atuem, principalmente, na região ao redor da superfície magnéticas q=3. De fato, realizando-se medidas do campo magnético radial gerado pelo LEM, para se investigar a dependência dos campos de perturbação produzidos em função das coordenadas, r, 'teta' e 'fi' do tokamak, foi obtido que o modo m=3 é dominante representando 53% do espectro MHD. As espiras do LEM foram contruídas para serem alimentadas com correntes de até 3 kA, durante um intervalo de tempo de 50 ms, utilizando-se uma fonte de potência que também foi construída para este trabalho. Esta fonte é composta, basicamente, de um banco de 220 capacitores eletrolíticos (C = 0,63 F), todos ligados em paralelo, e de 5 indutores (4 deles com L = 2,5 mH e um com L = 4 mH). Os efeitos produzidos pela atuação do LEM no plasma, parte principal deste trabalho, foram investigados utilizando-se os vários diagnósticos disponíveis na bolometria, o sistema de bobinas de Mirnov, a sonda eletrostática e os detetores de emissão ECE, de 'H-alfa', de raios-X de baixas energias, etc. Como resultado desta investigação foram observadas, entre outras coisas, mudanças no comportamento magnetohidrodinâmico do plasma, que resultaram em uma atenuação ou crescimento da atividade MHD, como pode ser constatado através das oscilações de Mirnov. De forma geral, para correntes acima de 1,5 kA nas espiras do LEM, foram observadas ocorrências de disrupturas maiores em 46% das descargas de plasma. Na maioria destes casos, foi observado um aumento significativo da densidade eletrônica (até valores próximos do 'limite de alta densidade' do TCABR) quanto se constata um forte crescimento do modo m=2 (com até 64% do espectro MHD), indicando ser este modo o principal responsável pela ocorrência destas instabilidades. É importante mencionar que em alguns casos, também foram observadas a ocorrência de instabilidades 'dentes-de-serra' nos sinais dos detetores de emissão de raios-X moles, quando se aplicava uma corrente relativamente alta no LEM. Em alguns casos escolhidos para análise, o valor do parâmetro de superposição entre as ilhas magnéticas m=2 e m=3, mostraram um aumento gradual (desde valores S(2-3) = 0,5) ao se aproximar o instante de ocorrência da disruptura maior, quando se atingem valores de S(2-3) = 1,2. Em vários destes casos, também foram observadas ocorrências de disrupturas menores que precedem as maiores. Ainda nesta situação, foi observado que os modos m=2 e m=3 são os mais intensos no plasma, com intensidades semelhantes (40% e 35%, respectivamente). Nestas descargas, foi constatado que o valor do parâmetro de superposição entre ilhas também aumenta significativamente, alcançando valores em torno de S(2-3) = 1,1 instantes antes da disruptura menor acontecer. Finalmente, também foi observado um aumento significativo da emissão de raios-X moles e da potência total irradiada pelo plasma, mesmo depois destes sinais serem corrigidos em relação ao aumento da densidade eletrônica, o que indica um possível aumento da temperatura do plasma e/ou mudança de seu perfil radial. Estas foram também as indicações obtidas das medidas de emissão de radiação eletrociclotrônica.

Diss.--Kiel Universität, 2001. / Bibliogr. p. 173-179.