Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов

Изобретение относится к генераторам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. Технический результат - повышение зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов. Сущность изобретения состоит в том, что обеспечивается возврат в лазерную плазму на начальном этапе ее разлета как отраженного излучения лазера и его гармоник, так и широкого спектра оптического излучения (от инфракрасного до рентгеновского диапазона), генерируемого в виде спектра когерентных электромагнитных колебаний самой лазерной плазмой. Область мишени, облучаемая лазером, помещена в точку фокуса отраженного электромагнитного излучения от металлического экрана с полированной внутренней поверхностью сферической формы, имеющего апертуры для транспортировки лазерного излучения на мишень и разлета лазерной плазмы, выполненного из металла с большим массовым числом согласно периодической системе элементов Д.И.Менделеева и установленного в пролетном канале в области мишени. 1 ил.

 

Изобретение относится к генераторам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.

Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов [1], [2].

Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник многозарядных ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде трубопровода, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов, металлического экрана, не препятствующего разлету лазерной плазмы, установленного внутри пролетного канала, между областью мишени облучаемой лазером и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться боковых стенок пролетного канала, и электрически соединенного с источником электрического напряжения [3].

Недостаток прототипа - малая величина зарядового состояния генерируемых ионов. Что обусловлено малой величиной внутренней энергии лазерной плазмы на начальном этапе ее разлета из-за низкой эффективности возврата в нее энергетических потерь, вызванных отражением ею излучения лазера, и потерь, вызванных наличием собственного характеристического излучения лазерной плазмы.

Известно, что наиболее интенсивно процессы ионообразования происходят на начальном этапе разлета лазерной плазмы от мишени, в период действия лазерного излучения, за которое, как правило, характерные размеры первоначального сгустка лазерной плазмы успевают увеличиться всего в несколько раз, затем эти процессы в основном заканчиваются [4]. Величина заряда ионов в такой плазме увеличивается с ростом температуры (среднего значения кинетической энергии диффузионного движения) ее электронов. Температура лазерной плазмы связана с эффективностью использования при ее генерации энергии оптического лазерного излучения и с наличием собственного характеристического электромагнитного излучения такой плазмы. Известно, при облучении мишени, например Со2-лазером, значительная часть его излучения, до 70%, отражается в окружающее пространство от первичного сгустка лазерной плазмы и примерно 10% диссипирует в виде характеристического электромагнитного излучения самой лазерной плазмы [5]. Реализованный в прототипе способ возврата энергии диссипирующей из области первичной лазерной плазмы в виде электромагнитного излучения путем ее трансформации в электроны и возврата их в эту плазму позволяет возвращать только малую часть энергии этого излучения. Так как эффективность рекуперации γ-квантов в электроны составляет доли процента [6].

Перечисленные факторы уменьшают в прототипе температуру электронов первичной лазерной плазмы и зарядовое состояние генерируемых ионов.

Целью изобретения является повышение зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.

Сущность изобретения в том, что достижение поставленной цели обеспечивается возвратом в лазерную плазму на начальном этапе ее разлета как отраженного излучения лазера и его гармоник, так и широкого спектра оптического излучения (от инфракрасного до рентгеновского диапазона), генерируемого в виде спектра когерентных электромагнитных колебаний самой лазерной плазмой.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном генераторе многозарядных ионов, состоящем из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде трубопровода, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов, область мишени, облучаемая лазером, помещена в точку фокуса отраженного электромагнитного излучения от металлического экрана с полированной внутренней поверхностью сферической формы, имеющего апертуры для транспортировки лазерного излучения на мишень и разлета лазерной плазмы, выполненного из металла с большим массовым числом согласно периодической системе элементов Д.И.Менделеева и установленного в пролетном канале в области мишени.

По сравнению с прототипом и аналогами, в которых положительный эффект достигался уменьшением потерь внутренней энергии лазерной плазмы путем возврата этой энергии в виде потока электронов, в данном изобретении в результате использования предложенных элементов конструкции, установленных указанным образом, возникает новое физическое свойство, а именно: та часть энергии оптического излучения лазера, которая ранее терялась в результате отражения от первичной лазерной плазмы, и энергия, уносившаяся из этой плазмы в виде ее характеристического электромагнитного излучения, возвращаются обратно в данную плазму в виде спектра когерентных электромагнитных колебаний. Такой способ увеличивает эффективность возврата диссипировавшей энергии, приводит к росту температуры ее электронной компоненты и способствует увеличению зарядового состояния ионов на выходе предлагаемого изобретения.

Известны технические решения, в которых изменение параметров ионов в лазерной плазме и их заряда на выходе лазерных источников ионов достигалось рекуперацией энергии, уносимой из этой плазмы заряженными частицами [7], или путем увеличения мощности лазерного излучения на мишени [8]. Но фактов возврата в область первичной лазерной плазмы энергии, ранее диссипировавшей из нее в виде электромагнитного излучения самой плазмы и отраженного излучения лазера, именно в виде электромагнитного излучения на уровне существующей техники не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного технического результата. А именно: возникновение нового физического свойства, приводящего к увеличению зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов, показанный на рис.1, состоит из: мишени 1, лазера 2, пролетного канала 3, в котором, разлетаясь, дрейфует лазерная плазма, системы отбора ионов 4 и металлического экрана 5, внутренняя сферическая поверхность которого, отполированная до зеркального блеска, и отражает падающее на него электромагнитное излучение в точку фокуса F, в которую помещена область мишени, облучаемая лазером. Известно, что точкой фокуса отражающего экрана выполненного, например, в виде сферической поверхности с постоянным радиусом, является геометрический центр этой сферы. Как показано на данном рисунке, металлический экран 5 имеет апертуры как для пропускания (транспортировки) к мишени луча лазера, так и для выхода из внутренней области данного экрана лазерной плазмы. Диффундируя в процессе разлета через эту апертуру, лазерная плазма, пролетев через пролетный канал, попадает в систему отбора ионов 4, выполненную широко известными способами, которая экстрагирует из нее ионы и обеспечивает требуемые характеристики ионного пучка на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.

Покажем особенности работы данного изобретения на примере, в котором для инициации лазерной плазмы применяются Со2-лазеры, работающие в импульсно-периодическом режиме с длиной волны 1,06-10,6 мкм (область инфракрасного оптического излучения) и создающие плотность мощности такого излучения на мишени 1011-1013 Вт/см2. Луч такого лазера 2, пройдя через апертуру транспортировки лазерного излучения в экране 5, попадает на мишень 1. В результате испарения и ионизации материала мишени в этом месте образуется сгусток первичной лазерной плазмы, которая в данной области термодинамически неравновесна, имеет характерные размеры, порядка долей миллиметра, плотность частиц ~1019-1021 см-3 и температуру электронов до 500 эВ [4], [8]. Такая плазма сама является источником характеристического электромагнитного излучения, наибольшая интенсивность спектральных линий которого сосредоточена в области энергий от 0,1 до 500 эВ. Верхняя граница данного диапазона соответствует частотам рентгеновского излучения.

Известно, что степень ионизации тяжелой компоненты лазерной плазмы увеличивается с ростом температуры ее электронов. Величина этой температуры зависит как от доли энергии излучения лазера, потраченной на образование и нагрев лазерной плазмы, так и от энергетических потерь сгустка первичной лазерной плазмы в результате диссипации из него энергии в виде характеристического электромагнитного излучения самой лазерной плазмы.

Металлический экран 5 в предлагаемом изобретении предназначен для возврата в область сгустка первичной лазерной плазмы на мишени 1, оптического излучения как самой лазерной плазмы, так и отражаемого ею излучения лазера. Длины волн излучений лазера и лазерной плазмы охватывают широкий спектр частот, простирающийся от инфракрасного до мягкого рентгеновского излучения, и для их эффективного отражения требуется зеркало с особыми свойствами.

Известно, что при падении электромагнитной волны на вещество ее электрическая составляющая вызывает колебания в атомах и молекулах вещества. Для упомянутых выше диапазонов излучения за изменением электромагнитного поля успевают следовать только электроны, как свободные, так и электроны атомов. Наиболее сильно действие электромагнитной волны проявляется, если ее частота близка к частоте колебаний электронов в атомах. Электроны, переходя в режим вынужденных колебаний, сами начинают излучать вторичные электромагнитные волны. Вторичные электромагнитные волны когерентны и могут интерферировать с первичной электромагнитной волной. Если электромагнитная волна, являющаяся суперпозицией первичной и вторичной электромагнитных волн, распространяется в той же среде, откуда пришла первичная волна, она называется отраженной волной, в противном случае - преломленной волной.

Известно, что частота f (МГц) падающей на вещество электромагнитной волны и критическая плотность электронов в нем ne_kr (см-3), при которой вся энергия этой волны трансформируется в отраженную волну, связаны соотношением из [9].

n e _ k r = C 1 10 4 f 2                      (1) ,

где C1 - постоянная, зависящая от свойства вещества. Для рассматриваемого диапазона инфракрасная - рентгеновская области оценить величину критической плотности электронов в экране, при которой происходит полное отражение энергии падающей волны, можно, пользуясь формулами из [10]. Выражением, связывающим длину волны λ электромагнитного излучения с его энергией W,

λ = h c / W                           (2) ,

где: h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. И формулой, позволяющей оценить плотность электронов Ne в веществе

N e = N a ρ m                          (3) ,

где: Na - число Авогадро, ρ - удельная плотность вещества, m - его массовое число в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Оценки, проведенные с применением (1) и (2), показывают: для рассматриваемого диапазона частот лазерного и плазменного излучений величина критической плотности электронов лежит в интервале 1019-1025 см-3. Такая плотность характерна для металлов.

Очевидно, что для получения максимальной энергии в отраженной волне необходимо обеспечить минимальную глубину проникновения падающей волны в вещество. Т.е. материал зеркала должен обладать большой удельной плотностью электронов. В противном случае часть энергии падающей волны будет рассеиваться и поглощаться веществом в виде преломленных волн.

Обеспечить высокую степень отражения рассеянного первичной лазерной плазмой излучения Со2-лазера (лежащего в инфракрасном диапазоне) можно, изготовив экран 5 из легких металлов, например Al, плотность электронов в котором согласно (3) составляет ~1023 см-3. Для эффективного отражения более высокоэнергетической части спектра, присущего излучению самой лазерной плазмы, требуются более тяжелые металлы, ядра которых имеют большое число электронных оболочек с большим количеством электронов и характеризуются широким спектром частот собственных колебаний электронов. Из приведенных оценок следует, что для эффективного отражения электромагнитных излучений как лазера, так и лазерной плазмы, экран 5 целесообразно изготавливать из металлов с наиболее высокой удельной плотностью. Такие металлы в периодической системе элементов Д.И.Менделеева имеют большие массовые числа. Например, U (уран) с массовым числом 238, плотность электронов в котором согласно (3) ~1025 см-3.

Известно, что углы падающей на поверхность и отраженной от этой поверхности волн равны [10]. При сферической форме отражающей поверхности металлического экрана 5, имеющей одинаковый радиус, падающая волна будет всегда перпендикулярна ее поверхности. Это позволяет фокусировать отраженные электромагнитные волны обратно в точку их испускания, которая в данном случае расположена в точке фокуса F, в геометрическом центре сферы, где в предлагаемом изобретении находится облучаемая лазером область мишени.

Полировка внутренней поверхности металлического экрана 5 позволяет уменьшить угол рассеяния на ее микронеровностях падающей электромагнитной волны. Это способствует более эффективному использованию отраженного электромагнитного излучения для нагрева лазерной плазмы на мишени, росту температуры электронов в лазерной плазме и увеличению зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.

Данное изобретение отличается простотой исполнения. В нем повышена эффективность ионизации материала мишени, увеличен рабочий ресурс установки, уменьшено потребление электроэнергии. Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов может использоваться в ускорителях заряженных частиц, например в ускорительно-накопительном комплексе ИТЭФ-ТВН.

Литература

1. Б.К.Кондратьев, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов. Патент на изобретение РФ №2206140 от 10.06.03 г.

2. A.Н.Балабаев, Ю.А.Сатов, С.М.Савин и др. Лазерный источник ионов высокой зарядности. Патент на изобретение №2377687 от 27.12.2009 г.

3. А.В.Турчин, В.И.Турчин. Лазерный источник многозарядных ионов. Патент на изобретение №2390068 от 20.05.2010 г.

4. Ю.П.Козырев, Б.Ю.Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие, М.: МИФИ, ч.1. С.22. 1980.

5. R.L.Carlson, J.P.Carpenter, D.E.Casperson et al. Helios: A 15TW Carbon Dioxide Laser-Fusion Facility. IEEE Journ. Of Quantum Electronics, 1981, QE-17, #9, 1662-1678.

6. Э.Д.Лозанокий, О.Б.Фирсов. Теория искры. М.: Атомиздат. С.122. 1975 г.

7. Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов с мультипольным магнитным полем. Патент на изобретение №2378735 от 10.01.2010 г.

8. Я.Браун, Р.Келлер. А.Холмс и др. Физика и технология источников ионов. М.: Мир. С.323-335, 458-464. 1998.

9. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. М. Наука. С.130-131, 196. 1987.

10. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Физ-мат. литература. С.568-588. 1963.

Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде трубопровода, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов, отличающийся тем, что область мишени, облучаемая лазером, помещена в точку фокуса отраженного электромагнитного излучения от металлического экрана с полированной внутренней поверхностью сферической формы, имеющего апертуры для транспортировки лазерного излучения на мишень и разлета лазерной плазмы, выполненного из металла с большим массовым числом, согласно периодической системе элементов Д.И.Менделеева, и установленного в пролетном канале в области мишени.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для очистки и полировки поверхностей объектов; для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов; для ассистирования процессов нанесения пленок инертными и химически активными частицами.

Изобретение относится к инжекционной технике, применяемой для создания мощных ионных пучков. .

Изобретение относится к технике получения пучков быстрых нейтральных частиц, в частности пучков нейтральных атомов, радикалов и молекул, и может быть использовано для распыления, травления и осаждения тонких пленок различных материалов.

Изобретение относится к области вакуумной электроники и может найти применение в технологических процессах, использующих протонные пучки, а также для сканирующей и просвечивающей протонной микроскопии.

Изобретение относится к источникам ионов, применяемых в ускорителях заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к плазменной технике, а именно к плазменным источникам, предназначенным для генерации интенсивных ионных пучков. .

Изобретение относится к области приборостроения, в частности к технике создания источников ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым на ускорителях заряженных частиц. .

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. Заявленное изобретение характеризуется подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, установленным в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, изменяющегося в процессе экстракции ионов электрического напряжения. Величина этого напряжения изменяется пропорционально изменению продольной составляющей импульса давления частиц, которое возникает в лазерной плазме в зоне, перед электродами системы инжекции. Предусмотрена также подача на ускоряющий электрод системы инжекции, установленный на выходе ионно-оптической системы, постоянного электрического напряжения для ускорения ионов. Техническим результатом является уменьшение разброса углового расхождения огибающей ионного пучка во время экстракции ионов, что способствует уменьшению величины эффективного эмиттанса этого пучка на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции, и увеличение захвата ионов, генерируемых лазерными источниками ионов. 3 ил.
Наверх