Повышение зарядового состояния многозарядных ионов в пучке на выходе лазерного источника плазмы

Лазерный иcтoчник мнoгoзарядных иoнoв

Автoры:Турчин Владимир Иванoвич, Турчин Антoн Владимирoвич

Изoбретение oтнocитcя к иcтoчникам иoнoв, применяемых в уcкoрителях заряженных чаcтиц. Лазерный иcтoчник мнoгoзарядных иoнов cоcтоит из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металличеcкой трубы, центральная продольная оcь которого cовпадает c первоначальным направлением гидродинамичеcкого движения потока лазерной плазмы от мишени, cиcтемы отбора ионов. Внутри пролетного канала, между облаcтью мишени облучаемой лазером и точками, в которых лазерная плазма начинает каcатьcя боковых cтенок пролетного канала установлен металлический экран, не препятствующий разлету лазерной плазмы, электрически соединенный с источником электрического напряжения. Технический результат - рост зарядового состояния ионов в лазерной плазме, повышение тока в пучке многозарядных ионов на выходе лазерного источника. 1 ил.

Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов, описанные в работах [1], [2], [3].

Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, на поверхности которого установлены магниты таким образом, что они формируют внутри пролетного канала по всей его длине между мишенью и системой отбора ионов мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на его центральной продольной оси, резко нарастает в области стенок пролетного канала и системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала [4].

Недостатком прототипа является малая величина генерируемого им тока многозарядных ионов, т.е. ионов, имеющих высокое зарядовое состояние.

Известно, что при разлете лазерной плазмы диссипация ее внутренней энергии, обусловленная наличием характеристических излучений этой плазмы, рентгеновского излучения (-излучения) и потока электронов, вылетающих из лазерной плазмы (ее -излучения), приводит к уменьшению среднего значения энергии электронов в лазерной плазме (их температуры). Это уменьшает время ионообразования в ней, заканчивающееся практически через временной промежуток, за который величина первоначального плазменного сгустка на мишени, имеющего характерные размеры ~1-2 мм, успевает увеличиться в два-три раза [5]. Оба перечисленных выше взаимосвязанных факторов, диссипация внутренней энергии лазерной плазмы и малое время ионообразования в ней, препятствуют извлечению из такой плазмы сильноточных пучков многозарядных ионов.

Целью изобретения является повышение тока многозарядных ионов в пучке на выходе лазерного источника многозарядных ионов.

В настоящем изобретении достижение поставленной цели обеспечивается как путем повышения средней энергии электронов в лазерной плазме на начальном этапе ее разлета, так и продлением времени процесса ионообразования в ней. Обеспечивается это не увеличением плотности мощности лазерного излучения на мишени, как широко известно [5], а возвратом в лазерную плазму энергии уносимой радиационными потоками ее характеристических и излучений.

Сущность изобретения в том, чтобы на участке пролетного канала между мишенью и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться стенок пролетного канала, восполняется потеря энергии электронной составляющей этой плазмы путем трансформации энергии ее характеристических и излучений в поток электронов, ускоренных и возвращенных обратно в лазерную плазму.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что лазерный источник многозарядных ионов состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов отличающийся тем, что внутри пролетного канала, между областью мишени облучаемой лазером и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться боковых стенок пролетного канала, установлен металлический экран, не препятствующий разлету лазерной плазмы, электрически соединенный с источником электрического напряжения.

Таким образом, в предлагаемом изобретении в результате использования предложенных элементов конструкции и оборудования, установленных и соединенных именно указанным образом, возникает новое физическое свойство. А именно, энергия рентгеновского излучения и электронного потока, диффундирующего из лазерной плазмы, не уносится из нее безвозвратно, а используется для эмиссии электронов с поверхности металлического экрана, установленного в пролетном канале. Затем эти электроны (вторичные электроны) ускоряются в электрическом поле между металлическим экраном и лазерной плазмой в сторону лазерной плазмы, привнося в нее приобретенную ими энергию и повышая среднюю величину энергии электронной составляющей этой плазмы. В заявленном изобретении данный эффект происходит в зоне пролетного канала перекрываемой металлическим экраном, протяженность которой многократно превосходит размеры плазменного сгустка, при достижении которых в нем прекращается процесс ионообразования. Оба эти фактора способствуют увеличению эффективности и времени ионообразования в лазерной плазме. Поскольку величину электрического поля между лазерной плазмой и металлическим экраном, ускоряющего электроны, можно изменять при помощи источника электрического напряжения, электрически соединенного с этим экраном, появляется возможность увеличения и регулирования среднего значения энергии электронов в лазерной плазме. Перечисленные факторы, продление процесса ионообразования и увеличение среднего значения энергии электронов в лазерной плазме способствуют росту зарядового состояния ионов, ее тяжелой компоненты, что позволяет повысить ток многозарядных ионов в пучке на выходе лазерного источника многозарядных ионов.

Известны технические решения, в которых увеличение тока ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов достигается уменьшением потерь частиц лазерной плазмы на стенках пролетного канала [4] и увеличением плотности мощности лазерного излучения на мишени [5], [6]. Но фактов применения для увеличения тока многозарядных ионов в пучке на выходе лазерного источника ионов, принципа конвертирования энергии, ее характеристических излучений в поток вторичных электронов, которые затем ускоряются и возвращаются в эту же лазерную плазму, 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 средней энергии электронной составляющей лазерной плазмы и времени ионообразования в ней, способствующих увеличению зарядового состояния ионной компоненты лазерной плазмы и тока многозарядных ионов в пучке заряженных частиц на выходе лазерного источника многозарядных ионов, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.


Лазерный источник многозарядных ионов работает следующим образом. Материал мишени 1 испаряется и ионизируется падающим на нее лучом лазера 2, в результате чего на поверхности мишени 1, установленной в пролетном канале 3, образуется сгусток лазерной плазмы 4. Разлетаясь, эта плазма, миновав металлический экрана 5, достигает боковых стенок пролетного канала 3 в точках 6. Далее, заполняя все пространство пролетного канала, она дрейфует в сторону системы отбора ионов 7, выполненной широко известным способом и осуществляющей отбор заряженных частиц из лазерной плазмы, формируя пучок ионов на выходе лазерного источника многозарядных ионов.

Известно, что степень ионизации тяжелой компоненты лазерной плазмы зависит от температуры электронов этой плазмы [6]. Чем выше средняя энергия электронов в ней, ее электронная температура, тем больше многозарядных ионов содержит такая плазма. Характерная температура электронов в первоначальном сгустке лазерной плазмы для длинноволновых лазеров ~100-300 эВ, а их энергетическое распределение подчиняется известному закону Максвелла [5]. Типичные значения энергии, требующейся для первой ионизации из основного состояния материалов металлических мишеней <12 эВ. Более высокая степень ионизации требует электронов с энергиями в десятки, сотни и тысячи эВ [7]. Тепловую скорость движения электрона можно оценить по известной формуле из [7]



где _e - скорость электрона м/с, Т_е - температура электрона эВ. Из этой формулы видно, что плазменные электроны, обладающие подобными энергиями (горячие электроны), в силу своей высокой подвижности успевают покинуть область первоначального сгустка лазерной плазмы за тысячные доли микросекунды после их рождения. Внутренняя энергия лазерной плазмы, которая могла бы «нагревать» остающиеся в ней более медленные (холодные) электроны, для повышения эффективности ионизации ее тяжелой компоненты, уносится из этой плазмы в виде рентгеновского излучения. При характерных скоростях разлета лазерной плазмы ~10⁵-10⁴ м/с и длительности импульса лазерного излучения ~ нескольких десятков нс [5] первичный плазменный сгусток успевает увеличить свои начальные размеры в 2-3 раза за время ~100 нс. К этому времени горячие электроны, способные образовывать многозарядные ионы, успевают уйти из лазерной плазмы, т.к. (см. формулу _e~Т_е) их тепловые скорости на 2-3 порядка больше скорости разлета лазерной плазмы. В результате температура электронов в лазерной плазме уменьшается, и процессы ионизации в ней практически прекращаются [5]. Пролетные каналы большинства лазерных источников ионов имеют диаметры сантиметрового диапазона и для достижения их стенок лазерной плазме требуется время микросекундного порядка.

В течение этого времени такая плазма, дрейфуя внутри металлического экрана, облучает его внутреннюю поверхность быстрыми электронами и квантами, выбивая из нее вторичные электроны, в результате фотоэффекта и бомбардировки горячими электронами поверхности металлического экрана.

Широко известна характерная особенность плазмы. Она облает более положительным электрическим потенциалом, чем все электроды ее окружающие, величина которого соответствует ~3-5 значениям температуры электронной компоненты плазмы [7]. Таким образом, сгусток лазерной плазмы вблизи мишени будет иметь электрический потенциал положительной полярности, величина которого составляет несколько сотен вольт. Вторичные электроны, выбитые с внутренней поверхности металлического экрана 5 рентгеновским и электронным излучением лазерной плазмы, будут приобретать кинетическую энергию, двигаясь в электрическом поле под действием разности его потенциалов между металлическим экраном 5 и лазерной плазмой 4 с ускорением в сторону лазерной плазмы. Попадая в лазерную плазму, на начальном этапе ее разлета, где плотность частиц высока (~10²⁰, - 10¹⁸ см^-3 [5]), эти электроны могут осуществлять ионизацию вещества или передавать свою энергию более холодным плазменным электронам, повышая их температуру. Оба фактора способствуют росту эффективности ионизации тяжелой компоненты лазерной плазмы. Поскольку данный ионизационный процесс, хотя и с разной эффективностью, происходит в течение всего времени дрейфа лазерной плазмы внутри металлического экрана 5, которое многократно превосходит период двух- или трехкратного увеличения размеров первичного сгустка лазерной плазмы на мишени, этот фактор также будет способствовать увеличению числа ионов с высокими зарядовыми состояниями в лазерной плазме.

Регулируя величину электрического потенциала отрицательной полярности на металлическом экране 5 при помощи источника электрического напряжения 8, электрически соединенного с этим экраном, можно изменять кинетическую энергию электронного потока, идущего от стенок металлического экрана 5 и диффундирующего затем в лазерную плазму, влияя на температуру ее электронной компоненты, такой механизм позволяет оптимизировать процесс генерации в лазерной плазме многозарядных ионов с требуемым зарядовым состоянием [8].

Данное изобретение отличается простотой исполнения, надежностью в работе и может быть использовано, например, в драйвере тяжелоионного инерционного синтеза [2].

Литература

1. А.А.Голубев, Ю.Н.Ерема, Б.Ю.Шарков и др. Измерение токов и зарядового состояния пучков, сформированных из лазерной плазмы. Препринт 134-88, М., ИТЭФ, 1988.

2. Л.З.Барабаш, Ю.А.Быковский, А.А.Голубев и др. Характеристики лазерной плазмы как источника ионов для драйвера тяжелоионного инерционного синтеза. Препринт 12, М. ИТЭФ, 1983.

3. Г.Е.Беляев, Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин и др. Комбинированный источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом. Р.Ф. Патент на изобретение 2248641 от 20.03.05 г.

4. Б.К.Кондратьев, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов. Р.Ф. Патент на изобретение 2206140 от 10.06.03 г.

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

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

7. А.Т.Форрестер. Интенсивные ионные пучки. - М.: Мир. С.22-150. 1992.

8. W.Lotz. Zeitschrift fur Physik. V.216. P.341. 1968.