ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ

Полезная модель относится к разделу электрических вакуумных приборов, а точнее к приборам, создающим пучки ионов с помощью излучения лазера для использования в системе инжекции ускорителя нуклидов водорода и многозарядных ионов.
Известны аналоги полезной модели, описанные в [1, 2]. Устройства состоят из вакуумной камеры с оптическим вводом, импульсного лазера, фокусирующей линзы, лазерной мишени и коллекторной системы. Под действием излучения импульсного лазера, направляемого на мишень, происходит испарение облучаемой части лазерной мишени, ионизация испаренного вещества. В этих импульсных источниках ионов для различных лазерных мишеней были получены угловые распределения разлетающихся в вакууме ионов лазерной плазмы, их средних и максимальных скоростей. Недостатком этих устройств является отсутствие элементов формирования ионного пучка, в частности блока динамической электромагнитной фокусировки его.
Наиболее близким из аналогов импульсного источника ионов, принятым в качестве прототипа, является лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка [3]. Это устройство состоит из вакуумного пролетного канала с оптическим вводом, импульсного лазера с блоком питания, лазерной мишени, установленной внутри вакуумного пролетного канала, устройства фокусировки и сканирования, размещенного между лазерной мишенью и импульсным лазером, и блока динамической электромагнитной фокусировки ионного пучка, установленного на выходе вакуумного пролетного канала.
Воздействие лазерного излучения на поверхность мишени приводит к образованию плазменного сгустка, который затем дрейфует в вакуумном пролетном канале. На выходе вакуумного пролетного канала установлен блок динамической электромагнитной фокусировки ионного пучка, который осуществляет отбор ионов из плазмы, формирование и дальнейшее ускорение ионного пучка.
Недостатком упомянутой выше конструкции является значительное расширение лазерно-плазменного сгустка в радиальном направлении, что приводит к значительной потере ионов на стенках вакуумного пролетного канала, и соответственно значительному снижению ионного потока на выходной апертуре вакуумного пролетного канала, имеющей малый телесный угол, что существенно снижает эффективность использования импульсного источника ионов.
Техническим результатом предлагаемого импульсного источника ионов является существенное увеличение ионного потока на выходе вакуумного пролетного канала без увеличения энергии импульса лазера за счет снижения потерь ионов на стенках вакуумного пролетного канала, а также существенное увеличение длительности ионного потока, что в целом значительно повышает эффективность использования импульсного источника ионов как инжектора ионов в ускорителях.
л
иии
иии
иии
5
5
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в импульсном источнике ионов, состоящем из вакуумного пролетного канала с оптическим вводом, импульсного лазера, блока питания импульсного лазера, лазерной мишени, размещенной внутри вакуумного пролетного канала, устройства фокусировки и сканирования излучения импульсного лазера на лазерной мишени и блока динамической электромагнитной фокусировки ионного пучка, установленного на выходе вакуумного пролетного канала, вакуумный пролетный канал выполнен из диэлектрика и охвачен снаружи по всей длине соленоидом, включенным между блоком питания и импульсным лазером, кроме того внутренний диаметр вакуумного пролетного канала равен  где Е - энергия излучения импульсного лазера имеет значения от 1,0 до 10,0 Дж, а длина вакуумного пролетного канала L в метрах составляет от 0,5×10×Т до 3,0×10×Т, где Т - длительность импульса импульсного источника ионов в секундах, при этом величина индукции магнитного поля соленоида внутри вакуумного пролетного канала установлена в пределах от 0,1 до 0,3 Тл.
Достижение технического результата основано на использовании продольного магнитного поля [4], которое замагничивает лазерную плазму и обеспечивает практически полное прохождение всех ионов лазерной плазмы к выходу пролетного канала, в отличие от устройства прототипа, в котором количество ионов на выходе вакуумного пролетного канала определяется весьма малым телесным углом между лазерной мишенью и апертурой выходного патрубка вакуумного пролетного канала. Магнитное поле направлено вдоль оси пролетного канала, поэтому ионы лазерной плазмы, имеющие большую радиальную компоненту скорости, и соответственно малую продольную компоненту, оказываются способны пройти через пролетный канал за больший период времени, что приводит к существенному увеличению длительности ионного потока. При этом для ликвидации индукционных токов, возникающих в стенках вакуумного пролетного канала, выполненного из электропроводящего материала, от импульсного тока накачки лазера, текущего через соленоид, вакуумный пролетный канал изготовлен из диэлектрика, чтобы обеспечить проникновение магнитного поля соленоида внутрь вакуумного пролетного канала. Диаметр вакуумного пролетного канала подбирается таким образом, чтобы обеспечить прохождение наибольшей части ионов лазерно-плазменного сгустка в заданном продольном магнитном поле соленоида. Поскольку это число зависит и от энергии лазера, то и оптимальный внутренний диаметр вакуумного пролетного канала зависит от этой энергии. Эта зависимость определяется выражением .
-4
-3
14
16
2
В рассматриваемом импульсном источнике ионов для получения плазменного сгустка используется излучение лазера, фокусируемое в пятно радиусом 10-10 м на поверхности мишени. При этом, для перехода испаренного с мишени вещества в состояние плазмы, энергия лазера, приходящаяся на одну молекулу испаренного вещества мишени должна превышать энергию связи и энергию ионизации в том числе и для многозарядных ионов. Это достигается при плотности потока энергии лазерного излучения 10÷10 Вт/м [2]. Для получения таких величин плотности потока энергии, энергия лазера должна находиться в пределах от 1,0 до 10,0 Дж. При меньших 1,0 Дж энергиях импульса лазера недопустимо уменьшается количество ионов, особенно многозарядных. При больших 10,0 Дж энергиях излучения импульсного лазера количество ионов как правило превышает возможности их инжекции в последующий ускоритель ионов.
5
5
5
5
иии
иии
иии
Для использования импульсного источника ионов в ускорителях частиц нужны инжекторы ионов, способные обеспечить ионные потоки длительностью от 10 до 100 мкс. Чтобы получить требуемую длительность ионного потока, используется дрейфовый канал. При прохождении канала происходит перегруппировка ионов: наиболее быстрые оказываются на переднем крае плазменного сгустка, а медленные ионы образуют окончание сгустка. Таким образом, чем более длинным является дрейфовый канал, тем выше длительность ионного потока, образующегося на выходе из канала. Для заданного ранее диапазона энергий лазера, необходимая длина вакуумного пролетного канала L лежит в промежутке от 0,5×10×Т до 3,0×10×Т (в метрах), где Т - требуемая длительность импульса импульсного источника ионов в секундах. Это соотношение основано на данных о скоростях переднего и заднего фронтов разлетающегося лазерно-плазменного сгустка, находящихся в пределах от 0,5×10 до 3,0×10 м/с для используемого диапазона энергий импульсов лазерного излучения.
Значение индукции продольного магнитного поля внутри пролетного канала задано в пределах от 0,1 до 0,3 Тл. Нижний предел соответствует значению индукции, обеспечивающего величину ларморовского радиуса ионов, меньшего, чем половина диаметра пролетного канала, при минимальной скорости поперечного разлета. Это позволяет оценить минимальную величину магнитного поля, которое способно ограничить ионный ток на стенки вакуумного пролетного канала. Верхний предел соответствует значению индукции, при котором ларморовский радиус оказывается меньше половины диаметра пролетного канала при максимальной скорости ионов. Этот предел также характеризует случай, когда большинство ионов лазерно-плазменного сгустка преодолевают вакуумный пролетный канал.
На фиг. 1 представлен пример конкретной реализации предлагаемого устройства. Схема расположения элементов импульсного источника ионов содержит следующие позиции: 1 - узел лазерной мишени, 2 - соленоид, 3 - диэлектрический вакуумный пролетный канал, 4 - анод, 5 - блок динамической электромагнитной фокусировки ионного пучка, 6 - лазерная мишень, 7 - оптический ввод, 8 - устройство фокусировки и сканирования лазерного излучения, 9 - импульсный лазер, 10 - блок питания импульсного лазера и катушки индуктивности, 11 - блок питания динамической электромагнитной фокусировки ионного пучка.
Устройство работает следующим образом. От блока питания 10, подключенного одновременно к соленоиду 2, поступает ток накачки излучателя импульсного лазера 9. С помощью устройства 8 импульс излучения лазера фокусируется на поверхность мишени 6. Вблизи поверхности мишени, при облучении ее лазером, формируется разлетающаяся лазерная плазма. Мишень 6 установлена в пролетном канале 3 таким образом, что плоскость ее поверхности, облучаемая лазером 9, перпендикулярна продольной оси вакуумного пролетного канала. Под действием тепловой диффузии и гидродинамического импульса сгусток разлетается в пространстве внутри пролетного канала 3. При этом текущий по катушке соленоиду 2 электрический ток создает магнитное поле величиной 0,1-0,3 Тл. Направленное вдоль оси магнитное поле препятствует движению ионов в перпендикулярном ему направлении из-за действия на них силы Лоренца, разворачивающей их к оси системы. Распространение ионов плазмы в радиальном направлении оказывается ограниченным магнитным полем, из-за чего потери плазмы на стенках пролетного канала 3 сокращаются. Снижение потерь на стенках приводит к возрастанию потока ионов на выходе пролетного канала 3, поскольку число ионов, способных преодолеть пролетный канал 3 увеличивается. Поскольку большая часть ионов, прежде осаждавшихся на стенках, разлетаются под достаточно большими углами по отношению к оси системы, то их продольная компонента скорости является достаточно малой. Соответственно, при наложении магнитного поля, эти ионы оказываются в плазменном сгустке, дрейфующем в пролетном канале 3, что приводит к возрастанию доли сравнительно медленных ионов в сгустке, дрейфующих к выходу вакуумного пролетного канала. В процессе прохождения канала 3 происходит перегруппировка ионов по координате, когда самые быстрые ионы оказываются в передней части лазерно-плазменного сгустка, а медленные ионы формируют задний фронт импульса потока ионов. Поскольку доля медленных ионов, как и общее число ионов в сгустке возрастает, то полученный после прохождения дрейфового канала 3 лазерно-плазменный сгусток имеет большую длительность импульса, чем при отсутствии магнитного поля. В результате длительность получаемого ионного импульса возрастает более чем на порядок.
Увеличение на порядок потока ионов и длительности импульса в описанной конструкции импульсного источника ионов достигается за счет использования соленоида с током, создающего определенное продольное магнитное поле внутри вакуумного пролетного канала, изготовленном из диэлектрика и имеющем заданные внутренний диаметр и длину.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить эффективность применения импульсного источника ионов в различных ускорителях ионов за счет существенного увеличения ионного потока и длительности импульса потока ионов.
Список литературы:
1. Влияние столкновения потоков лазерной плазмы в конусных мишенях на ее параметры на поздних стадиях разлета. Быковский Ю.А., Козырев Ю.П., Козловский К.И. и др. Квантовая электроника, 1978, т. 5, с. 337-343.
2. Исследование интенсивного лазерного источника дейтронов. Козловский К.И., Цыбин А.С., Шиканов А.Е. и др. Журнал технической физики, 1979, т. 49, №5, с. 2003-2006.
3. Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка. Турчин В.И. Патент РФ №186565, опубликовано 24.01.2019 Бюл. №3.
4. О влиянии продольного магнитного поля на разлет ионов лазерной плазмы. Козырев Ю.П., Козловский К.И., Цыбин А.С., Физика плазмы, 1980, т. 6, в. 1, с. 69-72.