ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ С БОЛЬШИМ ЗАРЯДОМ
LASER-PLASMA HIGH-CHARGE ION GENERATOR

Изобретение относится к источникам ионов, применяемым в плазмотехнике и ускорителях заряженных частиц.
Аналогом изобретения является лазерно-плазменный источник ионов (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). В этом источнике (генераторе) ионов плазменные электроны, ионизирующие вещество, уходят из лазерной плазмы через окружающее пространство на стенки пролетного канала и через материал мишени на его корпус, что уменьшает их концентрацию в лазерной плазме и понижает ее температуру, препятствуя росту величины тока многозарядных ионов в пучке на выходе данного источника ионов. Другим аналогом является работа (А.Н. Балабаев, Ю.А. Сатов, C.M. Савин и др. «Лазерный источник ионов высокой зарядности, патент РФ на изобретение №2377687 от 27.12.2009 г.). В этом источнике ионов электроны из области лазерной плазмы беспрепятственно уходят через материал мишени на корпус пролетного канала, что уменьшает эффективность образования в лазерной плазме ионов с высоким зарядом и препятствует росту величины тока многозарядных ионов в пучке на выходе данного источника ионов.
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник многозарядных ионов, описанный в работе (А.В. Турчин, В.И. Турчин. Лазерный источник многозарядных ионов, патент РФ на изобретение №2390068 от 20.05.2010 г.) и состоящий из: лазера, трубчатого пролетного канала, облучаемой лазером мишени, установленной внутри этого пролетного канала со стороны одного из его концов и электрически соединенной с пролетным каналом, металлического экрана, установленного коаксиально внутри пролетного канала между областью мишени облучаемой лазером и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться боковых стенок пролетного канала, электрически соединенного с источником электрического напряжения, и не препятствующего разлету лазерной плазмы в сторону системы отбора ионов, установленной на другой стороне пролетного канала.
Недостатком данного аналога является то, что в нем электроны из области лазерной плазмы могут беспрепятственно уходить через материал мишени на корпус пролетного канала. Этот фактор препятствует образованию в лазерной плазме ионов с высокими зарядами и способствует диссипации из нее положительно заряженных ионов, поскольку лазерная плазма приобретает положительный электрический потенциал из-за потери электронов по отношению к окружающим электродам.
В перечисленных выше аналогах отсутствуют технические решения, препятствующие уходу электронов из лазерной плазмы через материал мишени, что приводит к уменьшению температуры и концентрации ионизирующих вещество электронов в данной плазме, не позволяя увеличивать ток ионов с высокими зарядами в ионных пучках, экстрагируемых из такого типа источников ионов.
Техническим результатом предлагаемого изобретения (его целью) является повышение тока ионов с высоким зарядовым состоянием в пучке на выходе лазерно-плазменного генератора ионов с большим зарядом. Достижение заявленного технического результата обусловлено реализацией в предлагаемом изобретении физических эффектов, способствующих уменьшению диссипации заряженных частиц (ионов и электронов) из лазерной плазмы как через материал мишени, так и на окружающие ее электроды путем уменьшения разности электрических потенциалов между лазерной плазмой, мишенью и этими электродами.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном генераторе ионов с большим зарядом, состоящем из: лазера, трубчатого пролетного канала, облучаемой лазером мишени, установленной внутри трубчатого пролетного канала на одном из его концов, трубчатого металлического экрана, установленного коаксиально внутри трубчатого пролетного канала между мишенью и точками на стенках этого канала, в которых лазерная плазма при разлете начинает касаться его стенок и системы отбора ионов, установленной в противоположном от мишени конце трубчатого пролетного канала, мишень и трубчатый металлический экран электрически соединены между собой и электрически изолированы от всех других электродов.
Таким образом, в данном изобретении в результате предложенных технических решений, выразившихся в соединении в единую электрическую цепь мишени и трубчатого металлического экрана и их электрического экранирования от трубчатого пролетного канала и других электродов, возникает новое физическое свойство, а именно: трубчатый металлический экран, мишень и образующаяся на ее поверхности лазерная плазма создают замкнутую между собой единую эквипотенциальную электрическую систему (цепь) с равными по величине электрическими потенциалами, что предотвращает уход из лазерной плазмы заряженных частиц как электронов, так и ионов на данные электроды. Поскольку реализованные предложенным способом механизмы, уменьшающие уход заряженных частиц из лазерной плазмы, позволяют сохранять в ней поглощенную энергию оптического излучения лазера, увеличивая температуру данной плазмы и способствуя образованию и концентрации в ней ионов с высоким зарядовым состоянием, это благоприятствует достижению цели предлагаемого изобретения.
Анализ известных технических решений показал, что для достижения поставленной в изобретении цели путем увеличения температуры лазерной плазмы и удержания в ней заряженных частиц посредством прекращения их диссипации из данной плазмы через материал мишени и через трубчатый металлический экран при помощи выравнивания величины электрических потенциалов лазерной плазмы и данных электродов на уровне существующей техники не обнаружено.
Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им физических свойств, связанных с достижением положительного технического результата. А именно возникновение нового физического свойства, выразившегося во взаимном выравнивании величины электрических потенциалов между лазерной плазмой, мишенью и окружающим ее трубчатым металлическим экраном, способствующего росту тока многозарядных ионов в пучке на выходе лазерно-плазменного генератора ионов с высокими зарядами, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.
Устройство лазерно-плазменного генератора ионов с большим зарядом показано на фиг.1. Он состоит из лазера 1, мишени 2, трубчатого пролетного канала 3, трубчатого металлического экрана 4, электрически соединенного с мишенью 2, системы отбора ионов 5.
Способы фиксации мишени в пролетном канале могут быть различными, например, возможно использовать динамическую мишень, которая проявляется в нужный момент времени в заданной точке пролетного канала и т.д., для сути заявки существенно наличие ее электрического контакта с трубчатым металлическим экраном и их электрическая изоляция от других электродов. В данном конструктивном решении мишень 2 электрически изолирована от трубчатого пролетного канала 3. Ее положение в этом канале задается установкой мишени на опоре, выполненной из диэлектрика. Местоположение лазера 1 может быть и не связано с корпусом трубчатого пролетного канала 3. Лазер может устанавливаться отдельно от него, важно обеспечить попадание луча лазера на мишень 2. Обычно это реализуется через технологическое окно в трубчатом пролетном канале, которое закрыто кристаллом специальной соли.
В основу работы лазерно-плазменного генератора ионов с большим зарядом положены широко применяемые в лазерно-плазменной технологии методы. Электромагнитное излучение оптического диапазона, генерируемое лазером 1, попадает на мишень 2, испаряя и ионизируя ее материал. В результате на поверхности мишени образуется сгусток лазерной плазмы, характерные размеры которого за время импульса лазерного излучения изменяются от долей миллиметра до величины (1-2) мм [2]. После прекращения облучения мишени лазером данная плазма изотропно разлетается, дрейфуя через полость трубчатого металлического экрана 4 и трубчатого пролетного канала 3 к системе отбора ионов 5, выполненной широко применяемыми способами. Система отбора ионов 5, осуществляет экстракцию ионов из лазерной плазмы, формируя их в ионный пучок.
Известно, что за ионизацию нейтральных атомов и увеличение их зарядового состояния в плазме отвечают два процесса. Это результат последовательного соударения нескольких плазменных электронов, обладающих достаточной для ионизации энергией, с атомом или ионом - каскадная (ступенчатая) ионизация, или взаимодействие с ионом электрона обладающего высокой энергией, способного одномоментно срывать электроны с нескольких орбит атома или иона. Последний процесс характерен для высокотемпературной плазмы с большой энергией плазменных электронов.
Необходимость предотвращения ухода заряженных частиц из лазерной плазмы для достижения поставленной цели вызвана следующими причинами:
1. Диссипация энергии из области лазерной плазмы, обусловленная уходом из нее ионов и электронов, может уносить от 35% до 45% энергии лазера, затрачиваемой на образование и нагрев данной плазмы [1], уменьшая температуру лазерной плазмы и препятствуя образованию в ней ионов с высокими зарядами.
2. Уменьшение количества электронов в лазерной плазме, которые отвечают за ступенчатую ионизацию вещества, также способствует понижению зарядового состояния ионной компоненты этой плазмы.
3. Увеличение электрического потенциала положительной полярности лазерной плазмы относительно окружающих ее электродов, возникающее при уходе из нее электронов, способствует диссипации ионов через окружающее пространство на эти электроды, особенно ионов с высокими зарядовыми состояниями.
Анализ движения электронов в системе: лазерная плазма, мишень, окружающие лазерную плазму электроды и стенки пролетного канала, показывает, что наибольшая часть электронов из лазерной плазмы уходит через материал мишени, которая в используемых технических решениях электрически соединена с корпусом пролетного канала или землей (массой) источника. Известно, что ионы в лазерной плазме образуются, в основном, в период облучения мишени оптическим излучением лазера. В этот период сгусток лазерной плазмы находится на поверхности мишени [2]. Известно, что для потока заряженных частиц в плазме закон Кулона (ограничение величины тока пространственным зарядом) не действует, поскольку объемный электрический заряд такого потока компенсируется зарядами обратного знака, которые моментально поступают в него из окружающей плазмы. Максимальную плотность тока J в вакууме для потока заряженных частиц, эмитируемых плазмой в пространство, с учетом действия объемного заряда самого потока, можно оценить согласно [3]
<mrow><mi>J</mi><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>086</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mi>e</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>e</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>m</mi></mrow></msqrt><mtext>                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
,
e
где: n - плотность электронов плазмы, e - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, T - температура плазмы, m - масса электрона.
Величину плотности тока в потоке заряженных частиц, проходящих через плазму, можно оценить по величине максимального тока этих зарядов, которую может инжектировать данная плазма согласно этой же работе по формуле
<mrow><msub><mi>J</mi><mn>2</mn></msub><mo><</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>344</mn><mo>⋅</mo><msub><mi>n</mi><mi>e</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>e</mi><mo>⋅</mo><msqrt><mrow><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>m</mi></mrow></msqrt><mtext>                                                      </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
.
Сравнение формул (1) и (2) показывает, что плотность тока в потоке заряженных частиц, проходящих через плазму, может в несколько раз превышать аналогичную характеристику потока тех же заряженных частиц в вакууме, у которых величина тока ограничивается известным законом Кулона. Таким образом, в технических решениях, где мишень имеет электрический контакт с корпусом пролетного канала, наибольшая часть электронов лазерной плазмы будет уходить из данной плазмы через материал мишени на «массу».
Известно, что в результате ухода отрицательно заряженных электронов из плазмы последняя приобретает положительный электрический потенциал по отношению к окружающим ее электродам, величина которого в несколько раз больше температуры электронной составляющей самой плазмы [3]. Таким образом, в случае использования типичной лазерной плазмы с характерной температурой электронов (300-1000) эВ, величина ее электрического потенциала по отношению к окружающим электродам может достигать нескольких тысяч вольт [4]. Рост электрического потенциала положительной полярности такой плазмы способствует ускоренной диссипации из нее на окружающие электроды положительно заряженных ионов и в первую очередь многозарядных ионов.
В лазерно-плазменном генераторе ионов с большим зарядом, фиг.1, действие перечисленных факторов минимизируются тем, что опора, на которой установлена мишень, выполнена из диэлектрика, предотвращающего уход электронов из мишени на корпус пролетного канала. Поскольку для существа изобретения наличие именно опоры для крепления мишени не обязательно. Главным фактором, как упоминалось выше, является отсутствие электрического контакта мишени и трубчатого металлического экрана с другими электродами предлагаемого изобретения и важно то, что трубчатый металлический экран 4 электрически соединен только с мишенью 2, и то, что они электрически изолированы от всех других электродов. В такой конструкции большинство электронов, диссипировавших из лазерной плазмы, попадут либо на мишень, либо на трубчатый металлический экран, который электрически связан с мишенью. Повышение электрического потенциала отрицательной полярности на этих электродах, которые находятся в непосредственном электрическом контакте с лазерной плазмой, будет препятствовать уходу электронов из данной плазмы. А увеличение концентрации плазменных электронов способствует росту частоты их столкновений с нейтральными частицами и ионами лазерной плазмы, увеличивая их зарядовое состояние.
Т.к. в предложенном изобретении система трубчатый металлический экран - лазерная плазма - мишень стремится стать электрически эквипотенциальной, этот фактор способствует уменьшению ухода из лазерной плазмы на окружающие электроды ионов, особенно обладающих высоким зарядом.
В результате ионные пучки, экстрагированные из такой плазмы, будут обладать повышенным содержанием ионов с высокими зарядовыми состояниями.
Предлагаемое изобретение отличается простотой исполнения, надежностью в работе и может быть использовано, например, в драйвере тяжелоионного инерционного синтеза [2].
Литература
1. 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.
2. Ю.П. Козырев, Б.Ю. Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие, М. МИФИ, ч.1. С.22. 1980.
3. А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С.22-150. 1992.
4. Я. Браун, Р. Келлер. А Холмс и др. Физика и технология источников ионов. М. Мир. С.323-335, 458-464. 1998.