ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР ИОНОВ С АКТИВНОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ ПУЧКА
LASER-PLASMA ION GENERATOR WITH ACTIVE SYSTEM OF ELECTROSTATIC BEAM FOCUSING

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.
Системы для электростатической фокусировки пучков заряженных частиц, выполненные по принципу электростатических линз (ЭСЛ) и широко применяемые в инжекторах ионов, работают в статическом или квазистатическом электрических режимах. На их электродах сохраняются неизменные значения величин электрических потенциалов в течение всего времени инжекции ионов. Известно, что при отборе ионов в пучок из плазмы, генерируемой при помощи лазерного излучения, положение ее границы изменяется относительно электродов ионно-оптической системы (ИОС) во время экстракции ионов (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин. Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, том 4, №1, с. 66-72, 2013). Наличие такой осцилляции положения границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС приводит к соответствующему изменению во времени угла огибающего ионного пучка (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 107 - 150, 1992), что способствует увеличению эффективного эмиттанса пучка заряженных частиц (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М. Энергоиздат. С. 74-75. 1982). Перечисленные выше факторы препятствуют фокусировке электростатическими линзами ионных пучков, экстрагированных из лазерной плазмы.
Аналогом изобретения является лазерный источник ионов (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. С. 323-337. 1998). Недостаток, слабая эффективность фокусировки ионного пучка в ЭСЛ из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС.
Для аналога (М. Bourgeois, G. Hall, Н. Haseroth et. all. High charge-state ion beam production from a laser ion source. CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland, LINAC 96, 1996, p. 378-380) также характерна низкая эффективность фокусировки ионного пучка из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов.
Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лазерный источник ионов с активной системой инжекции, позволяющей стабилизировать положение плазменной границы эмиссии относительно электродов ИОС. Он состоит: из лазера, мишени, пролетного канала, ионно-оптической системы, в которой ускоряющий электрод установлен на выходе ионно-оптической системы и электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения, а электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом электрически соединен с источником импульсного электрического напряжения, который электрически соединен с лазером и зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала перед электродами ионно-оптической системы (С.М. Савин, А.В. Турчин, В.И. Турчин. Лазерный источник ионов с активной системой инжекции. Патент на изобретение №2494491, дата публикации 27.09.2013).
Техническая проблема заключается в слабой эффективности фокусировки ионного пучка из-за большой температуры экстрагируемых из лазерной плазмы ионов. Рост которой обусловлен увеличением температуры лазерной плазмы в результате действия на нее переменного электрического поля, создаваемого электродами ИОС в области экстракции ионов. Динамика изменения величины этого поля приводит к развитию плазменных нестабильностей, увеличению ионно-звукового шума и к росту температуры заряженных частиц, составляющих лазерную плазму.
Техническим результатом является увеличение эффективности фокусировки ионного пучка, экстрагированного из лазерной плазмы без увеличения температуры ионов в плазме и эффективного эмиттанса ионного пучка.
Физическая сущность предложенного изобретения, обеспечивающая достижение заявленного технического результата, заключается в непрерывной компенсации углового расхождения ионного пучка, вызванного нестабильностью положения границы эмиссии ионов, методом поэтапной его фокусировки на выходе предлагаемого изобретения системой разнесенных в пространстве переменных электрических полей, величина которых связана с соответствующими параметрами лазерной плазмы в области отбора ионов. Для ее реализации на выходе лазерно-плазменного генератора ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка установлена диафрагмированная периодическая разнопотенциальная электростатическая система, аналогичная описанной в (С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М. Энергоиздат. С. 233. 1991), но по сравнению с известной модифицированная в настоящей заявке таким способом, что на ее определенных участках пучок ионов фокусируется при помощи изменяющихся по заданному закону импульсов электрического напряжения. В настоящем изобретении предложено осуществлять подачу данных импульсов на соответствующие электроды от источников электропитания таким образом, что характер изменения их амплитуды на соответствующих электродах связан с положением плазменной границы эмиссии относительно электродов ИОС. Это позволяет непрерывно осуществлять динамическую регулировку фокусирующей силы в зазорах между диафрагмами в данной периодической разнопотенциальной электростатической системе, уменьшая величину углового расхождения ионного пучка для каждого отдельно взятого момента времени. Таким образом, в предложенном изобретении нестабильность углового расхождения ионного пучка, вызванная нестационарностью положения плазменной границы эмиссии, компенсируется соответствующим изменением фокусирующей силы в зазорах между диафрагмами внутри периодической системы разнопотенциальных диафрагм. При этом, фокусирующее электрическое поле действует только на ионы в пучке, и не оказывает влияние на состояние и температуру лазерной плазмы в области экстракции ионов.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, состоящего из: лазера, мишени, пролетного канала, ионно-оптической системы, на выходе которой установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины, первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ионно-оптической системы, электрически соединены с отдельным источником электропитания и эквипотенциальны, вторая по счету диафрагма электрически соединена с генератором линейно изменяющегося электрического напряжения, который электрически соединен с лазером и датчиком тока, установленным в плазме на выходе пролетного канала, четвертая по счету диафрагма электрически соединена с усилителем электрического напряжения, электрически соединенным с этим датчиком тока.
В отличие от аналогов и прототипа, в лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, в результате предложенных конструктивных изменений, установки на выходе ИОС последовательности разнесенных в пространстве системы электродов, соединенных с источниками электропитания предложенного типа, которые соединены электрически с лазером и датчиком тока в пролетном канале предложенным в заявке способом, возникает новое физическое свойство. Появляется возможность непрерывной фокусировки пучка ионов на выходе предлагаемого устройства динамически изменяющимися во времени электрическими полями, величина которых зависит от соответствующих параметров лазерной плазмы в области экстракции ионов не вызывая роста температуры плазмы в зоне отборе из нее ионов и формировании ионного пучка. Возникновение нового физического свойства, проявленного в результате предложенных конструкционных изменений, позволяет считать заявку соответствующей критерию изобретения.
Краткое описание чертежей:
На рис. 1 приведена схема лазерно-плазменного генератора ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка.
Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, показанный на рис. 1, состоит из: лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует лазерную плазму из элементов материала мишени, дрейфующую в пролетном канале 3 в сторону ионно-оптической системы 5. Токовые и временные параметры этой плазмы измеряются при помощи датчика тока 4, который электрически связан с входом усилителя электрического напряжения «У» и установлен на выходе пролетного канала 3 перед ИОС 5, осуществляющей отбор ионов в пучок, формирование и дальнейшее его ускорение. На выходе ИОС 5 установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм 6, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины с апертурами в центре. Ее первая, третья и пятая диафрагмы, считая от выхода ИОС 5, электрически подключены к источнику электропитания «ИП» и эквипотенциальны. Вторая, по счету от выхода ИОС 5, диафрагма электрически подключена к генератору линейно изменяющегося электрического напряжения «ГЛН», входы которого электрически соединены с лазером 1 и датчиком тока 4. Четвертая, по счету, диафрагма электрически соединена с выходом усилителя электрического напряжения «У», вход которого электрически соединен с датчиком тока 4, рис. 1.
На рис. 2 показан вид импульсов электрического напряжения: (а) - на выходе ГЛН и (в) - на выходе усилителя «У».
Известно, что стабилизация положения плазменной границы эмиссии заряженных частиц относительно ускоряющих электродов ИОС возникает при равенстве величины сил плазменного давления величине компенсирующей их силы электростатического натяжения, создаваемой электрическими потенциалами на электродах ИОС (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 23-24, 1992).
Величина плазменного давления на электрическое поле ИОС в зоне формирования ионного пучка обусловлена несколькими факторами, а именно, на характер разлета первичного плазменного сгустка от мишени, после облучения ее лазером, влияет суперпозиция различных импульсов движения. Например, импульсов, зависящих от температуры плазмы и приводящих к изотропности направлений разлета ее частиц, и импульса продольного движения, получаемого частицами плазмы при их выходе из мишени, действие которого направлено перпендикулярно плоскости поверхности мишени (Я. Браун, Физика и технология источников ионов. М. Мир. С. 323-337. 1998). Суммарное действие упомянутых выше импульсов движения на частицы плазмы приводит к растягиванию первоначального плазменного сгустка в пролетном канале в виде расширяющейся плазменной струи. Диапазон значений аксиальных скоростей заряженных частиц плазмы, дрейфующей в пролетном канале, можно оценить, зная времена появления to и окончания токового сигнала на зондовом датчике тока относительно импульса лазера, рис. 2. Поскольку, длительность импульса лазерного излучения мала (как правило, не превосходит единиц или десятков наносекунд) ею в оценках можно пренебречь. Характер изменения во времени t, кинетической энергии продольного движения U плазмы по оси пролетного канала 3, рис. 1, иллюстрирован верхним графиком (а), рис. 2. Как следует из этого графика, частицы, в начале (голове) плазменной струи обладают наибольшей скоростью продольного движения. Скорость их дрейфа уменьшается в конце плазменной струи. Подобное распределение продольных скоростей заряженных частиц в дрейфующей лазерной плазме приводит к тому, что положение плазменной границы эмиссии ионов относительно ускоряющих электродов ИОС будет изменяться соответствующим образом. При неизменной величине напряженности электрического поля в ИОС, граница плазмы будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц в начале импульса, и отдаляется от ИОС, по мере прихода в зону экстракции более медленных частиц в «хвосте» струи лазерной плазмы. Поскольку в пролетном канале отсутствует диссипация энергии и лазерная плазма находится в состоянии свободного дрейфа, расстояние границы эмиссии ионов от электродов ИОС будет изменяться во времени по линейному закону.
При формировании плазменной границы отбора ионов величина плазменного давления зависит не только от продольной скорости частиц в лазерной плазме. Она связана с плотностью зарядов в области эмиссии ионов в различные моменты времени. Расстояние d между плазменной границей эмиссии ионов и электродами ИОС, можно рассчитать, пользуясь уравнением баланса сил давления лазерной плазмы силам электростатического натяжения, создаваемых электрическим полем ИОС согласно (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 23-24, 1992) по формуле
0
2
2
ε⋅ U/2d=n⋅k⋅T,
0
где: ε - диэлектрическая постоянная вакуума, U - величина электрического потенциала на электроде экстракции в ИОС, d - расстояние между этим электродом и плазменной границей эмиссии ионов, n - плотность заряженных частиц в плазме, k - постоянная Больцмана, Т - их температура, которую в данных расчетах следует ассоциировать с энергией продольного дрейфа частиц в лазерной плазме. Изменение во времени плотности «n» частиц в такой плазме характеризуется изменением величины амплитуды импульса тока на датчике тока 4, рис. 1, иллюстрируемым нижним графиком (в) на рис. 2.
В прототипе влияние перечисленных выше факторов на угловое расхождение ионного пучка компенсируется соответствующим изменением величины электрического поля, создаваемого ИОС. Действие такого поля на зарядовые компоненты плазмы приводит к нарастанию различного вида плазменных неустойчивостей (токовой, Бунеманова-Будкера, желобковой и т.п.), способствующих росту амплитуды плазменных колебаний, увеличению ионно-звукового шума и росту температуры ионов в лазерной плазме.
Для повышения эффективности захвата ионов в режим ускорения высокочастотными (ВЧ) структурами ускорителя, пучки ионов на входе ускоряющих структур требуют дополнительной фокусировки. Увеличение температуры ионов в пучке приводит к росту его фазового объема, что препятствует захвату ионного пучка в режим ускорения и эффективности его фокусировки.
В предложенном лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, включающем в себя: лазер, световое излучение которого, попадая на мишень, образует плазму, дрейфующую в пролетном канале. Токовые и временные параметры которой измеряются при помощи датчика тока, электрически связанного со входом усилителя электрического напряжения и установленного на выходе пролетного канала перед ИОС, осуществляющей отбор ионов из плазмы, формирование и ускорение ионного пучка и характеризующейся неизменной во времени величиной электрических напряжений на электродах. На выходе этой ИОС установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины с апертурами в центре. Первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ИОС, электрически подключены к отдельному источнику электропитания и эквипотенциальны. Вторая по счету от выхода ИОС диафрагма электрически подключена к генератору линейно изменяющегося электрического напряжения, электрически связанному с лазером и датчиком тока, четвертая по счету диафрагма электрически связана с выходом усилителя электрического напряжения, вход которого электрически связан с датчиком тока.
Таким образом, в настоящей заявке реализуется возможность динамической фокусировки экстрагированного из лазерной плазмы ионного пучка в разнесенных в пространстве зазорах между диафрагмами предложенной периодической системы, позволяющая компенсировать угловое расхождение пучка ионов, вызванное нестабильностью положения плазменной границы их эмиссии, без увеличения температуры плазмы и эмиттанса ионного пучка.
Пример технической реализации.
Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка работает следующим образом. Импульс лазерного излучения малой длительности (порядка единиц или десятков наносекунд), генерируемый лазером 1, попадает на мишень 2, установленную в пролетном канале 3 и образует первичный плазменный сгусток, состоящий из элементов материала мишени. В процессе разлета этого сгустка, его плазма, диффундируя в пролетном канале 3 в сторону ИОС 5, образует вблизи электродов ИОС 5 границу, с которой производится отбор ионов в пучок, рис. 1. В предложенной конструкции использована трехэлектродная ИОС 5 с постоянной величиной электрических напряжений на электродах, работающая в типовом режиме ускорение-замедление. При помощи указанной ИОС осуществляется отбор ионов, формирование и ускорение ионного пучка. Датчик тока 4 выполнен по принципу зонда Ленгмюра и установлен на выходе пролетного канала 3, рис. 1. Он предназначен для регистрации величины изменения во времени плотности заряженных частиц в плазме и времени пролета составляющих лазерную плазму элементов от мишени до ИОС. При отборе ионов в пучок из лазерной плазмы при помощи ИОС с постоянным электрическим полем было выявлено изменение положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС в течение времени их экстракции, в зависимости от величины продольной скорости ионов и значений их плотности в области эмиссии, что привело к соответствующему изменению углового расхождения ионного пучка на выходе ИОС в процессе экстракции. Данное явление способствует увеличению эффективного эмиттанса ионного пучка, затрудняя его фокусировку и препятствуя захвату ионов ВЧ-ускоряющми структурами в режим ускорения. Как показали эксперименты, одним из факторов, влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов, является эффект изменения продольной скорости ионов в зависимости от их нахождения в дрейфующей плазме. Ее характер, с учетом фактора линейности изменения в недиссипативной системе сил величины этой скорости, можно оценить, зная времена появления и окончания электрического сигнала на датчике тока 4, рис. 1, пользуясь данными верхнего графика (а), на рис. 2. Значения амплитуды в начальной части импульса на этом графике соответствуют энергии продольного движения наиболее быстрых ионов (точка to на рис. 2 (а) и (в)). По времени окончания данного импульса тока на графике, можно оценить кинетическую энергию продольного движения ионов в конце плазменной струи.
На выходе ИОС 5 установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм 6, осуществляющая фокусировку ионного пучка и состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины (порядка, 1-2 мм). Первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ИОС 5, эквипотенциальны и электрически подключены к отдельному источнику электропитания «ИП», рис. 1. Вторая по счету диафрагма электрически подключена к выходу генератору линейно изменяющегося электрического напряжения «ГЛН», один из входов которого запускается электрическим сигналом в момент генерации светового излучения лазером 1. Второй вход «ГЛН», связан с датчиком тока 4, рис. 1. Это позволяет, в зависимости от времени появления и исчезновения тока на нем, формировать на выходе «ГЛН» систему пилообразных импульсов с линейно изменяющимся по величине электрическим напряжением таким образом, чтобы величина этого напряжения в любой отдельный момент времени соответствовала значению кинетической энергии продольного движения заряженных частиц в области экстракции ионов лазерной плазмы. Это позволяет компенсировать действие данных факторов, негативно влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов. С выхода «ГЛН», рис. 1, линейно изменяющееся по амплитуде электрическое напряжение, характер изменения которого иллюстрируется верхним графиком (а) на рис. 2, подается на вторую диафрагму периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, рис. 1. Регулируя таким способом характер изменения амплитуд электрического напряжения в зазорах между первой, второй и третьей диафрагмами данной периодической системы, можно изменять жесткость фокусировки в этих областях, компенсируя угловое расхождение ионного пучка, вызванное фактором разброса продольных скоростей частиц в лазерной плазме.
Влияние другого фактора, связанного с изменением плазменного давления, зависящего от плотности зарядов на различных участках плазменной струи, компенсируется с учетом изменения во времени величины амплитуды электрического импульса, снимаемого с датчика тока 4 и поступающего на вход усилителя электрического напряжения «У», рис. 1. Данный импульс, характер изменения амплитуды которого во времени иллюстрируется нижним графиком (в), рис. 2, усиливается в усилителе «У» и с его выхода поступает на четвертую по счету диафрагму периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, рис. 1. Возникающее изменение во времени величины фокусирующей силы в зазорах между третьей и четвертой диафрагмами в данной периодической системе позволяет компенсировать угловое расхождение ионного пучка, вызванное изменением плотности заряженных частиц лазерной плазмы на границе эмиссии ионов.
Регулировкой величины выходного электрического напряжения на ИП (рис. 1), устанавливают требуемый угол огибающего ионного пучка.
Предложенная в данном изобретении динамическая фокусировка ионного пучка, разнесенная в пространстве между диафрагмами периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, и зависящая от параметров плазмы в области отбора ионов в пучок, позволяет осуществлять эффективную фокусировку ионного пучка вне зависимости от положения плазменной границы эмиссии ионов. Такой способ фокусировки не вызывает развитие дополнительных плазменных неустойчивостей, приводящих к увеличению температуры ионов в плазме и росту эффективного эмиттанса в инжектируемом ионном пучке, позволяя увеличить эффективность фокусировки пучка ионов и обеспечивая достижение заявленного технического результата.
Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка отличается простотой конструкции, надежностью работы и малой себестоимостью.