ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ С ЭЛЕКТРОННЫМ ЦИКЛОТРОННЫМ РЕЗОНАНСОМ

Полезная модель относится к генераторам ионных пучков с высоким зарядовым состоянием и может использоваться в ускорителях многозарядных ионов и экспериментах по атомной физике.
-3
-4
-6
-7
Известны двухступенчатые источники многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом (ЭЦР-источники) в первой ступени которых плазма образуется ионизацией газа переменным электрическим полем сверх высокой частоты (СВЧ-электрическим полем) при давлениях ~ (10-10) Торр с последующим увеличением зарядового состояния ее ионов во второй ступени путем ступенчатой ударной ионизации плазменными электронами в магнитной ловушке со сложной конфигурацией магнитного поля при давлении ~ (10-10) Торр, электронами, ускоренными СВЧ-электрическим полем, как правило, более высокой частоты (R. Geller, Proceedings of the 8th International Conference on Cyclotrons and Their Applications, Bloomington, Indiana, September 1978, IEEE, p. 2120).
Недостаток, малое зарядовое состояние ионов и низкая интенсивность ионного пучка на выходе ЭЦР-источников такого типа, вызванные потерями ионов при удержании и перезарядке на нейтральных атомах рабочего газа в процессе дрейфа плазмы через вторую ступень. Большое количество нейтральных атомов в этой ступени обусловлено перетеканием рабочего газа из области высокого давления в первой ступени в область более низкого давления во второй ступени и малой величиной скорости продольного дрейфа плазмы в направлении экстракции ионов, в основном, определяющейся перепадом давления между первой и второй ступенями ЭЦР-источника (Я. Браун, Физика и технология источников ионов, М, Мир, 1998, с. 223-247).
Широко известны лазерные источники многозарядных ионов, в которых луч лазера ионизирует и испаряет материал мишени. Образующаяся плазменная струя распространяется в пролетном канале таких источников в направлении наибольшего градиента гидродинамического давления перпендикулярно поверхности мишени со скоростью дрейфа соответствующей энергии в несколько кэВ (Я. Браун, Физика и технология источников ионов, М, Мир, 1998, с. 323-337). В многозарядном лазерном источнике ионов, состоящем из CO2-лазера, углеродной мишени, пролетного канала и электростатического анализатора, продольная скорость дрейфа ионов углерода в пролетном канале от мишени в сторону экстракции соответствует диапазону энергий, порядка 1-10 кэВ (Ю.А. Сатов, А.В. Шумшуров, А.А. Васильев и др. Развитие техники времяпролетных измерений в плазме, создаваемой CO2-лазером, 2017, ПТЭ №4, с. 108-114). Недостаток, малое зарядовое состояние ионов, вызванное отсутствием их удержания и потерями ионов при перезарядке на нейтральных атомах балластного газа в процессе дрейфа плазмы в пролетном канале.
Близким к настоящему решению является двухступенчатый ЭЦР-источник ионов, состоящий из: корпуса на котором установлен электромагнитный соленоид для создания аксиально-симметричного магнитного поля в первой ступени, вакуумной станции для откачки балластного газа, трубопровода для подачи в эту ступень рабочего газа, волновода для ввода в нее переменного СВЧ-электрического поля, диафрагмы, отделяющей первую ступень от второй ступени, на корпусе которой установлены электромагнитные соленоиды для формирования в ней аксиально-симметричного магнитного поля и постоянные магниты из SmCo, установленные по периметру корпуса второй ступени таким образом, что они позволяют формировать на всем протяжении этой ступени мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси источника приближается к нулю и резко нарастает при удалении от нее в радиальном направлении, генератора переменного СВЧ-электрического поля, волновода, предназначенного для подачи этого поля во вторую ступень, системы экстракции и ускорения ионов (С.М. Lyneis, Performance of the LBL ECR ion source, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, V. 10-11, Part 2, 1985, 775-778).
Техническая проблема состоит в малом зарядовом состоянии ионов и низкой интенсивности ионного пучка на выходе ЭЦР-источника ионов, которые вызваны потерями ионов при их удержании и при перезарядке на нейтральных атомах рабочего газа во второй ступени.
Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение зарядового состояния ионного пучка и его интенсивности на выходе источника ионов, а также повышение эффективности использования лазерного излучения - увеличение мощности лазерного излучения за счет установки лазера на корпусе источника.
Сущность примененного в предлагаемой полезной модели отличительного физического свойства, обеспечивающего достижение заявленного технического результата, связана с генерацией в первой ступени первоначальной плазмы ионизацией материала мишени из рабочего вещества излучением лазера, в отличие от ионизации газа электронным циклотронным резонансом, как это принято в большинстве известных аналогов. Такое техническое решение позволяет транспортировать во вторую ступень с магнитной ловушкой первичную плазму, содержащую ионы с высоким зарядовым состоянием, которые затем «обдираются» в ней электронами с увеличенной в результате электронного циклотронного резонанса энергией. Такая плазма характеризуется большой скоростью продольного движения в направлении экстракции ионов и свободна от нейтральных атомов рабочего вещества. Поскольку скорость нейтральных атомов, в основном, определяется их температурой и энергией начального гидродинамического импульса движения и соответствует кинетической энергии, не превосходящей 1 эВ, то при дрейфе плазмы в пролетном канале, из-за большой разности продольных скоростей, происходит разделение во времени нейтральной компоненты и зарядовой компоненты плазмы, которая обладает кинетической энергией кэВ-уровня. Перечисленные факторы способствуют уменьшению потерь ионов в этой ступени, возникающих при перезарядке и повышают эффективность их удержания от ухода на боковые стенки, облегчая экстракцию ионов из плазмы в ионный пучок.
Заявленный технический результат достигается предложенной оригинальной двухступенчатой конструкцией лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, состоящего из: корпуса, установленных на нем электромагнитных соленоидов таким образом, что они позволяют формировать во второй ступени данного источника ионов продольное аксиально-симметричное магнитное поле, постоянных магнитов, установленных по периметру корпуса таким образом, что они позволяют формировать на всем протяжении второй ступени мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси приближается к нулю и резко нарастает при удалении от нее в радиальном направлении, генератора переменного СВЧ-электрического поля, волновода, предназначенного для ввода переменного СВЧ-электрического поля в эту ступень, системы экстракции и ускорения ионов, и установленных в первой ступени предложенного источника ионов: лазера на корпусе источника и мишени из рабочего вещества на центральной продольной оси таким образом, что обеспечивается попадание на нее излучения лазера в области центральной продольной оси, а также вакуумного насоса, предназначенного для откачки балластного газа. При этом попадание излучения лазера на мишень в области центральной продольной оси обеспечивается перемещением мишени относительно неподвижного лазера, либо перемещением лазера относительно неподвижной мишени, либо перемещением мишени и лазера относительно друг друга.
В отличие от известных аналогов, в предлагаемой полезной модели возникают новые физические свойства, обусловленные предложенными техническими решениями. А именно, в первичной плазме, генерируемой испарением и ионизацией рабочего вещества мишени излучением лазера, содержится большое количество многозарядных ионов, что позволяет транспортировать в ионизационную камеру с магнитной ловушкой плазму с уже высоким зарядовым состоянием ионов и большой скоростью продольного движения ее заряженных частиц по отношению к нейтральной компоненте. Наличие такой направленности движения благоприятствует уменьшению угловой расходимости плазменной струи и, как следствие, адсорбции ионов на боковых стенках, понижает содержание нейтральных атомов рабочего вещества в области с ЭЦР-ионизацией, способствуя уменьшению потерь ионов как на перезарядке, так и в результате их ухода на боковые стенки. Перечисленные выше факторы увеличивают зарядовое состояние и интенсивность ионного пучка на выходе полезной модели, а также увеличение мощности лазерного излучения, обеспечивая достижение заявленного технического результата.
Краткое описание чертежей:
Рис. 1 Схема, поясняющая работу лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом.
Источник ионов состоит из корпуса 1, балластный газ из которого откачивается при помощи вакуумного насоса 2, мишени 3, установленной на центральной продольной оси и содержащей рабочее вещество, генератора переменного СВЧ-электрического поля 4, волновода 5, по которому переменное электрическое СВЧ-поле вводится в область магнитной ловушки, лазера 6, установленного на корпусе 1, мишени 3, установленной на центральной продольной оси таким образом, что излучение лазера через мембрану, прозрачную для лазерного излучения, попадает на нее в области центральной продольной оси, электромагнитных соленоидов 7, установленных на корпусе 1 таким образом, что они создают продольное аксиально-симметричное магнитное поле В1 в магнитной ловушке, постоянных магнитов 8 из SmCo, установленных по периметру корпуса 1 между электромагнитными соленоидами 7 таким образом, что они формируют в магнитной ловушке мультипольное магнитное поле сложной конфигурации В2, величина которого максимальна вблизи боковых стенок корпуса 1 и стремится к нулю на его центральной продольной оси (см. рис. 2), системы экстракции и ускорения ионов 9.
Рис. 2 График изменения величины мультипольного магнитного поля В2 в радиальном направлении от боковых стенок к центральной продольной оси лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом.
Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, состоящий из корпуса с вакуумным насосом, предназначенным для удаления балластного (фонового) газа, лазера, установленного на корпусе, мишени, которая установлена в первой ступени данного источника ионов таким образом, что излучение лазера, проходя через мембрану в корпусе, попадает на мишень в области центральной продольной оси и генерирует лазерную плазму с высокой плотностью частиц. Эта плазма, содержащая многозарядные ионы материала мишени, дрейфуя в продольном направлении с кинетической энергией ионов порядка нескольких кэВ, попадает во вторую ступень. В которой осуществляется дополнительное увеличение зарядового состояния ее ионов в результате многократной ударной ионизации их электронами, энергия (температура) которых повышена в результате электронного циклотронного резонанса. Нагрев электронов и удержание заряженных частиц плазмы во второй ступени реализуются подачей в нее СВЧ-электромагнитных колебаний по волноводу от генератора переменного СВЧ-электрического поля и наличием в ней магнитного поля сложной конфигурации с минимальной величиной на центральной продольной оси источника. Такое магнитное поле создается суперпозицией продольного, аксиально-симметричного магнитного поля, формируемого установленными на корпусе электромагнитными соленоидами и мультипольного магнитного поля, величина которого на центральной продольной оси источника приближается к нулю и резко нарастает в пристеночной области. Это магнитное поле создается на всем протяжении второй ступени при помощи постоянных магнитов из SmCo, установленных по периметру корпуса как предложено в настоящей полезной модели. Отбор ионов из плазмы и формирование ионного пучка осуществляются при помощи электродов системы экстракции и ускорения ионов, установленных на выходе данного источника ионов.
Создание на начальном этапе лазерной плазмы с большим содержанием многозарядных ионов и высокой скоростью продольного движения заряженных частиц, позволяет уменьшить потери ионов при перезарядке и уходе из области ионизации в магнитной ловушке с дополнительной ионизацией их электронами, температура которых повышена при помощи электронного циклотронного резонанса. Перечисленные выше факторы способствуют увеличению интенсивности и зарядового состояния ионного пучка на выходе источника, предлагаемого в качестве полезной модели, а также увеличению мощности лазерного излучения.
Пример.
2
e
Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, устройство которого показано на рис. 1, работает следующим образом. Для уменьшения потерь ионов при перезарядке на нейтральных атомах фонового газа, он откачивается из корпуса 1 при помощи вакуумного насоса 2 до давления 10-7 мм рт.ст. и ниже. Генерация плазмы в первой ступени осуществляется испарением и ионизацией материала мишени 3 импульсами лазерного излучения, создаваемого лазером 6, которое попадает на мишень в области центральной продольной оси через мембрану в корпусе 1 (рис. 1). Образованная таким образом плазменная струя, расширяясь, распространяется в направлении наибольшего градиента гидродинамического давления, обычно перпендикулярного поверхности мишени. В конструкции на рис. 1 плазма дрейфует вдоль продольной оси от мишени 3 в направлении системы экстракции и ускорения ионов 9, установленной на выходе лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом. При плотности мощности лазера >1012 Вт/см электронная температура в начальном плазменном сгустке на мишени достаточно высока, чтобы в плазме произошло разделение зарядов. Горячие электроны предшествуют ионной составляющей, и между ними и тяжелой компонентой возникает ускоряющий потенциал для ионов. Образовавшаяся зарядовая составляющая плазмы содержит ионы с высоким зарядовым состоянием и кинетической энергией продольного движения от единиц до нескольких сотен кэВ (P. Bnand, R. Geller, В. Gacquot et. all, Nucl. Instrum. Methods, 1975, 131, 407; Ю.А. Сатов, A.B. Шумшуров, A.A. Васильев и др., Развитие техники времяпролетных измерений в плазме, создаваемой CO2-лазером, 2017, ПТЭ №4, с. 108-114). Скорость ее дрейфа существенно выше скорости движения нейтральной компоненты этой плазмы, которая связана с температурой и энергией гидродинамического импульса. Так, нейтральные атомы вещества с температурой ~2000 К0 обладают кинетической энергией <0,2 эВ. В результате разницы продольных скоростей при дрейфе плазмы происходит отставание нейтральных атомов от заряженных частиц и разделение по времени попадания в магнитную ловушку нейтральных атомов и зарядовой компоненты лазерной плазмы. Таким образом, во вторую ступень, отстоящую от мишени на расстояние при котором плотность электронов в расширяющимся плазменной струе падает до величины, позволяющей проникать в нее переменному СВЧ-электрическому полю, попадает плазма с большим содержанием заряженных частиц и пониженной концентрацией нейтральных атомов рабочего вещества. Расстояние от мишени 3 до входа в магнитную ловушку можно оценить для каждого конкретного случая с учетом частоты переменного электрического поля f и динамики уменьшения плотности электронов в увеличивающимся объеме плазменной струи, учитывая возможность проникновения электромагнитной волны используемой частоты в плазму с известной плотностью электронов согласно (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М, Мир, 1998, с. 231) по формуле , где n - плотность электронов плазмы в корпусе 1 на данном удалении от мишени.
Переменное СВЧ-электрическое поле, создаваемое генератором переменного СВЧ-электрического поля 4, вводится в магнитную ловушку второй ступени по волноводу 5. Оно осуществляет увеличения энергии электронов плазмы в результате эффекта электронного циклотронного резонанса.
Принцип увеличения энергии электронов в результате такого эффекта заключается в следующем. При движении электрона в переменном электрическом поле в условиях отсутствия столкновений электрон не отбирает энергию от этого поля. Работа, совершаемая полем в положительный полупериод, в точности равна работе в отрицательный полупериод. При этом, максимальное смещение (путь) электрона в первый полупериод равно смещению во втором, но в обратном направлении. Если же создать условия, когда в один из полупериодов электрон будет проходить путь больший, чем в другой, то от периода к периоду энергия электрона будет возрастать. Один из вариантов - наложить магнитное поле перпендикулярно электрическому полю. Тогда на электрон будет действовать сила Лоренца, направление которой перпендикулярно вектору скорости электрона и индукции магнитного поля . Электрон начнет двигаться не только в направлении, задаваемом электрическим полем , но и перпендикулярно ему. Траектория движения электрона в таких условиях зависит от соотношения между частотой электрического поля ω и циклотронной (ларморовской) частотой. Ларморовская частота определяется как ω=eB/me, где e - заряд электрона, me - его масса. По мере приближения частоты электрического поля к циклотронной частоте путь, проходимый электроном в электрическом поле, все более возрастает, радиус его траектории увеличивается во времени, и от периода к периоду увеличивается энергия электрона.
Дрейфующий поток лазерной плазмы попадает во вторую ступень источника, в которой ее ионы подвергаются дополнительной обдирке. Для увеличения времени и эффективности ионизации в этой ступени электроны и ионы плазмы удерживаются от ухода на боковые стенки магнитным полем сложной конфигурации с минимумом значения магнитного поля на центральной продольной оси источника. Такую конфигурацию получают комбинированием осевого магнитного поля В1, создаваемого электромагнитными соленоидами 7, с многополюсным магнитным полем (в данной конструкции шестиполюсным) В2, создаваемого постоянными магнитами 8 из SmCo, рис. 1. Катушки электромагнитных соленоидов 7 изготовлены таким образом, что они формируют во второй ступени осевое магнитное поле В1, величина которого увеличивается на входе и выходе из магнитной ловушки, создавая на них магнитные пробки, которые необходимы для отражения дрейфующих в продольном направлении плазменных электронов обратно в ловушку, препятствуя их уходу из зоны ионизации.
Постоянные магниты 8, расположенные по внешнему периметру корпуса в показанной конфигурации (рис. 1, разрез А-А), формируют во второй ступени мультипольное остроугольное (касповое) магнитное поле В2, величина которого минимальна на центральной оси и возрастает в любом направлении от центра к боковым стенкам. На рис. 2 показан график изменения величины мультипольного магнитного поля В2 в радиальном направлении от боковых стенок данного источника ионов к его центральной продольной оси.
11
12
-3
В результате суперпозиции магнитных полей, создаваемых электромагнитными соленоидами 7 и постоянными магнитами 8, рис. 1, во второй ступени создается магнитное поле, конфигурация которого обеспечивает эффективную стабилизацию возникающих в результате магнитогидродинамических неустойчивостей возмущений плазмы в магнитной ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от 1⋅10 до 5⋅10 см при их температуре до нескольких десятков кэВ (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М, Мир, 1998, с. 228-242). Основным преимуществом ЭЦР-источников с такими магнитными ловушками является большое время жизни в них плазмы, что обеспечивает глубокую обдирку ионов.
Малая концентрация нейтральных атомов рабочего вещества и балластного газа в магнитной ловушке второй ступени снижает вероятность потери ионов при перезарядке на этих частицах.
Наличие у ионов плазмы, дрейфующей через вторую ступень, высокой аксиальной скорости облегчает их экстракцию, осуществляемую при помощи электродов системы экстракции и ускорения ионов 9, рис. 1. В данной конструкции эта система выполнена в виде ионно-оптической системы с плоскопараллельным расположением электродов.
Реализованная в предлагаемой полезной модели возможность генерация лазерной плазмы в первой ступени с перечисленными выше характерными для нее особенностями, позволяют уменьшить потери ионов на перезарядке и уходе из области ионизации рабочего вещества во второй ступени. Это способствует увеличению зарядового состояния и интенсивности ионного пучка на выходе предлагаемой полезной модели. Установка лазера на корпусе источника позволяет повысить эффективность использования лазерного излучения (увеличить мощность лазерного излучения).
Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом отличается надежностью работы, относительно малым энергопотреблением и сравнительно невысокой себестоимостью.