ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ГЕНЕРАТОР МНОГОЗАРЯДНЫХ ИОНОВ
LASER-PLASMA GENERATOR OF MULTICHARGED IONS

Изобретение относится к генераторам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.
Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов [1], [2].
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник многозарядных ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде трубопровода, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов, металлического экрана, не препятствующего разлету лазерной плазмы, установленного внутри пролетного канала, между областью мишени облучаемой лазером и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться боковых стенок пролетного канала, и электрически соединенного с источником электрического напряжения [3].
Недостаток прототипа - малая величина зарядового состояния генерируемых ионов. Что обусловлено малой величиной внутренней энергии лазерной плазмы на начальном этапе ее разлета из-за низкой эффективности возврата в нее энергетических потерь, вызванных отражением ею излучения лазера, и потерь, вызванных наличием собственного характеристического излучения лазерной плазмы.
2
Известно, что наиболее интенсивно процессы ионообразования происходят на начальном этапе разлета лазерной плазмы от мишени, в период действия лазерного излучения, за которое, как правило, характерные размеры первоначального сгустка лазерной плазмы успевают увеличиться всего в несколько раз, затем эти процессы в основном заканчиваются [4]. Величина заряда ионов в такой плазме увеличивается с ростом температуры (среднего значения кинетической энергии диффузионного движения) ее электронов. Температура лазерной плазмы связана с эффективностью использования при ее генерации энергии оптического лазерного излучения и с наличием собственного характеристического электромагнитного излучения такой плазмы. Известно, при облучении мишени, например Со-лазером, значительная часть его излучения, до 70%, отражается в окружающее пространство от первичного сгустка лазерной плазмы и примерно 10% диссипирует в виде характеристического электромагнитного излучения самой лазерной плазмы [5]. Реализованный в прототипе способ возврата энергии диссипирующей из области первичной лазерной плазмы в виде электромагнитного излучения путем ее трансформации в электроны и возврата их в эту плазму позволяет возвращать только малую часть энергии этого излучения. Так как эффективность рекуперации γ-квантов в электроны составляет доли процента [6].
Перечисленные факторы уменьшают в прототипе температуру электронов первичной лазерной плазмы и зарядовое состояние генерируемых ионов.
Целью изобретения является повышение зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.
Сущность изобретения в том, что достижение поставленной цели обеспечивается возвратом в лазерную плазму на начальном этапе ее разлета как отраженного излучения лазера и его гармоник, так и широкого спектра оптического излучения (от инфракрасного до рентгеновского диапазона), генерируемого в виде спектра когерентных электромагнитных колебаний самой лазерной плазмой.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном генераторе многозарядных ионов, состоящем из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде трубопровода, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения потока лазерной плазмы от мишени, системы отбора ионов, область мишени, облучаемая лазером, помещена в точку фокуса отраженного электромагнитного излучения от металлического экрана с полированной внутренней поверхностью сферической формы, имеющего апертуры для транспортировки лазерного излучения на мишень и разлета лазерной плазмы, выполненного из металла с большим массовым числом согласно периодической системе элементов Д.И.Менделеева и установленного в пролетном канале в области мишени.
По сравнению с прототипом и аналогами, в которых положительный эффект достигался уменьшением потерь внутренней энергии лазерной плазмы путем возврата этой энергии в виде потока электронов, в данном изобретении в результате использования предложенных элементов конструкции, установленных указанным образом, возникает новое физическое свойство, а именно: та часть энергии оптического излучения лазера, которая ранее терялась в результате отражения от первичной лазерной плазмы, и энергия, уносившаяся из этой плазмы в виде ее характеристического электромагнитного излучения, возвращаются обратно в данную плазму в виде спектра когерентных электромагнитных колебаний. Такой способ увеличивает эффективность возврата диссипировавшей энергии, приводит к росту температуры ее электронной компоненты и способствует увеличению зарядового состояния ионов на выходе предлагаемого изобретения.
Известны технические решения, в которых изменение параметров ионов в лазерной плазме и их заряда на выходе лазерных источников ионов достигалось рекуперацией энергии, уносимой из этой плазмы заряженными частицами [7], или путем увеличения мощности лазерного излучения на мишени [8]. Но фактов возврата в область первичной лазерной плазмы энергии, ранее диссипировавшей из нее в виде электромагнитного излучения самой плазмы и отраженного излучения лазера, именно в виде электромагнитного излучения 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 зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.
Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов, показанный на рис.1, состоит из: мишени 1, лазера 2, пролетного канала 3, в котором, разлетаясь, дрейфует лазерная плазма, системы отбора ионов 4 и металлического экрана 5, внутренняя сферическая поверхность которого, отполированная до зеркального блеска, и отражает падающее на него электромагнитное излучение в точку фокуса F, в которую помещена область мишени, облучаемая лазером. Известно, что точкой фокуса отражающего экрана выполненного, например, в виде сферической поверхности с постоянным радиусом, является геометрический центр этой сферы. Как показано на данном рисунке, металлический экран 5 имеет апертуры как для пропускания (транспортировки) к мишени луча лазера, так и для выхода из внутренней области данного экрана лазерной плазмы. Диффундируя в процессе разлета через эту апертуру, лазерная плазма, пролетев через пролетный канал, попадает в систему отбора ионов 4, выполненную широко известными способами, которая экстрагирует из нее ионы и обеспечивает требуемые характеристики ионного пучка на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.
2
11
13
2
19
21
-3
Покажем особенности работы данного изобретения на примере, в котором для инициации лазерной плазмы применяются Со-лазеры, работающие в импульсно-периодическом режиме с длиной волны 1,06-10,6 мкм (область инфракрасного оптического излучения) и создающие плотность мощности такого излучения на мишени 10-10 Вт/см. Луч такого лазера 2, пройдя через апертуру транспортировки лазерного излучения в экране 5, попадает на мишень 1. В результате испарения и ионизации материала мишени в этом месте образуется сгусток первичной лазерной плазмы, которая в данной области термодинамически неравновесна, имеет характерные размеры, порядка долей миллиметра, плотность частиц ~10-10 см и температуру электронов до 500 эВ [4], [8]. Такая плазма сама является источником характеристического электромагнитного излучения, наибольшая интенсивность спектральных линий которого сосредоточена в области энергий от 0,1 до 500 эВ. Верхняя граница данного диапазона соответствует частотам рентгеновского излучения.
Известно, что степень ионизации тяжелой компоненты лазерной плазмы увеличивается с ростом температуры ее электронов. Величина этой температуры зависит как от доли энергии излучения лазера, потраченной на образование и нагрев лазерной плазмы, так и от энергетических потерь сгустка первичной лазерной плазмы в результате диссипации из него энергии в виде характеристического электромагнитного излучения самой лазерной плазмы.
Металлический экран 5 в предлагаемом изобретении предназначен для возврата в область сгустка первичной лазерной плазмы на мишени 1, оптического излучения как самой лазерной плазмы, так и отражаемого ею излучения лазера. Длины волн излучений лазера и лазерной плазмы охватывают широкий спектр частот, простирающийся от инфракрасного до мягкого рентгеновского излучения, и для их эффективного отражения требуется зеркало с особыми свойствами.
Известно, что при падении электромагнитной волны на вещество ее электрическая составляющая вызывает колебания в атомах и молекулах вещества. Для упомянутых выше диапазонов излучения за изменением электромагнитного поля успевают следовать только электроны, как свободные, так и электроны атомов. Наиболее сильно действие электромагнитной волны проявляется, если ее частота близка к частоте колебаний электронов в атомах. Электроны, переходя в режим вынужденных колебаний, сами начинают излучать вторичные электромагнитные волны. Вторичные электромагнитные волны когерентны и могут интерферировать с первичной электромагнитной волной. Если электромагнитная волна, являющаяся суперпозицией первичной и вторичной электромагнитных волн, распространяется в той же среде, откуда пришла первичная волна, она называется отраженной волной, в противном случае - преломленной волной.
e_kr
-3
Известно, что частота f (МГц) падающей на вещество электромагнитной волны и критическая плотность электронов в нем n (см), при которой вся энергия этой волны трансформируется в отраженную волну, связаны соотношением из [9].
<mrow><msub><mi>n</mi><mrow><mi>e</mi><mo>_</mo><mi>k</mi><mi>r</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>10</mn></mrow><mn>4</mn></msup><mo>⋅</mo><msup><mi>f</mi><mn>2</mn></msup><mtext>                     (1)</mtext></mrow>
,
1
где C - постоянная, зависящая от свойства вещества. Для рассматриваемого диапазона инфракрасная - рентгеновская области оценить величину критической плотности электронов в экране, при которой происходит полное отражение энергии падающей волны, можно, пользуясь формулами из [10]. Выражением, связывающим длину волны λ электромагнитного излучения с его энергией W,
<mrow><mi>λ</mi><mo>=</mo><mi>h</mi><mo>⋅</mo><mi>c</mi><mo>/</mo><mi>W</mi><mtext>                          (2)</mtext></mrow>
,
где: h - постоянная Планка, с - скорость света в вакууме. И формулой, позволяющей оценить плотность электронов Ne в веществе
<mrow><mi>N</mi><mi>e</mi><mo>=</mo><mi>N</mi><mi>a</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>ρ</mi><mi>m</mi></mfrac><mtext>                         (3)</mtext></mrow>
,
19
25
-3
где: Na - число Авогадро, ρ - удельная плотность вещества, m - его массовое число в периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Оценки, проведенные с применением (1) и (2), показывают: для рассматриваемого диапазона частот лазерного и плазменного излучений величина критической плотности электронов лежит в интервале 10-10 см. Такая плотность характерна для металлов.
Очевидно, что для получения максимальной энергии в отраженной волне необходимо обеспечить минимальную глубину проникновения падающей волны в вещество. Т.е. материал зеркала должен обладать большой удельной плотностью электронов. В противном случае часть энергии падающей волны будет рассеиваться и поглощаться веществом в виде преломленных волн.
2
23
-3
25
-3
Обеспечить высокую степень отражения рассеянного первичной лазерной плазмой излучения Со-лазера (лежащего в инфракрасном диапазоне) можно, изготовив экран 5 из легких металлов, например Al, плотность электронов в котором согласно (3) составляет ~10 см. Для эффективного отражения более высокоэнергетической части спектра, присущего излучению самой лазерной плазмы, требуются более тяжелые металлы, ядра которых имеют большое число электронных оболочек с большим количеством электронов и характеризуются широким спектром частот собственных колебаний электронов. Из приведенных оценок следует, что для эффективного отражения электромагнитных излучений как лазера, так и лазерной плазмы, экран 5 целесообразно изготавливать из металлов с наиболее высокой удельной плотностью. Такие металлы в периодической системе элементов Д.И.Менделеева имеют большие массовые числа. Например, U (уран) с массовым числом 238, плотность электронов в котором согласно (3) ~10 см.
Известно, что углы падающей на поверхность и отраженной от этой поверхности волн равны [10]. При сферической форме отражающей поверхности металлического экрана 5, имеющей одинаковый радиус, падающая волна будет всегда перпендикулярна ее поверхности. Это позволяет фокусировать отраженные электромагнитные волны обратно в точку их испускания, которая в данном случае расположена в точке фокуса F, в геометрическом центре сферы, где в предлагаемом изобретении находится облучаемая лазером область мишени.
Полировка внутренней поверхности металлического экрана 5 позволяет уменьшить угол рассеяния на ее микронеровностях падающей электромагнитной волны. Это способствует более эффективному использованию отраженного электромагнитного излучения для нагрева лазерной плазмы на мишени, росту температуры электронов в лазерной плазме и увеличению зарядового состояния ионов на выходе лазерно-плазменного генератора многозарядных ионов.
Данное изобретение отличается простотой исполнения. В нем повышена эффективность ионизации материала мишени, увеличен рабочий ресурс установки, уменьшено потребление электроэнергии. Лазерно-плазменный генератор многозарядных ионов может использоваться в ускорителях заряженных частиц, например в ускорительно-накопительном комплексе ИТЭФ-ТВН.
Литература
1. Б.К.Кондратьев, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов. Патент на изобретение РФ №2206140 от 10.06.03 г.
2. A.Н.Балабаев, Ю.А.Сатов, С.М.Савин и др. Лазерный источник ионов высокой зарядности. Патент на изобретение №2377687 от 27.12.2009 г.
3. А.В.Турчин, В.И.Турчин. Лазерный источник многозарядных ионов. Патент на изобретение №2390068 от 20.05.2010 г.
4. Ю.П.Козырев, Б.Ю.Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие, М.: МИФИ, ч.1. С.22. 1980.
5. 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.
6. Э.Д.Лозанокий, О.Б.Фирсов. Теория искры. М.: Атомиздат. С.122. 1975 г.
7. Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов с мультипольным магнитным полем. Патент на изобретение №2378735 от 10.01.2010 г.
8. Я.Браун, Р.Келлер. А.Холмс и др. Физика и технология источников ионов. М.: Мир. С.323-335, 458-464. 1998.
9. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. М. Наука. С.130-131, 196. 1987.
10. Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. Справочник по физике. М.: Физ-мат. литература. С.568-588. 1963.