ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ ВЫСОКОЙ ЗАРЯДНОСТИ
LASER SOURCE OF HIGHLY CHARGED IONS

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц.
Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов, описанные в работах [1], [2], [3].
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник ионов, в котором уменьшен разброс скоростей и углов разлета ионов на его выходе и который состоит из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, на поверхности которого установлены магниты таким образом, что они формируют внутри пролетного канала по всей его длине между мишенью и системой отбора ионов мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на его центральной продольной оси, резко нарастает в области стенок пролетного канала и системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала [4].
Недостатком прототипа является малая величина генерируемого им тока ионов с высокой зарядностью, т.е. ионов имеющих высокое зарядовое состояние.
Известно, что на начальном этапе разлета плазмы происходит быстрый уход плазменных электронов с высокой энергией, способных ионизировать испаряемый материал мишени, из области мишени, облучаемой лазерным излучением. Скорость ухода таких электронов тем больше, чем выше их энергия. Поэтому процессы дальнейшего ионообразования в разлетающемся плазменном сгустке практически уже заканчиваются через промежуток времени, за который его характерные первоначальные размеры успевают увеличиться в два-три раза [5]. Это не позволяет извлекать из лазерной плазмы сильноточные пучки ионов высокой зарядности.
Целью изобретения является повышение тока ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности. В настоящем изобретении достижение поставленной цели обеспечивается не за счет увеличения плотности мощности лазерного излучения на мишени, как это широко известно [5], а путем более эффективного использования для ионизации частиц лазерной плазмы ее электронов, обладающих высокой энергией.
Сущность изобретения заключается в том, что в пролетном канале лазерного источника ионов высокой зарядности между его началом и точками, в которых расширяющаяся при разлете лазерная плазма начинает касаться стенок пролетного канала, формируется магнитное поле сложной конфигурации, которое препятствует уходу плазменных электронов на боковые стенки пролетного канала и заставляет их осциллировать как в поперечных, так и в продольном направлениях разлета лазерной плазмы. Конфигурация данного магнитного поля такова, что в пролетном канале возникает эффект компрессии плазменных электронов вокруг его центральной продольной оси, в результате которой эти электроны интенсивно вытесняются магнитным полем с удаленных в поперечных направлениях участков пролетного канала в область его центральной продольной оси. В результате перечисленных выше эффектов, у плазменных электронов, обладающих энергией, большей или достаточной для однократной ионизации частиц плазмы (горячих электронов), появляется возможность неоднократного пролета через область расширяющейся плазмы и ионизации ее нейтральных и уже заряженных частиц, что способствует повышению зарядового состояния ионов в лазерной плазме и увеличению тока ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерном источнике ионов высокой зарядности, состоящем из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, на поверхности которого установлены магниты таким образом, что они формируют внутри пролетного канала мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на его центральной продольной оси, резко нарастает в области стенок пролетного канала и системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси в конце пролетного канала, магниты установлены в зоне между началом пролетного канала и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться стенок пролетного канала таким образом, что пары магнитов, находящиеся на диаметрально противоположных боковых сторонах пролетного канала, формируют магнитные поля, силовые линии которых направлены в противоположные стороны, а поперечные размеры мишени меньше поперечных размеров пролетного канала, причем ее область, облучаемая лазером, располагается на центральной продольной оси пролетного канала и удалена от его начала.
Таким образом, в предлагаемом изобретении в результате использования предложенных элементов конструкции и оборудования, установленных и соединенных именно указанным образом, возникает новое физическое свойство, выражающееся в увеличении времени пребывания горячих плазменных электронов в лазерной плазме, что способствует росту средней температуры электронной компоненты лазерной плазмы на участке пролетного канала между мишенью и точками касания лазерной плазмой стенок пролетного канала. Это позволяет, по сравнению с наиболее близким аналогом, увеличить время, в течение которого происходит процесс образования новых ионов в лазерной плазме, повысить общую зарядность ее ионной компоненты и увеличить ток ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности.
Подчеркнем отличительные от прототипа конструктивные особенности изобретения. Именно предложенная геометрия мишени и расположение ее облучаемой лазером зоны на удалении от начала пролетного канала обеспечивают возможность формирования в нем мультипольного магнитного поля не только между мишенью и системой отбора ионов, как это имело место в прототипе, но и за областью мишени, облучаемой лазером. Оба этих фактора позволяют горячим плазменным электронам осциллировать в пролетном канале как перед зоной мишени облучаемой лазером, так и за ней и вновь возвращаться в область разлетающейся лазерной плазмы. В результате уменьшается вероятность их поглощения на торцевой стенке пролетного канала и на поверхностях мишени, не участвующих в плазмообразовании, что сохраняет горячие электроны для ионизации частиц в сгустке лазерной плазмы. Другая особенность данного изобретения заключается в том, что пары магнитов, установленные на диаметрально противоположных сторонах пролетного канала, формируют разнонаправленные магнитные поля. Это способствует уменьшению средней величины вектора аксиальной скорости смещения горячих плазменных электронов, увеличивая время их пребывания в лазерной плазме.
Известно техническое решение, в котором уменьшение разброса скоростей и углов разлета ионов в пучке на выходе лазерного источника ионов обеспечивается путем установки на всей длине его пролетного канала, а именно в пространстве между поверхностью мишени, облучаемой лазером, и системой отбора ионов магнитов, формирующих мультипольное магнитное поле схожей конфигурации [4]. Но фактов применения магнитных полей предложенной конфигурации именно предложенным способом как перед, так и за зоной мишени облучаемой лазером и по иному назначению, а именно для увеличения тока ионов с высокими зарядовыми состояниями в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности путем повышения температуры электронной составляющей лазерной плазмы в зоне между поверхностью мишени, облучаемой лазером, и точками касания боковых стенок пролетного канала лазерной плазмой, 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, приведшее к увеличению времени жизни электронов с высокими начальными энергиями в лазерной плазме, позволившее увеличить зарядовое состояние лазерной плазмы, приведшее к увеличению тока ионов высокой зарядности в пучке заряженных частиц на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.
Лазерный источник ионов высокой зарядности показан на фиг.1. Он состоит из пролетного канала 1, мишени 2, магнитов 3, формирующих магнитное поле со сложной конфигурацией силовых линий 4 в пространстве между боковыми стенками пролетного канала и поверхностью лазерной плазмы 5, которое не занято разлетающейся лазерной плазмой, возникшей при попадании на материал мишени луча лазера 6, системы отбора ионов 7, экстрагирующей и формирующей из лазерной плазмы пучок ионов 8.
Лазерный источник ионов высокой зарядности работает следующим образом. В пространстве пролетного канала 1 на отрезке между его началом и точками, в которых разлетающаяся лазерная плазма 5 начинает касаться боковых стенок канала, магниты 3 формируют сложное мультипольное магнитное поле с конфигурацией силовых линий 4, фиг.1. Как видно из этого чертежа, в аксиальном направлении пролетного канала величина магнитного поля для каждого значения его поперечной составляющей неизменна. Она близка к нулю вблизи центральной продольной оси пролетного канала и резко нарастает по мере смещения к стенкам пролетного канала, фиг.2. В пространстве с таким магнитным полем электроны, двигающиеся в поперечных направлениях, могут уходить на стенки пролетного канала только через магнитные щели, которые образуются на полюсах магнитов. Известно, что ширина такой щели не превосходит четырех величин гибридных ларморовских радиусов заряженных частиц лазерной плазмы (на практике это десятые доли миллиметра) [5]. Существующий в магнитном поле такой конфигурации градиент его напряженности в поперечных направлениях создает магнитное давление, стремящееся сместить электроны от боковых стенок в область центральной продольной оси пролетного канала. Поясним этот эффект. Электрон, двигающийся от центральной продольной оси к боковой стенке, пересекает силовые линии магнитного поля и под действием силы Лоренца изменяет свою траекторию, совершая вращательное движение вокруг силовых линий. Чем ближе электрон смещается к боковой стенке, тем меньше становится его ларморовский радиус вращения, что в конце концов приводит к изменению направления полета электрона на противоположное. Затем при движении электрона от стенки пролетного канала к его центральной продольной оси величина магнитного поля уменьшается и ларморовский радиус движения электрона увеличивается. Эти эффекты формируют в поперечных направлениях пролетного канала магнитное давление, вытесняющее электроны с периферии в область центральной продольной оси пролетного канала и удерживающее их в этой зоне.
19
21
-3
4
5
После того как на мишень 2 попадает луч лазера 6, фиг.1, начинает испаряться и ионизироваться материал мишени, образуя на ее поверхности первичный плазменный сгусток с характерными размерами субмиллимитрового диапазона, плотность плазмы в котором составляет 10-10 см [5], кроме изотропно-направленного разлета частиц первичного плазменного сгустка, определяемого температурой тяжелой компоненты лазерной плазмы (известно, что лазерная плазма термодинамически не равновесна). Этот сгусток как единое целое обладает и дополнительной составляющей продольного движения со скоростью порядка 10-10 м/с, направленной перпендикулярно к облучаемой лазером поверхности мишени [5]. В изобретении эта составляющая движения лазерной плазмы направлена от мишени к системе отбора ионов 7 вдоль аксиальной оси пролетного канала. В результате лазерная плазма 5 начинает разлетаться от мишени 2 в виде конуса, фиг.1. Зная продольную скорость движения лазерной плазмы, температуру ее тяжелой компоненты и поперечные размеры пролетного канала, можно рассчитать расстояние от облучаемого лазером участка мишени до точек, в которых плазма начнет касаться стенок пролетного канала.
Если в пролетном канале отсутствует мультипольное магнитное поле, горячие плазменные электроны, энергия которых может достигать нескольких кэВ [5], двигающиеся со скоростями, на 3-4 порядка большими скорости разлета лазерной плазмы, просто уходят из нее как в продольном, так и поперечном направлениях ее разлета. В результате за время расширения первичного плазменного сгустка до 2-4 значений своего первоначального размера (как правило, это доли микросекунды) основная масса горячих электронов лазерной плазмы, способных ионизировать ее тяжелую составляющую, успевает уйти из лазерной плазмы и на этом в ней в основном заканчивается период ионообразования [5].
19
21
-3
В результате установки на боковых стенках пролетного канала 1 магнитов 3 магнитное давление, создаваемое магнитным полем 4, не позволяет горячим электронам лазерной плазмы уходить на эти стенки, фиг.1. Магнитное поле отражает электроны лазерной плазмы 5 от поверхности боковых стенок в сторону центральной продольной оси пролетного канала 1, заставляя их осциллировать в поперечных направлениях, фиг.3. В результате этого эффекта траектория движения плазменных электронов 6 может неоднократно проходить через область расширяющейся лазерной плазмы 4, фиг.3, что способствует продолжению ионизации тяжелой составляющей в лазерной плазме. Поскольку плотность лазерной плазмы в начальной области ее разлета высока (~10-10 см), это обуславливает высокую вероятность ионизации ее тяжелых частиц горячими электронами. Кроме того, электрон с высокой энергией, попавший в пятно на мишени лазерного излучения, даже если он не растратил свою энергию, проходя через сгусток лазерной плазмы, попав на материал мишени, передаст ему свою энергию и тем вызовет дополнительный нагрев мишени, усиливая процесс ионообразования. Эти факторы способствуют увеличению зарядности ионов в лазерной плазме. Высокая плотность лазерной плазмы на начальном этапе ее разлета не позволяет магнитному полю эффективно проникать в нее. Поэтому имеет смысл формировать мультипольное магнитное поле не во всем пролетном канале, как это имеет место в прототипе, а только на участке между мишенью и точками начала касания лазерной плазмой боковых стенок пролетного канала. Характерные диаметры пролетных каналов в лазерных источниках ионов, применяемых на ионных ускорителях, составляют ~50-120 мм, и область, в которой лазерная плазма заполняет уже все пространство канала, начиная касаться его стенок, обычно удалена от мишени на 100-200 мм.
Рассмотрим возможности удерживания горячих электронов в лазерной плазме при помощи магнитных полей иной конфигурации. Допустим, магнитное поле в пролетном канале направлено вдоль его продольной оси. В поперечном направлении оно будет препятствовать уходу плазменных электронов на боковые стенки пролетного канала. Но поскольку горячие плазменные электроны обладают аксиальной составляющей скорости, на 2-3 порядка большей, чем скорость распространения фронта лазерной плазмы в этом направлении, ничто не мешает им быстро уйти из плазменного сгустка по силовым линиям магнитного поля.
Если сформировать в пролетном канале простое поперечное магнитное поле, то оно также не препятствует уходу на боковые стенки пролетного канала горячих плазменных электронов из лазерной плазмы по силовым линиям опять же за счет высоких значений поперечных составляющих скорости этих электронов.
Применение в пролетном канале скрещенных магнитных полей (в виде сетки) не создает механизма возврата плазменных электронов в область центральной продольной оси пролетного канала, что не препятствует уходу этих электронов из лазерной плазмы в результате столкновительных процессов.
Только мультипольное магнитное поле предложенной конфигурации, обладающее градиентом магнитного давления, направленного от периферии к центральной продольной оси, с максимумом на боковых стенках пролетного канала и минимумом на его центральной продольной оси создает механизм возврата и удерживания горячих плазменных электронов вблизи этой оси.
Магнитное поле с предложенной в изобретении конфигурацией силовых линий не позволяет горячим плазменным электронам уйти из разлетающейся лазерной плазмы и в направлении продольной оси пролетного канала. Силовые линии такого магнитного поля 4 оказываются всегда перпендикулярными к продольной составляющей скорости плазменного электрона, фиг.1. В результате появляется сила Лоренца, изменяющая направление полета плазменного электрона, заставляя его совершать круговое движение в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. В процессе таких осцилляций электрон попеременно смещается вдоль продольной оси пролетного канала то в одну, то в другую сторону от первичного сгустка лазерной плазмы. В результате оказывается, что величина результирующего вектора скорости его смещения вдоль продольной оси по сравнению с высокими значениями мгновенной скорости горячего плазменного электрона меньше на несколько порядков.
Если силовые линии магнитного поля, создаваемого в пролетном канале 1 парами магнитов 3, расположенных на диаметрально противоположных стенках пролетного канала, фиг.3, направлены навстречу друг другу, то из образующейся в результате испарения материала мишени 2 лазерной плазмы 4, например, может эмитироваться плазменный электрон 5 и он начнет осциллировать по траектории 6, неоднократно пересекая область лазерной плазмы 4, фиг.3. В формализованном варианте модели его движения после завершения очередного кругового цикла он будет приходить в одну и ту же точку на центральной продольной оси пролетного канала и его результирующее смещение по продольной оси будет равно нулю. Реальность будет иной, но результирующая скорость смещения электрона в таком пролетном канале будет минимизирована. Это уменьшит вероятность его ухода из лазерной плазмы в продольном направлении ее разлета.
Если направление силовых линий магнитного поля, создаваемого парами магнитов, расположенных диаметрально противоположно на боковых стенках пролетного канала, одинаковое, то вертикальная и горизонтальная составляющие скорости плазменного электрона будут приводить к вращательному движению электрона в одинаковом направлении (например, только по часовой стрелке или наоборот). В этом случае плазменный электрон, образованный в результате попадания на мишень 2 луча лазера 7, будет двигаться вдоль продольной оси пролетного канала по циклоиде 8, фиг.3. С учетом высокой скорости горячего плазменного электрона величина результирующего вектора скорости его аксиального движения может оказаться выше скорости распространения плазменного фронта в этом направлении и вероятность ухода такого электрона из плазмы возрастает.
Рассмотрим принципы, определяющие конструкцию мишени. Как показано на фиг.3, плазменные электроны осциллируют, смещаясь вдоль продольной оси пролетного канала в различных направлениях относительно точки их вылета. Для того чтобы они не адсорбировались на торцевой стенке пролетного канала и поверхности мишени, не облучаемой лазером, в изобретении предлагается область мишени 2, из которой в основном и происходит вылет плазменных электронов 5 и на которую падает луч лазера 7, сместить относительно торцевой стенки начала пролетного канала 1, фиг.3. Поперечное сечение мишени 2 должно в минимальной степени перекрывать поперечное сечение пролетного канала 1, фиг.3, поэтому возможно выполнить конструктивно мишень в виде тонкого стержня. Реальный плазменный электрон движется в трехмерном пространстве, и вероятность его адсорбции на мишени такой конструкции будет минимизирована, как в варианте, показанном на фиг.3, так и в том случае, когда тонкий стержень мишени проходит по диаметру пролетного канала.
В предложенном изобретении плазменные электроны эффективно удерживаются магнитным полем от ухода из лазерной плазмы как в поперечном, так и в продольном направлениях ее разлета. Это позволяет увеличивать эффективность ионизации материала мишени в плазменном сгустке, повышать зарядность лазерной плазмы и величину тока ионов с высокими зарядовыми состояниями в ионном пучке на выходе предложенного изобретения без увеличения плотности мощности лазерного излучения на мишени.
Данное изобретение может быть использовано, например, в драйвере тяжелоионного инерционного синтеза [2].
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - лазерный источник ионов высокой зарядности.
Фиг.2 - изменение величины магнитного поля по радиусу пространства пролетного канала, свободного от лазерной плазмы.
Фиг.3. - возможные траектории движения плазменного электрона с высокой энергией на участке разлета лазерной плазмы в пролетном канале с согласно или встречно направленными магнитными полями на диаметрально противоположных сторонах пролетного канала.
Литература
1. А.А.Голубев, Ю.Н.Ерема, Б.Ю.Шарков и др. Измерение токов и зарядового состояния пучков, сформированных из лазерной плазмы. Препринт №134-88. М.: ИТЭФ, 1988.
2. 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.
3. Г.Е.Беляев, Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин и др. Комбинированный источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом. Патент RU №2248641 от 20.03.05 г.
4. Б.К.Кондратьев, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов. Патент RU №2206140 от 10.06.03 г.
5. Ю.П.Козырев, Б.Ю.Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие. М.: МИФИ, ч.1, с.22, 1980.