ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ УСКОРЯЮЩАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ПУЧКОВ ИОНОВ, ЭКСТРАГИРОВАННЫХ ИЗ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
HIGH-FREQUENCY ACCELERATING STRUCTURE FOR ION BEAMS EXTRACTED FROM LASER PLASMA

Изобретение относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использовано в ускорительной технике, промышленности, медицине.
Аналогами изобретения являются ускоряющие высокочастотные (ВЧ) структуры для многопучкового ускорителя с ускоряющими электродами, выполненными в виде решетчатых тонкостенных диафрагм (В.В. Кушин, С.В. Плотников. Многоканальная ускоряющая система с решеточной фокусировкой. Часть 1. - ISBNS - 7262 - 0354 - 2, сборник «Научная сессия МИФИ - 2001», т.7, Москва, МИФИ, с.157) и широко известные ВЧ-структуры с квадрупольной фокусировкой, применявшиеся в RFQ ускорителях с лазерными источниками ионов (G. Korschinek and J. Sellmair. Rev. Sci. Instrum. No. 57, p.745, 1986 у. и J. Collier, G. Hall, H. Haseroth et. all. Laser ion source development at CERN. Rev. Sci. Instrum. 1996, 67(3), p.1337 - 1339).
Недостатком аналогов является малая интенсивность ионов в ускоренном пучке на выходе ускорителя при использовании в ускорителе лазерных источников ионов.
Известно, что по сравнению с электростатическими системами ускорения, применение в ускорителях заряженных частиц ВЧ ускоряющих структур позволяет увеличивать темп ускорения ионов за счет формирования в ускоряющих зазорах электрических полей с высокой напряженностью. А применение трубок дрейфа различной конструкции в ВЧ-резонаторах повышает эффективность ускорения пучков ионов, позволяя использовать ускоряющие структуры с различными принципами ускорения.
Наиболее близким аналогом технического решения, выбранным за прототип, является ускоряющая ВЧ-структура, состоящая из ВЧ-резонатора с ускоряющим электрическим полем и трубками дрейфа, на входных торцах которых установлены сетки, а также сетки установлены на выходных торцах нечетных трубок дрейфа, причем расстояние между центрами смежных зазоров, разделяющих трубки дрейфа, меняется по определенному закону (В.В. Кушин, И.О. Паршин, С.Б. Угаров. Ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов с сеточной фокусировкой. Патент на изобретение №2038708, ОИ 27.06.1995).
Недостатком данного аналога является малая величина интенсивности заряженных частиц в ускоренных ионных пучках, генерируемых лазерными источниками ионов, обусловленная увеличением фазового объема ускоряемого ионного пучка из-за нелинейности радиальных составляющих фокусирующего электрического поля в зазорах между четными и нечетными трубками дрейфа и большой потерей ионов пучка на электродах сеток при их ускорении.
Целью изобретения является увеличение интенсивности (количества ионов) в ускоренном пучке ионов на выходе ускоряющей ВЧ-структуры ускорителя, использующего лазерные источники ионов, в которых плазма (в дальнейшем - лазерная плазма) образуется при облучении материала мишени оптическим излучением лазера.
Поставленная цель достигается тем, что в высокочастотной ускоряющей структуре для пучков ионов, экстрагированных из лазерной плазмы, состоящей из ВЧ-резонатора с ускоряющим электрическим полем и трубками дрейфа, расстояние между центрами смежных зазоров которых изменяется по определенному закону, на входных и выходных торцах всех трубок дрейфа установлены металлические сетки, выполненные в виде аксиально-симметричных концентрических колец с радиальными перемычками и величина равновесной фазы ускоряющего электрического поля в центре ускоряющих зазоров соответствует максимальному значению напряженности данного поля.
Отметим ряд известных особенностей работы инжекторов ионов, использующих лазерную плазму. Наличие в них пролетных каналов, где лазерная плазма дрейфует от мишени до области формирования ионного пучка, и того фактора, что эта плазма содержит широкий спектр ионов с различными зарядовыми состояниями, которые имеют различные углы разлета относительно центральной продольной оси пролетного канала, приводит к тому, что для увеличения содержания в пучке заряженных частиц заданного сорта инжектору необходимо генерировать широкопрофильные пучки ионов с различными зарядовыми состояниями, в которых трубки тока неламинарны (пучки, имеющие плохую конгруэнтность). В ионных пучках, извлекаемых из лазерной плазмы, радиальное распределение плотности ионов относительно центральной продольной оси пучка носит режим апериодического ее нарастания и спада, принимая кольцевую структуру с минимумом плотности на центральной продольной оси пучка.
Известно, что наличие в ускоряющих ВЧ-структурах нелинейно изменяющейся по величине поперечной составляющей электрического поля в ускоряющих зазорах между трубками дрейфа, использующейся для фокусировки и удерживания ионов на заданных траекториях в период их ускорения, приводит к нарастанию фазового объема ионного пучка, увеличивая потерю ионов при их ускорении.
Перечисленные выше факторы препятствуют увеличению тока ионного пучка, экстрагированного из лазерной плазмы, на выходе ускоряющих ВЧ-структур с трубками дрейфа, обладающими малым диаметром апертуры.
Известно, что пропускная способность ускоряющей ВЧ-структуры возрастает с увеличением диаметра апертуры в ее трубках дрейфа и с уменьшением времени пролета ионов через данную структуру. Известно, что скорость ионов в ускоряющей ВЧ-структуре увеличивается при выборе равновесной фазы, соответствующей большому значению напряженности ускоряющего электрического поля в центрах ускоряющих зазоров.
Сущность предлагаемого изобретения в том, что применение сеток предложенной конструкции, установленных на трубках дрейфа предложенным образом, и предлагаемый выбор величины равновесной фазы электрического поля в зазорах между трубками дрейфа, способствуют уменьшению потерь ионов как на электродах сеток, так и в ускоряющих зазорах при их ускорении как за счет уменьшения фазового объема ускоряемого пучка ионов, так и путем повышения пропускной способности ускоряющей структуры. Это способствует увеличению тока ускоренного ионного пучка, экстрагированного из лазерной плазмы на выходе ускоряющей ВЧ-структуры ускорителя.
Известны ускоряющие ВЧ-структуры, в которых для создания эффекта фокусировки пучка в ускоряющем зазоре сетки установлены на одном из концов, образующих его трубок дрейфа. Широко известны ускоряющие ВЧ-структуры с фокусирующими радиальными электрическими полями в зазорах между безсеточных трубок дрейфа. Известны ускоряющие ВЧ-структуры (RFQ-типа) с фокусирующими радиальными электрическими полями без трубок дрейфа. Ускоряющих ВЧ-структур с трубками дрейфа, в которых энергия электрического поля в ВЧ-резонаторах используется только для ускорения ионов и не затрачивается на формирование фокусирующих поперечных электрических полей, не обнаружено.
Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта, выразившихся в наличие конструктивных изменений, вызвавших возникновение новых физических свойств. А именно отсутствия между трубками дрейфа радиального электрического поля и возможности увеличения суммарного проходного сечения апертуры в трубках дрейфа в широком диапазоне без искажения профиля ускоряющего электрического поля в ускоряющих зазорах, факторов, способствующих увеличению тока ускоренного пучка ионов, экстрагированных из лазерной плазмы на выходе ускоряющей структуры, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.
На фиг.1 показана высокочастотная ускоряющая структура для пучков ионов, экстрагированных из лазерной плазмы, состоящая из: ВЧ-резонатора 1 с размещенными внутри него трубками дрейфа 2, на входах и выходах которых установлены металлические сетки 3, формирующие ускоряющее электрическое поле Е в зазорах между трубками дрейфа. Конфигурация силовых линий 4 данного электрического поля показана на этом же рисунке.
Формирование первичного сгустка лазерной плазмы, находящегося на поверхности мишени или вблизи нее, происходит в короткий период времени облучения материала мишени лазером, как правило, это единицы или десятки наносекунд. За этот период характерные размеры данного сгустка успевают увеличиться от долей миллиметра до 1-2 мм. После прекращения облучения мишени образовавшаяся лазерная плазма из-за наличия у нее температуры начинает разлетаться во все стороны изотропно (при таком характере разлета принято говорить о диффузионном, неупорядоченном движении ионов в лазерной плазме). Кроме этого, в процессе образования лазерной плазмы на мишени ее компоненты получают дополнительные импульсы упорядоченного движения, направленные перпендикулярно зоне поверхности мишени, облучаемой лазером. Такое упорядоченное движение составляющих лазерной плазмы возникает как за счет процессов, связанных с особенностями кинетики истечения струи испаренной и ионизированной материи с поверхности мишени, так и в результате ускорения плазменных ионов в двойном электрическом слое. Возникновение такого слоя вызвано тем, что обладающие наибольшей подвижностью плазменные электроны опережает ионную составляющую плазмы, и в образовавшемся разрыве возникают сильные самосогласованные электрические поля, в которых ускоряются попавшие туда ионы. В данном случае принято говорить о возникновении дрейфового характера движения частиц лазерной плазмы. Очевидно, что ионы с высокими зарядовыми состояниями ускоряются в двойном электрическом слое сильнее, чем ионы с малыми зарядами. Поэтому в лазерной плазме после дрейфа в пролетном канале, при одинаковом характере распределения радиальных (диффузионных) скоростей, ионы с большим зарядом успевают отклониться на меньший угол, чем ионы с малым зарядом. Т.к. фактор дрейфового движения ионов действует только в направлении, перпендикулярном облучаемой лазером поверхности мишени, а в радиальных направлениях характер разлета заряженных частиц лазерной плазмы, в основном, определяется наличием у них температуры, лазерная плазма в процессе разлета принимает форму струи вытянутой вдоль оси перпендикулярной поверхности мишени, облучаемой лазером. (Я. Браун, Р. Келлер, А. Холмс и др. Физика и технология источников ионов, М. Мир. С.323-335, 458-464. 1998).
Время дрейфа лазерной плазмы от мишени до электрода экстракции, как правило, много больше длительности импульса лазерного излучения. В большинстве случаев на 2-3 порядка и лежит в микросекундном диапазоне. За этот период ионы в разлетающейся лазерной плазме успевают сместиться в радиальных направлениях от центральной продольной оси пролетного канал в сторону его боковых стенок. Поскольку характер радиального разлета ионов в лазерной плазме, в основном, определяется наличием у них температуры, в плазме эффектом кулоновского расталкивания можно пренебречь, т.к. электрические поля ионов компенсируются полями плазменных электронов, то и распределение скоростей разлета ионов в этих направлениях будет описываться функцией широко известного распределения Максвелла с явно выраженным максимумом частиц в определенном диапазоне скоростей.
2
2
В результате действия перечисленных выше факторов распределение плотности ионов по радиальным направлениям в плоскости плазменного мениска на выходе пролетного канала, с поверхности которого производится отбор ионов в пучок, в различные моменты их экстракции, будет носить кольцевой характер, с минимумом плотности ионов на центральной продольной оси данного канала. Поэтому радиальное распределение плотности ионов с различными зарядовыми состояниями в ионном пучке, экстрагированном с поверхности такого плазменного мениска, будет также носить кольцевой характер. Характерное распределение плотности ионов в пучке, экстрагированном из лазерной плазмы, полученной при облучении свинцовой мишени оптическим излучением CO - лазера, представлено на фотографии фронтального сечения такого пучка на рис.2 (Ю.А. Сатов. Формирование мощных импульсов COлазера для исследования лазерной плазмы и эффективной генерации высокозарядных ионов. Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук, ГНЦ. РФ. ТРИНИТИ. Машинопись. С.185-212. 2005).
Для уменьшения потери ионов в пучках, экстрагированных из лазерной плазмы на поверхности сетчатых электродов, в предлагаемом изобретении металлические сетки на проходных апертурах трубок дрейфа 2 выполнены в виде тонких аксиально-симметричных концентрических колец, с минимально требуемым числом радиальных перемычек 3, фиг.3. В принципе, можно использовать только одну перемычку.
Для увеличения темпа ускорения ионов пучка в ускоряющих зазорах между трубками дрейфа, значение равновесной фазы 5 электрического поля 4 выбрано таким, при котором ионы ускоряются в сильном по величине ускоряющем электрическом поле, фиг.4. На этом рисунке по оси ординат отложена величина напряженности ускоряющего электрического поля Е между трубками дрейфа, по оси абсцисс - фаза φ.
Ускоритель с предлагаемой ВЧ ускоряющей структурой работает следующим образом. Экстрагированный из лазерной плазмы пучок ионов после прохождения группирователя и согласующего канала в ионном инжекторе, построенных по широко известным принципам (устройство которых не является предметом данного изобретения), попадает в предлагаемую ВЧ ускоряющую структуру, показанную на фиг.1. После прохождения первой трубки дрейфа 2 ионы пучка ускоряются электрическим полем Е в зазорах между этой и последующими трубками дрейфа, фиг.1. Величина равновесной фазы 5 (известно, что это фаза электрического ускоряющего поля, при которой скорость осевой частицы совпадает в каждый момент времени со скоростью ускоряющей волны электрического поля (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва, Энергоиздат, 1982, с.11-75) выбрана такой, что ионы пучка в ускоряющих зазорах ускоряются электрическим полем с максимальным значением напряженности, фиг.4. Несмотря на то, что при таком выборе равновесной фазы уменьшается продольный захват ионов в режим ускорения в результате снижения эффективности заполнения сепаратрисы ускорителя (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва, Энергоиздат, 1982, с.189 -232). В предложенном изобретении данные потери компенсируются ростом поперечного захвата ионов в режим ускорения за счет возможности увеличения в широких пределах диаметра проходной апертуры в трубках дрейфа.
Предложенное техническое решение, связанное с наличием сеток на входах и выходах апертур трубок дрейфа, позволяет формировать в ускоряющих зазорах аксиально-симметричное продольное электрическое поле, конфигурация силовых линий 4 которого показана на фиг.1. Такое электрическое поле обеспечивает максимальный темп ускорения ионов, поскольку вся электрическая энергия в ВЧ-резонаторе затрачивается на создание только ускоряющего ионы электрического поля. В предложенной конструкции трубок дрейфа отсутствует поперечная составляющая электрического поля в ускоряющих зазорах, что способствует уменьшению эффекта нарастания фазового объема ионного пучка в процессе его ускорения.
k
Пропускную способность V ускоряющего канала можно оценить по формуле:
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>γ</mi><mo>⋅</mo><mfrac><mi>v</mi><mi>c</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mfrac><mi>r</mi><mrow><mi>L</mi><mo>⋅</mo><mi>π</mi></mrow></mfrac></mrow>
,
где: γ - широко известный релятивистский фактор массы, v - скорость иона, c - скорость света, r - радиус апертур в трубках дрейфа ускоряющего канала, L - длина ускоряющего канала (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. Москва, Энергоиздат, 1982, с.72). Из этой формулы видно, что перечисленные выше эффекты (увеличение значений v и r) способствуют росту пропускной способности предлагаемой ВЧ ускоряющей структуры.
Отсутствие эффекта фокусировки и удерживания ионов пучка при их ускорении в данном изобретении компенсируется увеличением пропускной способности ускоряющего канала как за счет увеличения диаметра проходных апертур в трубках дрейфа, так и в результате роста темпа ускорения ионов в зазорах между трубками дрейфа.
По сравнению с аналогами в предложенном изобретении возрастает число частиц (интенсивность) в ускоренном ионном пучке. Такая возможность возникает в связи с тем, что увеличение суммарного проходного сечения апертуры в трубках дрейфа позволяет увеличивать количество ионов захватываемых в режим ускорения пропорционально квадрату диаметра апертуры.
Таким образом,
- выполнение сеток в трубках дрейфа в виде концентрических колец с малым числом поперечных перемычек (в принципе, возможна только одна перемычка) позволяет увеличить их прозрачность для ионных пучков, у которых радиальное распределение плотности ионов носит кольцевой характер;
- наличие сеток на входных и выходных торцах трубок дрейфа позволяет в широких пределах увеличивать диаметр проходной апертуры в трубоках дрейфа, согласуя его с соответствующими размерами инжектируемого пучка ионов без искажения профиля электрических полей в ускоряющих зазорах. Формировать в этих зазорах только аксиально-симметричное продольное ускоряющее электрическое поле, не вызывающее увеличения фазового объема ионного пучка при его ускорении. Конфигурация электрических полей такого типа в ускоряющих зазорах приводит к тому, что ВЧ-энергия в ускоряющем ВЧ-резонаторе расходуется только на ускорение ионов, что способствует увеличению темпа их ускорения.
Предложенный выбор величины равновесной фазы электрического поля в ускоряющих зазорах приводит к уменьшению времени пролета ионов через ускоряющий канал, повышая его пропускную способность. Конструкция предлагаемой высокочастотной ускоряющей структуры отличается простотой изготовления, более эффективным расходованием мощности ВЧ электрического поля и более низкой, по сравнению с RFQ ускорителями, себестоимостью.
Принципиальная возможность применения на уровне существующей техники электростатических решеток и сеток в трубках дрейфа ВЧ-резонаторов подтверждена экспериментально в приведенных выше аналогах.
Перечень фигур
Фиг.1. Высокочастотная ускоряющая структура для пучков ионов, экстрагированных из лазерной плазмы.
Фиг.2. Вид фронтального сечения пучка ионов Pb, экстрагированных из лазерной плазмы.
Фиг.3. Вид сеток, установленных на торцах трубок дрейфа.
Фиг.4. Положение равновесной фазы на графике изменения электрического поля в ускоряющем зазоре.