ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИНЖЕКТОР ИОНОВ С ДИНАМИЧЕСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ ИОННОГО ПУЧКА

Полезная модель относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.
Фокусировка электростатическими (ЭСЛ) линзами ускоренного до большой энергии пучка ионов ограничена рядом технических проблем. Для эффективной фокусировки в электростатических линзах заряженных частиц с высокой скоростью, при которой величина отношения их скорости к скорости света в вакууме β>0,1, где β - известный релятивистский фактор, необходима большая напряженность электрических полей. Это приводит к возникновению электрических пробоев между электродами линз. Поскольку, с ростом энергии ионного пучка действие данного негативного фактора только усиливается, возникает необходимость применения для фокусировки ионных пучков с большой энергией магнитных или электромагнитных фокусирующих линз (ЭМЛ). В большинстве таких линз используется постоянное магнитное поле, создаваемое при помощи электромагнитных катушек или постоянными магнитами.
При экстракции ионов из лазерной плазмы, генерируемой электромагнитным излучением лазера путем облучения мишени, изменяется положение плазменной границы, с которого производится отбор ионов в пучок, относительно электродов ионно-оптической системы (ИОС). Как следствие, изменяется и угол огибающей ионного пучка, что препятствует его эффективной фокусировке (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин, Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, №1, с. 66-72).
Аналогом полезной модели является источник ионов с ЭМЛ фокусирующей линзой (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. 1998, С. 323-337). Недостатком является низкая эффективность фокусировки ионного пучка из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов.
Известна фокусирующая периодическая линзовая система для пучков заряженных частиц с большой энергией, состоящая из последовательности собирающих магнитных линз, выполненных на базе электромагнитных соленоидов с экранами и расположенных вдоль оси пучка (С.И. Молоковский, А.Д. Сушков, Интенсивные электронные и ионные пучки. Москва. Энергоатомиздат, 1991, С. 213-214). Недостаток ее заключается в слабой эффективности фокусировки пучка из-за отсутствия связи фокусирующей силы этих линз с параметрами плазмы в области экстракции ионов вследствие применения лазерно-плазменных инжекторов ионов.
Наиболее близким техническим аналогом, выбранным за прототип, является лазерный источник ионов с активной системой инжекции, состоящий 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, в свою очередь, электрически соединен с лазером и зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала перед электродами ионно-оптической системы (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин. Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, №1, с. 66-72).
Техническая проблема заключается в низкой эффективности фокусировки ионного пучка из-за большой температуры ионов, экстрагируемых из лазерной плазмы. В ближайшем аналоге увеличение температуры ионов в пучке обусловлено ростом температуры лазерной плазмы, вызванного действием переменного электрического поля, создаваемого ИОС, в области экстракции ионов из этой плазмы. Сложная динамика изменения величины напряженности такого поля приводит к развитию различного вида плазменных нестабильностей: увеличению ионно-звукового шума, токовым неустойчивостям и к росту температуры заряженных частиц, составляющих лазерную плазму. Эти факторы способствуют увеличению фазового объема (эмиттанса) ионного пучка и затрудняют его фокусировку.
Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение эффективности фокусировки ионных пучков с большой энергией, экстрагированных из лазерной плазмы, без увеличения температуры ионов в плазме и роста эффективного эмиттанса ионного пучка.
Физическая сущность предложенной полезной модели, обеспечивающая достижение заявленного технического результата - увеличение эффективности фокусировки ионных пучков с высокой скоростью движения (β>0,1), заключается в возможности непрерывной коррекции их углового расхождения на выходе инжектора ионов путем поэтапной и непрерывной фокусировки разнесенными в пространстве и изменяющимися во времени заданным образом магнитными полями. Полями, которые формируются в предложенной конструкции из системы электромагнитных линз таким образом, что величина магнитного поля в соответствующей электромагнитной линзе связана с определенным параметром лазерной плазмы в области отбора ионов в пучок и динамично регулируется при помощи предложенных в заявке источников тока и датчика тока, электрически соединенных предложенным способом. Применение такого физического решения исключает эффект дополнительного увеличения температуры лазерной плазмы, связанный с влиянием динамики электрического поля ИОС на ее заряды.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном инжекторе ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящего из: лазера, мишени, пролетного канала, на выходе которого установлен датчик тока и ионно-оптической системы, на выходе ионно-оптической системы установлена периодическая линзовая система из трех расположенных вдоль оси ионного пучка собирающих магнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами, первый соленоид в которой, считая от ИОС, электрически соединен с выходом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины, входы которого электрически соединены с лазером и датчиком тока, второй, по счету от ИОС, соленоид электрически соединен с выходом усилителя тока, вход которого электрически соединен с датчиком тока, третий, по счету от ИОС, соленоид, установленный на выходе данной периодической линзовой системы, электрически соединен с отдельным источником электропитания.
Краткое описание чертежей
На рис. 1 приведена схема лазерно-плазменного инжектора ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, где:
1 - лазер,
2 - мишень,
3- выход пролетного канала,
4 - датчик тока,
5 - ионно-оптическая система,
6 - периодическая линзовая система,
7 - первый от ИОС соленоид линзовой системы,
8 - второй от ИОС соленоид линзовой системы,
9 - третий от ИОС соленоид линзовой системы,
«У» - усилитель электрического тока,
«ИП» - источник электропитания и
- генератор импульсов тока линейно изменяющейся величины.
Рис. 2 - вид импульсов электрического тока:
(а) - на выходе  (верхний график) и
(в) - на выходе усилителя тока «У» (нижний график).
Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, представленный на рис. 1, состоит из лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует лазерную плазму, дрейфующую от мишени к выходу пролетного канала 3. Изменение ее временных и токовых параметров осуществляется при помощи датчика тока 4, который электрически связан с входами усилителя электрического тока «У» и генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины . Датчик тока установлен на выходе пролетного канала 3 перед ионно-оптической системой 5, осуществляющей отбор ионов в пучок из лазерной плазмы, его формирование и ускорение. На выходе ИОС 5 установлена периодическая линзовая система 6, состоящая из трех расположенных вдоль оси пучка собирающих электромагнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. В данной линзовой системе, первый по счету от ИОС 5, соленоид 7 электрически подключен к выходу генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины , один из входов которого электрически связан с лазером 1, а другой вход, с датчиком тока 4. Второй, по счету от ИОС 5, соленоид 8 электрически подключен к выходу усилителя тока «У», вход которого электрически связан с датчиком тока 4. Третий по счету от ИОС 5 соленоид 9, установленный на выходе периодической линзовой системы 6, электрически подключен к отдельному источнику электропитания ИП (рис. 1).
При облучении мишени лазером, вблизи ее поверхности формируется первичный плазменный сгусток малого диаметра ~ 1-2 мм, который разлетается в пространстве. На характер его разлета влияют два фактора: тепловая диффузия и гидродинамический импульс. Тепловая диффузия, которая обусловлена наличием температуры в лазерной плазме, приводит к изотропности направлений разлета ее частиц. Гидродинамический импульс сообщает упорядоченное движение всем элементам лазерной плазмы. Это движение направлено перпендикулярно плоскости поверхности мишени (Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир, 1998, С. 323 - 337). Мишень 2 установлена в пролетном канале 3 таким образом, что плоскость ее поверхности, облучаемая лазером 1, перпендикулярна центральной продольной оси пролетного канала (рис. 1). Суммарное действие этих факторов приводит к «растягиванию» первоначального плазменного сгустка вдоль продольной оси пролетного канала. Таким образом, его профиль принимает вид расширяющейся в сторону ИОС плазменной струи.
0
Величину разброса аксиальных скоростей движения заряженных частиц лазерной плазмы, дрейфующей в пролетном канале, можно оценивать по времени появления и окончания сигнала на датчике тока относительно импульса лазера (I) - временного интервала на оси абсцисс (t) от ее начала до точки t, показанного на графиках на рис. 2. Характер изменения во времени кинетической энергии движения плазменной струи вдоль аксиальной оси пролетного канала 3 на рис. 1 иллюстрируется графиком (а) на рис. 2. Частицы плазмы в начальной части импульса тока, вблизи to, обладают наибольшей скоростью продольного движения. Их скорость уменьшается к концу плазменной струи. Подобное распределение продольных скоростей заряженных частиц в струе лазерной плазмы приводит к тому, что положение плазменной границы эмиссии ионов относительно ускоряющих электродов ИОС будет изменяться в процессе экстракции ионов, поскольку меняется давление налетающей плазмы на электрическое поле ИОС 5. При неизменной величине напряженности «тормозящего» разлет плазмы электрического поля в ИОС плазменная граница экстракции ионов будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц, сосредоточенных вначале импульса. И, отдаляться от ее электродов по мере прихода в зону экстракции более медленных ионов в «хвосте» струи лазерной плазмы. Под действием продольного разброса скоростей смещение границы эмиссии ионов во времени происходит по линейному закону, поскольку величины этих скоростей в лазерной плазме, свободно дрейфующей в пространстве, где нет диссипации энергии, инвариантны.
Величина плазменного давления на электрическое поле ИОС зависит и от плотности зарядов в зоне их экстракции в различные моменты времени. Расстояние d между плазменной границей эмиссии (экстракции) и электродом экстракции ИОС можно оценить исходя из равенства сил плазменного давления силам электростатического натяжения, создаваемым ИОС (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир, 1992 С. 23-24) 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, k - постоянная Больцмана, n -плотность заряженных частиц в плазме, Т - энергия продольного движения частиц в лазерной плазме в процессе экстракции. Графически, характер изменения этой величины иллюстрируется кривой (а) на рис. 2.
Изменение во времени величины плотности п частиц в лазерной плазме отслеживается путем изменения амплитуды импульса тока на датчике тока 4, рис. 1. Характер изменения плотности зарядов n в лазерной плазме иллюстрирует нижняя кривая, график (в) на рис. 2.
В настоящей полезной модели учитывается действие всех перечисленных выше факторов на положение границы эмиссии ионов и угловое расхождение ионного пучка при помощи формирования источниками электропитания амплитуд и форм токовых импульсов, поступающих на электромагнитные катушки соответствующих фокусирующих линз в периодической линзовой системе.
В лазерно-плазменном инжекторе ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящего из лазера, световое излучение которого, попадая на мишень, образует плазму, дрейфующую в пролетном канале. Токовые и временные параметры плазмы измеряются при помощи датчика тока. Датчик тока электрически связан с входом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины и установлен на выходе пролетного канала перед ионно-оптической системой, которая осуществляет отбор ионов из плазмы, формирование и дальнейшее ускорение ионного пучка. На электродах ИОС существуют постоянные по величине электрические потенциалы. На выходе ИОС установлена периодическая линзовая система, состоящая из трех расположенных вдоль продольной оси пучка собирающих электромагнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. Первый соленоид в которой, считая от ИОС, электрически подключен к генератору импульсов тока линейно изменяющейся величины, который электрически связан с лазером и датчиком тока. Датчик тока установлен в плазме на выходе пролетного канала. Второй соленоид, считая от ИОС, электрически подключен к усилителю тока «У», который электрически связан с тем же датчиком тока. Третий, по счету от ИОС, соленоид установлен на выходе периодической линзовой системы и электрически подключен к отдельному источнику электропитания. Он предназначен для формирования требуемого угла наклона огибающей ионного пучка после компенсации его углового расхождения, вызванного нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов.
Предложенная в данной полезной модели конструкция позволяет непрерывно осуществлять поэтапную динамическую фокусировку экстрагированного из лазерной плазмы ионного пучка с большой энергией при помощи системы отдельно взятых фокусирующих линз. Жесткость фокусировки в первых двух линзах зависит как от скорости движения лазерной плазмы в пролетном канале, так и от изменения ее плотности в зоне отбора ионов в пучок. Такой способ фокусировки ускоренных до высокой энергии ионных пучков, экстрагированных из лазерной плазмы, позволяет эффективно в непрерывном режиме корректировать их угловое расхождение, связанное с нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС и не приводит к увеличению температуры ионов в плазме и росту эффективного эмиттанса ионного пучка.
Пример технической реализации
2
0
2
Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической системой электромагнитной фокусировки пучка работает следующим образом. Импульс лазерного излучения малой длительности (порядка единиц наносекунд), генерируемый лазером 1, в данной конструкции был использован СО лазер, попадает на мишень 2, установленную в пролетном канале 3 и образует плазменный сгусток диаметром приблизительно 1-2 мм, состоящий из элементов материала мишени. Кинетическая энергия продольного движения составляющих этой плазмы вдоль оси пролетного канала соответствует величине (3-5)⋅10 КэВ. В процессе дрейфа лазерная плазма, диффундируя в пролетном канале 3 в сторону ИОС 5, образует вблизи ее электродов границу, с которой происходит отбор ионов в пучок - экстракция ионов (рис. 1). Была использована ионно-оптическая система 5 с постоянной величиной электрических потенциалов на электродах, работающая в типовом режиме ускорение - замедление - доускорение. С ее помощью осуществляется отбор ионов из лазерной плазмы в пучок, формирование и дальнейшее ускорение ионов. Конструкция датчика тока 4 выполнена по принципу цилиндра Фарадея. Он установлен на выходе пролетного канала 3, рис. 1 и предназначен как для регистрации изменений плотности заряженных частиц лазерной плазмы в процессе экстракции ионов, так и для фиксации времени начала возникновения и окончания токового импульса (точка t, рис. 2). Этот параметр позволяет определять скорость дрейфа ионов лазерной плазмы в пролетном канале при известной длине канала.
Применение ИОС 5 с постоянной величиной электрических потенциалов на электродах для экстракции ионов из лазерной плазмы приводит к дрейфу положения плазменной границы экстракции ионов относительно электродов ИОС в процессе их экстракции. Положение этой границы зависит как от скорости ионов лазерной плазмы, так и от их плотности в зоне формирования ионного пучка в каждом моменте экстракции ионов. Такое изменение положения границы экстракции ионов приводит к изменению угла расхождения ионного пучка на выходе ИОС 5 и увеличению его эффективного эмиттанса, что затрудняет фокусировку пучка и препятствует захвату ионов ускорителем в режим ускорения. Одним из факторов, влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов, при постоянной величине напряжения экстракции на электродах ИОС 5, является изменение продольной скорости ионов в дрейфующей плазме. Величина изменения этой скорости для недиссипативной системы сил в пролетном канале 3 определяется по времени появления и окончания электрического сигнала на датчике тока 4, рис. 1. Скорость продольного движения частиц в пространстве такой плазменной струи изменяется линейно. Характер ее изменения во времени иллюстрирует график (а) на рис. 2. Время начала импульса на этом графике, точка to, соответствует движению наиболее быстрых ионов с большей энергией в начале плазменной струи. По времени появления и окончания импульса тока на данном графике определяют энергию продольного движения ионов плазмы в различные моменты их экстракции.
2
Так, для импульса СО лазера длительностью менее 10 не и мишени из углерода, их энергия продольного движения не превосходит 500 КэВ.
На выходе ИОС 5 установлена периодическая линзовая система 6, состоящая из трех расположенных вдоль оси пучка собирающих магнитных линз,  выполненных в виде соленоидов с экранами. Первый соленоид 7, считая от выхода ИОС 5, электрически подключен к выходу линейно изменяющегося по величине генератора тока . Входы этого генератора, соответствующим образом, электрически связаны с лазером 1 и датчиком тока 4, установленным на выходе пролетного канала 3, рис. 1. Что позволяет данной электромагнитной линзе осуществлять компенсацию углового расхождения ионного пучка, связанную с разбросом продольных скоростей ионов в потоке лазерной плазмы.
Угловое расхождение ионного пучка и рост его эффективного эмиттанса, связанные с изменением плазменного давления, вызванного изменением величины плотности зарядов в различных участках плазменной струи, компенсируется при помощи изменяющейся соответствующим образом фокусирующей силы, создаваемой электромагнитной линзой 8 на рис. 1. Характер изменения величины тока, протекающего через электромагнитную катушку этой фокусирующей линзы, задается током на выходе усилителя тока «У». Амплитуда токового импульса на выходе данного усилителя формируется в зависимости от параметров электрических сигналов, снимаемых с датчика тока 4 и поступающих на вход усилителя тока «У» на рис. 1. Регулировкой коэффициента усиления в усилителе тока «У» минимизируется величина углового расхождения ионного пучка на выходе периодической линзовой системы 6 на рис. 1.
Таким образом, совместное действие фокусирующих сил, создаваемых электромагнитными линзами 7 и 8 (рис. 1), позволяет в динамическом режиме оперативно компенсировать угловое расхождение ионного пучка, вызванное нестабильностью положения во времени плазменной границы эмиссии ионов. Предложенный способ фокусировки ионного пучка не оказывает влияние на состояние лазерной плазмы в пролетном канале 3, рис. 1 и не приводит к увеличению ее температуры. Регулировкой величины тока на выходе источника электропитания «ИП», протекающего через электрически связанную с ним электромагнитную катушку фокусирующей линзы 9 на рис. 1, задается необходимый угол фокусировки ионного пучка на входе в ВЧ-ускоряющую структуру ускорителя.
Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, позволяющий фокусировать пучки ионов, ускоренных до высокой энергии, отличается простотой конструкции, надежностью работы и относительно малой себестоимостью.