СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ Российский патент 1996 года по МПК H05H5/00 H05H7/18 H01J27/00 

Изобретение относится к ускорительной технике, а более конкретно к методам формирования пучков заряженных частиц с заданными параметрами.

Известны способы получения пучков заряженных частиц, так или иначе основанные на использовании высоковольтных ускоряющих катодных систем.

Известно также техническое решение, согласно которому формирование ионного пучка (инжекция многозарядных ионов) осуществляют в вакуумной камере из плазмы, образующейся в результате воздействия на поверхность мишени, установленной в корпусе, концентрированным лучом лазерного излучения. Лазерный плазмообразователь снабжен системой формирования, фокусировки сканирования лазерного излучения и синхронизирован с источником ускоряющего напряжения. Формирование самого ионного пучка при этом осуществляется в дрейфовой камере. В качестве мишени используют плоскую мишень, состоящую преимущественно из элементов ускоряемых ионов.

Недостатком известных способов является применение сложных ускоряющих систем, требующих сравнительно высокое энергопотребление из-за подавления пучка вторичных электронов, ускоряющихся в обратном направлении от ионного пучка. Другим существенным недостатком известных решений является присутствие в пучке ускоренных ионов сильного тормозного излучения из-за облучения электродов значительной электронной составляющей. Во многих физических экспериментах и при решении ядерно-физических задач отмеченное обстоятельство является мешающим (фоновым) фактором.

Принципиальным отличием заявленного способа от известных является выбор условий формирования импульсных потоков ускоренных ионов, порождающих минимальное энергопотребление при высоких потребительских параметрах.

Сущность изобретения заключается в следующем. Под действием мощного пучка лазерного излучения вблизи мишени струеобразно возникает плазменное облако, причем облако имеет вид вытянутого вдоль нормали к мишени эллипсоида.

Установлено, что для каждой мишени из данного материала можно подобрать характерную интенсивность плазмообразования q* лазерного излучения в пятне на мишени, которая зависит от длины волны λ самого излучения, при которой возникающее плазменное облако, во-первых, обогащено надтепловыми электронами, во-вторых, вокруг разлетающегося облака плазмы образуется электронная оболочка из этих электронов.

Поскольку группа электронов в виде оболочки сдвинута из равновесного положения (оторваны от группы ионов), то на них действует электростатическая возвращающаяся сила. Это обстоятельство порождает колебания в плазме с частотой Ленгмюра
ω_o= , где ρ- плотность плазмы; е заряд; m масса электрона (соответственно с длиной волны ). При q<q* условия колебания в плазме близки к условиям возникновения стоячих волн. При q>q* эти колебания распространяются с малой групповой скоростью v.

Если на такую плазму воздействовать резонансным внешним излучением с λ_р (например, в резонаторе), то за счет увеличения v. раскачка усиливается, отрыв электронной оболочки от ядер ионов может быть значительным (соразмеримым с размером резонатора).

В этих условиях перед ионным ядром плазмы возникает потенциальная яма и это ядро, "проваливаясь" в яму, приобретает существенное ускорение. Ускоренные ионы, прорвавшись через электронную оболочку, формируют требуемый пучок заряженных частиц, который в случае резонатора можно вывести из его выходного окна. Для этого напряженность EVec резонансного СВЧ-излучения выбирают преимущественно направленной вдоль нормали к мишени, а окно располагают на пересечении со стенкой резонатора. Для получения оптимальных параметров ионов характерный размер резонатора d выбирают из условия n·λ_р≈d, где n кратное целое число (1, 2, 3,). Электронная оболочка, достигнув стенки с запазданием, рассеивается. Те электроны, которые оказываются в связке с ионами, можно в значительной степени вывести из пучка путем воздействия на пучок магнитным полем у выхода из окна резонатора. Окно резонатора может быть снабжено экранирующей сеткой.

Поскольку формирование пучка происходит в резонансных условиях, то энергопотребление минимизируется, а условия формирования и магнитное поле с экранирующей сеткой способствуют получению зарядово-однородного пучка ионов. Подбором режимов можно получить импульсные пучки ускоренных ионов с заданными потребительскими параметрами (плотностью ионов в импульсе (длительностью импульса).

Предложение может быть реализовано, в частности, в виде импульсного генератора ионов, показанного на чертеже.

Генератор содержит вакуумный корпус-резонатор 1. В корпусе установлена плазмообразующая мишень 2, содержащая материал требуемого иона, например дейтерий. Вне корпуса установлен лазер 3, излучение которого пропускают через диафрагму 4, оптическую фокусирующую систему 5, оптический ввод 6. Генератор ионов снабжен резонатором 7 СВЧ-излучения, подключенным к резонатору 1, выходным окном 8 с магнитными катушками 9 и линией 10 синхронизации. В одном из вариантов генератор (вернее его выходное окно) может быть снабжен экранирующей сеткой 11.

Генератор работает следующим образом.

Мишень 2 облучают концентрированным пучком лазерного излучения с подобранной соответствующим образом q > q*. Пучок формируется путем подбора мощности самого лазера 3 с помощью диафрагмы 4 и оптической фокусирующей системы 5 со сканирующим устройством (не показано). Внутри корпуса-резонатора струеобразно возникает плазменное облако, состоящее из электронной оболочки 11 и ионного ядра 12. Под действием резонансного колебания электромагнитного поля, создаваемого генератором 7, из плазменного облака вышеописанным образом получают выходной ионный пучок 13.

Расчеты показывают, что если диаметр выходного окна менее 0,1 размера камеры, то можно обойтись без экранирующей сетки 14. При больших размерах окна может исказиться поле, ухудшиться разрешение.

При использовании ускоренных пучков для генерирования нейтронов материал плазмообразующей мишени выбирают из Т, D и т.д.

Дополнительно используют нейтронообразующую мишень из Т, D, Be, LiD и т. д. которую можно установить как внутри корпуса, так и вне, а также у выходного окна.

Установлено, что выходной пучок с заданными потребительскими параметрами (N_n 10¹⁴, τ_и= 100 нс, Е_и≳200 кэВ) можно получить, если выбрать q* (CO₂, λ= 10,6 мкм) 10¹² Вт/см², q*(Nd³⁺, λ= 1,06 мкм) 10¹⁴ Вт/см², d≈10 см. Длина волны резонансного излучения λ_р выбирают согласно и n·λ_р≈d, где вычисляют из соотношения ω_o=. Плотность плазмы регулируют изменением диаметра пятна фокусировки лазерного излучения на мишени.

Таким образом, путем легко реализуемых условий можно сформировать пучки ускоряемых ионов различного назначения. В устройстве нет дорогостоящего изолятора на полное ускоряющее напряжение, нет ускоряющих электродов вообще (ускорение идет на границе лазерной плазмы). Поэтому обеспечивается высокий ресурс ускоряющей камеры-генератора. Высока импульсная плотность ионов до 1 кА/см².

Использование: в ускорительной технике. Сущность изобретения: путем воздействия на мишень лазерным излучением создают плазменное облако. Мишень размещают в резонаторе. Облучение мишени осуществляют концентрированным лучом лазерного излучения с интенсивностью и длиной волны, достаточными для образования вокруг плазменного облака слоя надтепловых электронов. На плазменное облако воздействуют резонансным излучением с частотой, срвпадающей с собственной плазменной частотой - частотой Леигмюра. Ускоренные ионы выводятся из резонатора через выходное окно путем пропускания потока заряженных частиц через магнитное поле и/или экранирующую сетку. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПУЧКА УСКОРЕННЫХ ИОНОВ, заключающийся в облучении плоской мишени, состоящей преимущественно из элементов ускоряемых ионов, концентрированным лучом лазерного излучения и формировании потока ускоренных ионов из образовавшегося вблизи мишени плазменного облака, отличающийся тем, что формирование потока ускоренных ионов осуществляют в СВЧ-резонаторе с характерным размером α вдоль оси формирования пучка, совпадающей с осью симметрии СВЧ-резонатора и параллельной нормали к мишени, при этом интенсивность лазерного излучения q в пятне на мишени и длину волны l лазерного излучения выбирают достаточными для образования вокруг плазменного облака слоя надтепловых электронов, напряженность СВЧ-излучения - преимущественно ориентированной вдоль нормали к мишени, а длину волны λ_p СВЧ-излучения в резонаторе - равной и соответствующей условию - длина волны, соответствующая Ленгмюровской частоте колебаний плазмы, n - кратные целые числа (1, 2, 3, ...), причем сформированный пучок ионов на выходе из резонатора пропускают через отклоняющее электронную составляющую пучка магнитное поле. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при λ = 10,6 мкм интенсивность излучения q выбирают из условия q > 10^1 2 Вт/см². 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при λ = 1,06 мкм q > 10^1 4 Вт/см². 4. Способ по пп.1 - 3, отличающийся тем, что характерный размер резонатора выбирают равным d = 10 см. 5. Способ по пп.1 - 4, отличающийся тем, что пучок ускоренных ионов на выходе из резонатора пропускают через экранирующую сетку.