ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ Российский патент 2003 года по МПК H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов и может быть использовано в ускорительной технике, в технологиях ионной имплантации и других областях народного хозяйства, где требуются заряженные частицы.

Аналогами изобретения являются: лазерный источник с инерциальным удержанием ионов [1] и лазерный источник [2].

Прототипом изобретения является лазерный источник ионов [3], состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которой совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала, четырех электромагнитных катушек, установленных на пролетном канале и создающих в нем аксиально-симметричное продольное магнитное поле.

Недостатком является слабое удержание инициированной лазером плазмы в магнитном поле пролетного канала и большой разброс скоростей и углов разлета ионов лазерной плазмы, что уменьшает величину ионного тока пучка на выходе ускорителя.

Целью изобретения является повышение эффективности удержания плазмы в пролетном канале лазерного источника ионов и уменьшение разброса значений скоростей и углов разлета ионного пучка, извлекаемого из такого источника.

Поставленная цель достигается тем, что в лазерный источник ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала, отличающийся тем, что магниты установлены на пролетном канале таким образом, что они формируют внутри него по всей длине между мишенью и системой отбора ионов мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны к продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на центральной продольной оси, резко возрастает в области стенок пролетного канала.

В результате предложенных конструктивных изменений в изобретении возникают новые физические свойства, а именно:
- электроны, как наиболее легкие и подвижные частицы в плазме, отражаясь магнитным полем, группируются на центральной продольной оси пролетного канала, создавая радиальное электрическое поле, которое дополнительно способствует удерживанию ионов плазмы в области этой оси;
- разнонаправленные ионы плазмы, пересекая силовые линии магнитного поля, направление которых в большинстве случаев, кроме области центральной продольной оси канала перпендикулярно вектору скорости иона, отражаются из областей с большим градиентом магнитного поля к центру и также группируются вдоль продольной оси канала. Поскольку поток лазерной плазмы обладает первоначальной гидродинамической скоростью направленного движения, которая конструктивно по направлению совпадает с осью пролетного канала [4, 5], то ионы, сгруппированные в области центральной оси этого канала, ускоряются самосогласованным электрическим полем движущейся плазмы [6] только в направлении экстракции пучка, улучшая его угловую направленность;
- ионы, имеющие большую поперечную составляющую скорости или движущиеся вдали от центральной оси пролетного канала, попадая в область более сильного магнитного поля увеличивают протяженность своих траекторий движения по сравнению с ионами, движущимися по центральной оси и имеющими малую поперечную скоростью. Испытывая большее количество столкновений с нейтральной компонентой плазмы, они передают ей больше кинетической энергии, чем ионы с короткой траекторией. Эта энергия выносится на стенки канала. Такой характер обмена энергиями и ее диссипация, понижая температуру ионной компоненты плазмы, способствуют уменьшению разброса скоростей и углов разлета в ионном пучке, извлекаемом из источника.

Перечисленные физические свойства способствуют возникновению положительных эффектов по сравнению с прототипом. Наличие магнитного поля заданной конфигурации и возникшего в результате этого электрического поля повышает эффективность удержания свободно разлетающейся лазерной плазмы в пролетном канале. Изменение результирующей вектора движения плазменных ионов в направлении экстракции пучка заряженных частиц и уменьшение разброса их кинетической энергии способствуют улучшению ламинарности (конгруэнтности) извлекаемого из плазмы ионного пучка и уменьшают неупорядоченную составляющую скорости частиц пучка. Все это позволяет повысить захват ионов ускорителем и увеличить ток пучка на его выходе.

Известно применение мультипольного магнитного поля для удержания плазмы между анодом и катодом в электрическом разряде [7], но использования такого поля для удержания свободно разлетающейся лазерной плазмы и изменения направления упорядоченной скорости ее ионов не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного эффекта: наличие конструктивных изменений, вызвавшее возникновение новых физический свойств, приведших к положительному эффекту, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию существенные отличия.

Лазерный источник ионов показан на фиг. 1. Он состоит из твердотельной мишени 1, на которую падает луч лазера 2, пролетного канала 3, магнитов 4 и широко известной системы отбора ионов 5. На фиг. 2 показано размещение магнитов 4 на корпусе пролетного канала 3 и картина полей магнитного 6 и электрического 7 в пролетном канале, существующих при разлете плазмы.

Источник работает следующим образом. Луч лазера 2, попадая на мишень 1 через оптически прозрачное технологическое окно в металлическом корпусе пролетного канала 3 (на фиг. 1 окно не показано), испаряет материал мишени, ионизирует его, образуя плазменный сгусток с характерными размерами do ~1-2 мм [8] . Технологически точка попадания лазерного луча на мишень подобрана так, что этот сгусток, образуясь на центральной продольной оси пролетного канала 3, имеет направление гидродинамической составляющей разлета [9], совпадающее с осью. Магниты 4 размещены на корпусе пролетного канала 3 таким образом, что величина магнитного поля 6, фиг. 2, близкая к нулю на центральной оси канала, резко нарастает вблизи его стенок.

В [7] показано, что магнитное поле подобной конфигурации с таким видом градиента отражает движущиеся в радиальном направлении заряженные частицы в область своего минимума, удерживая плазму в этой области. Плазменные электроны в силу своей малой массы будут сразу же сгруппированы на центральной оси пролетного канала 3, имея свободную степень движения только вдоль этой оси. В результате подобного перераспределения заряженных частиц разлетающейся плазмы в пролетном канале образуется радиальное электрическое (Е) поле 7, фиг. 2, которое наряду с магнитным (В) полем 6 препятствует уходу положительных ионов на стенки пролетного канала. В аналогах плазма свободно разлетается в пролетном канале.

В прототипе [3] продольное аксиальное магнитное поле не отражает заряженные частицы в область центральной оси, а "замораживает" электроны на силовых линиях по всему сечению пролетного канала, в результате чего плазма имеет слабую радиальную составляющую электрического поля. Эффект ее удержания в подобных источниках ионов по сравнению с предлагаемым изобретением значительно уменьшен.

В отличие от аналогов [1, 2] и прототипа [3], где лазерная плазма до входа в магнитное поле пролетного канала имеет свободную зону разлета, а ее ионы приобретают дополнительную поперечную составляющую скорости за счет ускорения в самосогласованных полях разлетающейся плазмы [6], в предлагаемом изобретении плазма сразу же образуется в магнитном поле, изначально препятствующем ее разлету и дополнительному увеличению скорости ионов по всем направлениям, кроме направления эмиссии пучка, совпадающего с центральной осью продольного канала. В предлагаемом лазерном источнике ионов следует удерживать от разлета плазму, электронная температура которой на начальном участке пролетного канала не превышает 50-70 эВ [8]. Оценим возможность ее удержания с технологической точки зрения.

Согласно работам [7,10] водородная плазма с температурой ~1 эВ эффективно удерживается в области электрического разряда в центре мультипольного магнитного поля с индукцией 1-2 кГс, с градиентом напряженности от центра к периферии. Скорость протона такой плазмы, рассчитанная по широко известным формулам, имеет значение ~4•10⁴ см/с. Поскольку поперечная скорость иона в плазме где Те - температура плазмы, то протоны лазерной плазмы с Те= 100 эВ будут иметь скорости разлета на порядок большие. Выберем в качестве критерия удержания плазмы отражающую способность магнитного поля, которую приближенно можно оценивать через циклотронный радиус частицы ρ в этом поле, рассчитываемый в работе [9] по формуле ρ=Mi•ui/q•B, где Mi - масса иона, ui - составляющая скорости его движения перпендикулярно магнитному полю, В - величина магнитного поля, q - заряд иона. Видно, что для того же значения ρ, характеризующего эффективность удерживания ионов магнитным полем, для лазерной плазмы надо использовать большее на порядок магнитное поле. В работе [4] показано, что поперечная скорость ионов Рb²⁰⁷ лазерной плазмы на выходе пролетного канала длиной 75 см составляет величину V_┴~10•10⁵ см/с. Очевидно, что одни только "теплые магниты" (без использования криогенных технологий) не могут обеспечить поле с магнитной индукцией в десятки Тл, способное эффективно удерживать тяжелоионную плазму от разлета.

В предлагаемом изобретении ионы плазмы будут удерживаться радиальным электрическим полем, особенно эффективно на начальном участке пролетного канала. Величина возникающего электрического поля в пролетном канале, зависящая согласно [11] от потенциала плазмы Vo

где k - постоянная Больцмана, Те - электронная температура плазмы, е - заряд электрона, обеспечит перепад напряжения между электронной компонентой плазмы на центральной оси пролетного канала 3, и его стенками Vo~350-500 В. При движении плазмы вдоль пролетного канала ее плотность и температура будут уменьшаться. Согласно выражению (1) будет уменьшаться и удерживающее ионы электрическое поле Vo. Уменьшение температуры плазмы в процессе ее разлета, оцененное в [8]
VpTe^γ-1 = const (2),
где Vp - объем, занимаемый плазмой, Те - ее температура, γ - показатель адиабаты (для одноатомных газов γ=3/2) с учетом того, что объем плазмы изменяется по закону Vp~L, поскольку плазма от расширения по двум другим перпендикулярным координатам удерживается (Е • В) полями, произойдет в n~ (L/do)² раз. Если выбрать разлет L~4d_o, то n≅16 раз. Характер изменения радиального электрического поля по длине пролетного канала будет происходить, согласуясь с выражениями (1) и (2). В [6] показано, что процесс ускорения ионов, особенно многозарядных, происходит на расстояниях порядка радиуса пятна фокусировки. Образовавшийся при этом плазменный пакет движется далее со скоростями ~(10⁶-10⁷ см/с). Выберем в области с линейными размерами ~4do, учитывая изменение температуры плазмы (2), некоторое усредненное, явно заниженное, значение радиального электрического потенциала ~10 В/см. При диаметре пролетного канала D=10 см, видно, что даже такие тяжелые ионы лазерной плазмы, как Рb⁺¹ (имеющие температуру 30-50 эВ), будут удерживаться скрещенными (Е•В) полями на протяжении всего времени ускорения в области с размерами нескольких пятен фокусировки. Далее эти ионы будут двигаться в направлении системы отбора 5, фиг. 1, со все возрастающей упорядоченной составляющей дрейфовой скорости, а их диффузионная скорость, которая уже после прохождения области с линейными размерами ~4d_o становится в несколько раз меньше упорядоченной продольной скорости, будет постоянно уменьшаться с падением температуры разлетающейся плазмы. Эти факторы будут способствовать пролету ионов через канал дрейфа. Учитывая, что в начальной части пролетного канала (область пятна фокусировки) величина удерживающего радиального электрического поля наибольшая (~1000 В), т.к. Те плазмы наибольшая (~100 эВ), плотность заряженных частиц в плазме наибольшая, а радиус Дебая, характеризующий величину ускоряющего ионы самосогласованного электрического поля, между быстрой электронной и медленной ионной компонентами плазмы наименьший. Можно сделать вывод, что на данном участке происходит наиболее активный прирост горизонтальной составляющей скорости. Этот прирост продолжается и в дальнейшем, по мере прохождения частицами пролетного канала 3 согласно [6] . С учетом быстрого спада величины удерживающего ионы электрического поля, связанного с изменением температуры плазмы (2), видно, что ионы, родившиеся на мишени, свободно пройдут через пролетный канал, получив большее приращение скорости, совпадающей с направлением их экстракции, по сравнению другими направлениями движения.

Известно, что в мультипольной системе удержания плазма может уходить на боковые стенки через магнитные щели на полюсах магнитов 4 (фиг. 1, 2). Оценка потерь плазмы через магнитные щели, ширина которых согласно [5]

где ρе, ρi - соответственно электронный и ионный радиусы Лармора, показывает, что в канале пролета с принятыми параметрами (фиг. 1) уход плазмы через магнитные щели даже для свинцовой малозарядной плазмы не превысит 25%.

В [2] показано, что извлекаемые из лазерных источников ионные пучки имеют температурные эмиттансы порядка 10^-2 см мрад [4]. В изотропно разлетающейся лазерной плазме происходит нарастание средней энергии ионов до сотен кэВ в процессе их ускорения самосогласованными плазменными полями [4, 6]. В [8] показано, что плазменный сгусток на мишени не является Ламбертовским источником излучения. В результате после отбора ионов в пучке образуется много трубок тока, направленных под разными углами с большими упорядоченными составляющими скорости ионов. Это приводит к искажению формы абсолютного (температурного) эмиттанса на фазовой координатной плоскости и увеличивает значение эффективного эмиттанса пучка [12]. Если пучок ионов характеризуется большой величиной эффективного эмиттанса, то его трудно согласовать с аксептансами ускоряющих структур [12]. Поскольку плазменные ионы после прохождения пролетного канала увеличивают направленность своего движения, совпадающего с направлением экстракции заряженных частиц, улучшается ламинарность трубок тока в экстрагируемом ионном потоке и уменьшается величина его эффективного эмиттанса [14].

Поскольку в предлагаемом пролетном канале плазма может двигаться только по одной из трех координат, зависимость ее плотности от длины пролета L будет описываться выражением n~n₀ (1/L), а не n~n₀ (1/L³), характерным для условий свободного разлета плазмы [6, 8]. Согласно [8] при первоначальной плотности плазмы в лазерном пятне n_о~10¹⁹ см^-3 после пролета L~1 м ее плотность в зоне отбора ионов падает до значений n_L~10¹¹ см^-3, которая позволяет отбирать ток ионов с j<20 мА/см². Учитывая, что максимальная плотность тока j, который можно отобрать от плазменного эмиттера, определяется в [11]
j = 0,344 n_L e (2kTе/Mi)^1/2 (4),
можно оценить, что j на выходе предлагаемого канала, имеющего длину L=1 м и более высокую температуру плазмы Те, составит величину в несколько раз большую, чем в аналоге и прототипе. Согласно [6, 9], длительность ионного пакета увеличивается при движении плазмы в поперечном магнитном поле. Поскольку в предлагаемом изобретении силовые линии магнитного поля 6, фиг. 2, в пролетном канале 3, фиг. 1, перпендикулярны основному направлению движения плазмы везде, кроме области центральной продольной оси, возникнет увеличение длительности импульса ионного пакета по сравнению с прототипом из-за увеличения пути, проходимого частицами в магнитном поле сложной конфигурации. Иначе, при сохранении одной и той же длительности ионного пакета пролетный канал изобретения будет иметь длину меньшую, чем канал прототипа, что способствует увеличению плотности плазмы в области формирования ионного пучка, позволяя увеличить ток извлекаемых ионов (4).

Согласно [6, 9] лазерная плазма содержит значительную нейтральную компоненту в виде атомов материала распыляемой мишени и находящихся в ней газов. Наличие нейтралов заставляет рассматривать пролетный канал как систему, в которой имеет место диссипация энергии в виде тепла, выносимого на боковые стенки канала нейтралами после их столкновения с ионами плазмы, осциллирующими относительно центральной оси канала. Такие столкновения способствуют уменьшению средней температуры ионной компоненты лазерной плазмы в зоне формирования пучка заряженных частиц, уменьшая его эмиттанс.

В работах [2, 4, 8] показано, что увеличение длины пролетного канала приводит к уменьшению выхода высокозарядных ионов.

В [13] показано, что при разлете лазерной плазмы существенное влияние на формирование зарядового состава оказывает подогрев плазмы при тройной рекомбинации через возбужденные состояния. Согласно [2, 13] увеличение температуры плазмы ведет к увеличению доли высокозарядных ионов. В предлагаемом изобретении уменьшена длина пролетного канала и увеличена траектория дрейфа ионов. Перечисленные факторы способствуют увеличению количества ионов с большими зарядами в извлекаемом пучке.

Приведенные выше утверждения показывают, что температура плазмы в пролетном канале 3, фиг. 1, будет больше, чем в каналах со свободным разлетом плазмы. Ее повышение приводит к росту эмиттанса извлекаемого ионного пучка [14] . Оценим влияние этого фактора на поперечный фазовый объем пучков, которые можно получить в предлагаемой конструкции. Определим поперечный фазовый объем пучка ионов, извлекаемых из лазерной плазмы согласно [8]

где с - скорость света в вакууме, dVx - разброс радиальных скоростей ионов пучка, do - характерный размер эмиттера, Х - текущая координата. Согласно [7] скорость движения иона в плазме связана со скоростью ионно-звуковых колебаний плазмы соотношением ΔVx=0,5Vc, где скорость ионного звука Vc согласно [8]

Учитывая выражение (5), получим, что зависимость верхнего значения поперечного фазового объема пучка от температуры имеет вид Vf~(Te)^1/2. Согласно (2) температура плазмы в пролетном канале изобретения зависит от базы ее разлета L согласно Te~1/L². В пролетных каналах аналога и эта зависимость имеет вид Te~1/L⁶. Учитывая выражение (6), получим, что изменение фазового объема от разлета плазмы для предложенного пролетного канала имеет вид Vc~ 1/L. Для свободно разлетающейся лазерной плазмы Vc~1/L³. Следовательно, фазовый объем ионного пучка, извлекаемого из предложенного пролетного канала, будет в (L/d_о)² раз больше, чем в прототипе. Но в [12] показано, что с увеличением продольной скорости частиц уменьшается эмиттанс пучка из-за того, что уменьшается разброс наклонов траекторий этих частиц. В предлагаемом изобретении согласно [6] скорость поперечного разлета ионов в пучке будет определяться температурой плазменного пятна на мишени. После подавления изотропной направленности упорядоченной составляющей скорости разлета ионов и ориентации результирующего вектора этой скорости в направлении экстракции пучка заряженных частиц, продольная составляющая скорости ионов возрастет пропорционально корню квадратному из энергии ионов, а поперечная скорость уменьшится ~Te/L. В [4] сообщается, что энергия ионов Рb в плазме составляет Ек~ 100 кэВ, температура плазмы в пятне на мишени 30-50 эВ. Сравнивая эти значения с температурой плазмы в зоне формирования пучка (Te•do/L~50do/L, эВ) и переходя в систему скоростей с учетом (5) видим, что верхнее значение змиттанса экстрагируемого ионного пучка уменьшится в N~[(Ек•L)/(d_о•Те)]^1/2 раз. Для ионов Рb из [4] N~(900-1000) раз. Таким образом, если в лазерный источник ионов, описанный в [4], установить предлагаемый пролетный канал 3, фиг. 1, то пучок ионов свинца на выходе источника будет иметь поперечный фазовый объем V_pb~2-3 см•мрад, что само по себе уже удовлетворяет условиям ввода такого пучка во многие виды ускорителей, но форма эмиттанса и его ориентация на фазовой плоскости будут иными. Пучок ионов, извлеченный из предложенного источника, будет иметь меньший эффективный эмиттанс, чем тот, который можно получить в пролетных каналах со свободно разлетающейся плазмой, а его ориентация в фазовом пространстве обеспечит лучшие условия согласования фазовых характеристик пучка с аксептансом ускоряющей структуры.

В предложенном изобретении уменьшено потребление электроэнергии по сравнению с прототипом за счет исключения электромагнитных катушек. Уменьшены габариты источника, повышена надежность его эксплуатации.

Приведенные выше оценки показывают техническую возможность быстрого без больших дополнительных затрат создания лазерного источника ионов, в котором ионно-оптические свойства плазмы улучшены путем трансформации при разлете ее тепловой энергии в направленную составляющую дрейфовой скорости ионов, что способствует уменьшению разброса величин скоростей и углов разлета заряженных частиц в ионном пучке, и создания источника с более эффективным удержанием лазерной плазмы в пролетном канале. Применение такого источника заряженных частиц позволяет увеличить ток пучка на выходе ускорителей.

Источники информации
1. L.Z. Barabash, D.G. Koshkarev, Yu. J.Lapitskii et all. Laser and Particle Beams, 2, 49, 1984.

2. 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.

3. L. G. Gray, R.H. Hughes, R.J. Anderson. J.Heavy-ion sourse using a laser-generated plasma transported through an axial magnetic field. Appl. Phys. 53, 6628, 1982.

4. Л. 3. Барабаш, Ю.А. Быковский, К.И. Кречет и др. Формирование интенсивного пучка тяжелых ионов из лазерной плазмы. Препринт 86-146. - М.: ИТЭФ, 1986.

5. R.H. Hughes, R.J. Anderson, C.K. Manka et all. Appl. Phys. 51, 4088, 1980.

6. Ю. П.Козырев, Б.Ю. Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие. - М.: МИФИ, ч.1, с. 22, 1980.

7. H.H. Семашко. A.H. Владимиров, Щ.В. Кузнецов и др. Инжекторы быстрых атомов водорода. - М.: Энергоиздат, 1981, с. 84-90.

8. Л. 3. 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.

9. Я. Браун, Р. Келлер, А. Холмс и др. Физика и технология источников ионов. - М.: Мир, 1998, с. 29, 323-339.

10. М.Д. Габович, И.И. Плешивцев, Н.Н. Семашко. Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 41-65.

11. А. Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. - М.: Мир, 1992, с. 73,163.

12. И. М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. - М.: Энергоиздат, 1982, с. 42-75.

13. С. В. Латышев, И.В. Рудской. О некоторых вопросах интерпретации результатов времяпролетной масс-спектрометрии лазерной плазмы. Препринт 33. - М.: ИТЭФ, 1985.

14. С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. - М.: Энергоатомиздат, 1991, c. 142-190.

Использование: в ускорительной технике, технологиях ионной имплантации и других отраслях народного хозяйства, где требуются источники заряженных частиц. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности удержания плазмы в пролетном канале лазерного источника ионов и уменьшение разброса значений скоростей и углов ионного пучка, извлекаемого из такого источника. Сущность изобретения: в лазерном источнике ионов, 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, системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала, магниты установлены на пролетном канале таким образом, что они формируют внутри него по всей 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 центральной продольной оси, резко возрастает в области стенок пролетного канала. 2 ил.

Лазерный источник ионов, состоящий из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала, отличающийся тем, что магниты установлены на пролетном канале таким образом, что они формируют внутри него по всей длине между мишенью и системой отбора ионов мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны к продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на центральной продольной оси, резко возрастает в области стенок пролетного канала.