СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ КОРОТКОИМПУЛЬСНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО И КОРПУСКУЛЯРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ВЕЩЕСТВА В ЭКСТРЕМАЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ В УСЛОВИЯХ ПРИМЕНЕНИЯ ПОНИЖЕННЫХ НАПРЯЖЕНИЙ Российский патент 2005 года по МПК H05G2/00 

Изобретение относится к рентгеновской технике и технике генерирования корпускулярного излучения (электроны, многозарядные ионы), которое, в свою очередь, может быть использовано в электронно-лучевых и ионно-плазменных технологиях (включая ионную имплантацию в микро- и наноэлектронике). Рассмотренный ниже способ генерации рентгеновского и корпускулярного излучения может быть использован в медицине (для диагностики мягких тканей и лучевой терапии); в рентгеновской и ядерной спектроскопии, для структурного анализа вещества; при создании новых компактных приборов и технических систем (настольного типа), предназначенных для более эффективных, безопасных и экономически более выгодных исследований физических свойств новых веществ и конструкционных материалов, которые в настоящее время проводятся с использованием дорогостоящих и экологически вредных систем импульсной энергетики (сильноточные ускорители, сверхмощные лазеры, взрывные камеры и т.п.).

Сущность изобретения заключается в том, что предлагается новый способ генерации пикосекундных импульсов рентгеновского излучения (мягкого и жесткого, направленного и изотропного, некогерентного и немонохроматического, а также когерентного и квазимонохроматического (т.е. лазерного) излучения и корпускулярного излучения (электроны и многозарядные ионы) из микрообъемов плотной плазмы вакуумно-искровых и дуговых разрядов, когда используется пониженное прикладываемое напряжение 12-300 В; межэлектродные зазоры 50-100 мкм; сфокусированный лазерный импульс или электровзрыв микропроводника для инициирования микрообъемов плотной плазмы вакуумно-искровых и дуговых разрядов, а также сеточный анод или анод, имеющий сквозное отверстие (чтобы улетали электроны и ионы и уносили избыточную энергию, см., например, работы [1-8]), вблизи которого, в свою очередь, в режимах контактного коллапса происходит развитие микроплазменного фокуса, сопровождаемого переходом вещества в экстремальные состояния, характеризуемые высокими плотностями удельной внутренней энергии (вплоть до десятков МДж/г) и высокими давлениями (в десятки и сотни Мбар). Такое рентгеновское и корпускулярное излучение является очень коротким по длительности: жесткое рентгеновское излучение (и генерация микропучков электронов и многозарядных ионов) длится обычно от нескольких пикосекунд до нескольких десятков пикосекунд, длительность мягкого рентгеновского излучения не превышает наносекунд. Указанное излучение происходит после окончания действия, инициирующих вакуумно-искровые и дуговые разряды, импульсные источники энергии (пикосекундное лазерное излучение или электровзрыв микропроводников), спустя наносекунды (или десятки наносекунд).

Способ основан на инициировании в плотной плазме взаимосвязанных быстропротекающих нелинейных физических процессов: токовой фокусировки и дефокусировки; генерации "стреляющих" солитонов; развитии перегревной неустойчивости; плазменного размыкания в неидеальной плазме во время перехода "металл-диэлектрик" (имеется в виду переход Мотта, когда в плотной низкотемпературной плазме резко понижается проводимость вещества, см. [9]); образовании микроплазменного фокуса. Все эти процессы происходят в плотной плазме, создаваемой при инициировании с помощью сфокусированного лазерного излучения (см. схему инициирования на Фиг.1) или с помощью электровзрыва микропроволников (микромостиков) вакуумно-искровых и дуговых разрядов, работающих при сравнительно невысоких прикладываемых напряжениях (как показывают расчеты [7], даже при 12 В), когда в ходе развития разрядов в плотной плазме вследствие токовой фокусировки плотности токов достигают в микрообъемах сверхвысоких значений J≥10⁹ А/см² (см. Фиг.2), приводящей к развитию перегревной неустойчивости плазмы и, как следствие, - к росту температуры (вплоть до кэВ-значений, см. Фиг.3). При этом вещество переходит (тоже на пикосекундные времена) в экстремальные состояния (со сверхвысокими удельными энерговкладами и давлениями, см. Фиг.4), что сопровождается генерацией мягкого рентгеновского излучения (см. Фиг.3) и образованием пикосекундных импульсов потоков выстреливаемых из плотной плазмы электронов и летящих вслед за ними многозарядных ионов. Здесь для иллюстрации на Фиг.2-4 представлены пространственные распределения плотности тока, электронной температуры и давления плазмы, соответственно для указанных в подрисуночных надписях моментов времени. Эти пространственные распределения построены по результатам расчетов, выполненных для случая медных электродов, причем один электрод - анод, имеющий сквозное отверстие, расположен на расстоянии 50 мкм от облучаемого лазером катода, прикладываемое внешнее напряжение было равно 150 В, лазерный импульс (длительностью по полувысоте 100 пкс, с параметрами, аналогичными экспериментам [8]), проходя через отверстие в аноде, нагревал пятно на катоде (диаметром в 40 мкм, толщиной в 6 мкм) до температуры Т_е=T_i=20 эВ. После чего происходил разлет плазмы и имели место указанные выше нелинейные процессы. На Фиг.5а и 5б представлены типичные РФР-граммы, полученные с помощью рентгеновского фотохронографа РФР-4 [10], регистрирующего излучение с максимальной чувствительностью в диапазоне энергий квантов 0.1-10 кэВ (для случая медных электродов [8], с межэлектродными зазорами в 50-100 мкм, когда прикладываемое внешнее напряжение было равно 150 В, время задержки съемки относительно лазерного поджига было равным 17 нс). Хорошо видно, что возникающее рентгеновское излучение от плазмы вакуумно-дугового разряда является направленным, т.к. изотропное излучение от лазерной плазмы (см. РФР-грамму на Фиг.5в) имеет вид широкой полосы (при развертке по времени). Подчеркнем, что главное отличие рассматриваемого способа от известных состоит в том, что мы получаем рентгеновское излучение не в лазерной плазме, а в плазме вакуумно-искровых и дуговых разрядов. Пикосекундный импульс лазерного излучения либо подвергнутый действию высокой плотности тока (10⁸-10⁹ А/см²) микропроводник служат лишь для инициирования электрического разряда в вакууме, а все интересующие нас процессы происходят на более поздних временах в плотной плазме катодного факела, при сравнительно малых внешних прикладываемых напряжениях. Здесь уместно уточнить, что микромостик должен иметь длину, равную величине межэлектродного зазора, т.е. 50-100 мкм, а радиус "перетяжки" его, т.е. узкое место, должно быть как можно меньше (например, 1-5 мкм, чтобы достигнуть указанных выше плотностей тока), т.к. характерные величины токов при электровзрывах микромостиков обычно не подрастают (на короткие времена τ≤1-10 нс) выше 1-10 кА. Характерные размеры электродов выбираются с учетом того, что их оптимальная рабочая площадь определяется диапазоном 0.1-2 см². Толщина электродов D большой роли не играет, однако лучше, если D=0,5-2 мм (при D≤1 мм отверстие в аноде легко пробить сфокусированным лазерным лучом, при большем D отверстие в аноде (диаметром, например, в 300 мкм) необходимо предварительно просверливать. Слишком тонкие электроды использовать не рекомендуется, т.к. они легче слипаются, что неудобно при работе в импульсно-периодическом режиме. Таких физических параметров, которые мы достигаем в нашей системе за счет протекания указанных выше нелинейных процессов, в лазерной плазме можно достичь лишь при очень высокой интенсивности лазерного импульса (намного порядков превышающих интенсивность в области фокусировки используемых нами лазерных импульсов с I_мах≤10¹⁴ Вт/см² см, например, [8]). Рентгеновское излучение, как показывают эксперименты, может быть как изотропным, так и остро направленным (с угловой расходимостью вплоть до 10^-4 рад). Такая генерация мягкого рентгеновского излучения может происходить из кольцевых областей плотной горячей плазмы, образуемых сначала вблизи сеточного анода, когда имеет место эффект контактного коллапса [3-7], а затем может переноситься в область межэлекродного зазора (в виде горячих колец или микроструй). Обычно мягкое рентгеновское излучение, полученное таким способом, не является когерентным и монохроматичным. Но в ряде случаев, когда в горячей плазме реализуется режим УСИ (усиление спонтанного излучения, особенно вдоль плазменных микроструй), возможна генерация когерентного и квазимонохроматического (т.е. лазерного) рентгеновского излучения, которое может быть строго направленным (вдоль струй) либо изотропным, если УСИ имеет место на сферически симметричном разлетающемся микроплазменном факеле. Условия реализации режима УСИ (результирующий коэффициент усиления должен превышать коэффициент поглощения и хотя бы на очень короткое время δt≤t₁ - время жизни возбужденного уровня - должен быть механизм возбуждения инверсии, который позволил бы достичь для удовлетворения первого условия обязательного условия инверсной заселенности [10, 11]) вполне совместимы с условиями перехода вещества в экстремальные состояния, имеющие место в рассматриваемой системе, а поэтому рентгеновская лазерная генерация тоже вполне возможна.

Другой механизм - генерация жесткого рентгеновского излучения из микрообъемов все той же плотной плазмы, при разлете которой может происходить переход "металл-диэлектрик", сопровождаемый резким падением проводимости неидеальной плазмы и подскоком электрического потенциала (обычно от нескольких кВ до нескольких десятков кВ, но, возможно, как показывают расчеты, и до нескольких сотен кВ). Ускоренные в таких областях электроны впоследствие при торможении дают короткоимпульсные (длительностью от единиц до десятков пкс) вспышки жесткого тормозного рентгеновского излучения (см. Фиг.6, интегральный снимок, снятый за 1 с, видно, что излучение проходит стальную защитную пластину толщиной в 3 мм).

Последовательность действий при практической реализации рассматриваемого способа очевидна и вытекает из самой сути описанных выше физических механизмов. Тем не менее, вкратце ее можно формулировать следующим образом. Вначале создается конструкция системы с заданными параметрами (выбираются материал и геометрия электродов, собирается электрическая схема питания, электроды помещаются в вакуумную камеру, выставляется межэлектродное расстояние, откачивается воздух для получения высокого вакуума, подается необходимое напряжение на электроды); затем система подвергается импульсному воздействию со стороны лазера (например, пикосекундного, как в [1, 2, 8], с предварительной установкой фокусирующей линзы) или в межэлектродном зазоре инициируется электрический взрыв микропроводника (микромостика, замыкающего электроды, после подачи на него соответствующего напряжения), далее все происходит в соответствии с физикой указанных выше быстропротекающих нелинейных процессов.

Наиболее близким техническим решением (аналогом изобретения) являются импульсные плазмофокусные системы [12], дающие корпускулярное излучение (пучки электронов и ионов наносекундной длительности), а также мягкое и жесткое рентгеновское излучение, но работающие существенно при более высоких напряжениях (от десятков кВ и выше) и требующие для своей работы существенно больший энергозапас питающей системы (от кДж и выше). В качестве еще одного аналога может служить электрический взрыв проволочек [13]. В отличие от названных выше аналогов предлагаемый новый источник корпускулярного и рентгеновского излучения способен работать при пониженных напряжениях (12-300 В) и при энергозаласе источника питания всего в несколько Дж (обычно даже ниже, но не меньше 100 мДж).

Литература

1. Skvortsov V.A., Vogel N.I. Proc. International Conference on Physics of Strongly Coupled Plasmas. Binz. Sept. 11-15, 1995, World Scientific, Singapore-London, 1996, pp.343-350.

2. Vogel N.I., Skvortsov V.A.. IEEE Transactions on PS, 1997, Vol.25, No.4, pp.553-563.

3. Skvortsov V.A. Proc. XXVIII th Int. Symp. on Discharges & Insulation in Vacuum. Eindhoven, August 17-21,1998, Vol.1, pp.126-129.

4. Vogel N.I., Skvortsov V.A. IEEE Tr. On Plasma Sciences, 1999, Vol.27, No.1, pp.122-123.

5. Skvortsov V.A. Proc. 1998 Int. Congress on Plasma Physics combined with 25 th EPS Conf. on Controlled Fusion and Plasma Physics. Prague, June 29-July 3,1998, pp.989-992.

6. Скворцов В.А. Экстремальные состояния вещества при контактном коллапсе в вакуумных разрядах. В кн.: "Вопросы дифракции и распространения электромагнитных акустических волн". - М.: МФТИ, 1998. С.13-23.

7. Skvortsov V.A. Proc.ISDEIV-2000, Sept. 18-22, 2000. Xi''an, China, Vol.1, pp.85-88.

8. Фогель Н.И. Письма в ЖЭТФ. Том.67, No.9, с.622 (1998).

9. Фортов В.Е., Якубов И.Т. Неидеальная плазма. - М.: Энергоатомиздат. 1994.

10. Petrov S.I., Lazarchuk V.P., Murugov V.P. et. al., in: Proc. of 22nd Intern. Congress on High-Speed Photography and Photonics. Santa Fe, USA, 27 Oct.-1 Nov., 1996.

11. Элтон Р. Рентгеновские лазеры. - М.: Мир. 1994.

12. Высоцкий В.И.. Кузьмин Р.Н. Гамма-лазеры. М.: МГУ. 1989.

13. Филиппов Н.В. Физика плазмы. Том. 9, с.25 (1983).

14. Диагностика плазмы. /Под ред. Хаддлстоуна Р., Леонарда С. - М.: Мир. 1967, с.392, 393.

Использование: для генерации короткоимпульсного рентгеновского и корпускулярного излучения при переходе вещества в экстремальные состояния в условиях применения пониженных напряжений. Сущность: заключается в том, что предложен новый способ генерации короткоимпульсного рентгеновского и корпускулярного (электроны, многозарядные ионы) излучения при переходе вещества в экстремальные состояния на основе использования плотной плазмы. Образование такой плазмы происходит при инициировании (с использованием сфокусированных лазерных импульсов или электровзрывов микропроводников) вакуумно-искровых и дуговых разрядов при пониженных прикладываемых напряжениях (12-300 В) в микрозазорах (с межэлектродными расстояниями 50-100 мкм). Предлагаемый способ может давать импульсы (с пикосекундной и наносекундной длительностью) изотропного и остронаправленного (с угловой расходимостью до 10^-4 рад) рентгеновского излучения. Технический результат: создание компактных приборов с повышенной степенью безопасности, использующих пониженное прикладываемое напряжение. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ генерации мягкого и жесткого направленного и изотропного некогерентного и немонохроматического рентгеновского излучения с использованием лазерного излучения или электровзрыва микропроводников, отличающийся тем, что для получения пикосекундных импульсов рентгеновского излучения из микрообъемов плотной плазмы вакуумно-искровых и дуговых разрядов используют пониженное прикладываемое напряжение 12-300 В; межэлектродные зазоры 50-100 мкм; лазерный импульс или электровзрыв микропроводника для инициирования микрообъемов плотной плазмы вакуумно-искровых и дуговых разрядов, а также сеточный анод или анод, имеющий сквозное отверстие, вблизи которого в режимах контактного коллапса происходит развитие микроплазменного фокуса.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для получения когерентного (лазерного) направленного или изотропного рентгеновского излучения используются особо чистые вещества, а именно материалы электродов, электровзрывной переход микрочастей которых в экстремальные состояния происходит с соблюдением условий реализации режима УСИ - усиления спонтанного излучения.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в режиме микроплазменного фокуса вакуумно-искровых и дуговых разрядов при пониженных напряжениях генерируется корпускулярное излучение - потоки электронов и многозарядных ионов пикосекундной длительности.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в ходе вакуумно-искровых и дуговых разрядов происходит переход вещества - микрочастей электродов в экстремальные состояния, характеризуемые высокими плотностями удельной внутренней энергии вплоть до десяток МДж/г и давлениями в десятки и сотни Мбар.