СПОСОБ УСКОРЕНИЯ ИОНОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H05H15/00 

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и технике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в лазерной физике для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза (см. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. / Под ред. Б.Ю.Ширкова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.). Особенно перспективно использование изобретения для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (см. Беляев B.C. и др. Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. // Успехи физических наук, т.178, №8 с.823-843, 2008).

Известны способ генерации и ускорения ионов и устройство для его осуществления, предложенные в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (H1D) №1138212, заявленном 23.05.1966. Это техническое решение предназначено для формирования пучков ионов с энергиями не менее нескольких миллионов электрон-вольт (МэВ) при токах в несколько сотен ампер, который согласуется с требованиями для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза и пригоден для этих целей.

Способ генерации и ускорения ионов в патенте Англии №1138212 основан на формировании пучков ионов путем генерации ионов с использованием концентрации луча света лазера на поверхности расположенной на пути светового луча лазера мишени из ионизируемого материала с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы.

Способ генерации и ускорения ионов, предложенный в патенте Англии №1138212, по технической сущности может быть выбран в качестве первого аналога заявляемого способа ускорения ионов.

Недостатком способа ускорения ионов в патенте Англии №1138212-аналоге является низкая эффективность генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность используемых технологических процессов и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.

Известен также другой аналог, который в значительной мере лишен указанных недостатков и обеспечивает повышение эффективности способа ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. Второй аналог - изобретение по патенту РФ №2364979 с приоритетом 20 ноября 2007 года с названием «Способ ускорения ионов и устройство для его осуществление» - более близок по технической сущности заявляемому изобретению и может быть выбран в качестве его прототипа.

В патенте РФ №2364979 - прототипе формируют высококонтрастный луч лазера релятивистской интенсивности (~10¹⁸-10¹⁹ Вт/см²) сверхкороткой длительности (~1·10^-12 с), который направляют на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности для генерации быстропеременного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического энергетического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования и пучка ионов и их ускорением к приемнику ионов. В указанном способе ускорения ионов формирование пучка ионов осуществляют в приповерхностном слое на тыльной поверхности мишени с использованием установленной в вакууме мишени из электропроводного материала (меди) при контролируемом воздействии на фронтальную поверхность мишени луча лазера релятивистской интенсивности.

Недостатком способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 и устройства для его осуществления является недостаточная эффективность при генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза из-за нерационального выбора материала мишени и технологии ускорения.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности генерации и ускорении ионов с обеспечением технического результата-инициирования перспективных ядерных реакций синтеза

Указанный технический результат - обеспечение инициирования перспективных ядерных реакций синтеза достигается тем, что в способе ускорения ионов, основанном на генерации ионов из ионизируемого материала с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности мишени при их движении к приемнику, в качестве основной мишени выбирают дейтерированный полиэтилен толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм и обеспечивают воздействие на ее фронтальную поверхность высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈10¹⁸ Вт/см²÷10²⁰ Вт/см² с энергией Е в диапазоне E÷10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰, при этом обеспечивают с тыльной поверхности мишени генерацию ионов дейтерия, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от основной мишени, при этом движущиеся к вторичной мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами в толще l² и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→³He+n+3,27 МэВ с получением изотопов гелия ³He и нейтронов n.

Для осуществления способа известно устройство ускорения ионов, предложенное в патенте Англии №1138212, заявленном 23.05.1966 г., МКИ H05h, H01j (H1D). Источник и ускоритель ионов в патенте Англии №1138212 по технической сущности близки заявляемому устройству осуществления способа ускорения ионов и могут быть выбраны в качестве первого аналога устройства для осуществления способа.

Первый аналог устройства осуществления способа в патенте Англии №1138212 содержит мишень из ионизируемого материала, расположенную на пути светового луча лазера. Луч света в патенте Англии №1138212 концентрируется специальным устройством с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Имеются электроды для извлечения нужных ионов из плазмы, созданной лазерным лучом, падающим на мишень. Электростатический ускоритель предназначен для образования электрического поля, ускоряющего ионы.

Недостатком аналога устройства для осуществления способа ускорения ионов является его низкая эффективность при генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.

Также известно устройство ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, которое обеспечивает эффекты устройства для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по указанному выше патенту РФ №2364979, который наиболее близок к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа для устройства.

Устройство для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 - прототип содержит концентратор энергии, мишень и приемник, расположенные в вакуумной камере, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени, высококонтрастный луч лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I~(10¹⁸ Вт/см²÷10¹⁹ Вт/см²) сверхкороткой длительности (t~1·10^-12 с) которого направлен на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности мишени для генерации быстропеременного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического энергетического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования (ПО).

Недостатком устройства для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 - прототипе является низкая эффективность генерации и ускорение ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза из-за нерационального выбора материала мишени и технологии ускорения.

Задачей заявляемого, устройства для осуществления способа ускорения является повышение эффективности генерации и ускорения ионов. При этом технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в обеспечении инициирования перспективных ядерных реакций синтеза.

Для обеспечения инициирования указанных перспективных ядерных реакций синтеза устройство для осуществления способа ускорения ионов содержит расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени. Основная мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от первичной мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм в качестве приемника ускоренных ионов установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм. При этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈10¹⁸÷10²⁰ Вт/см², энергию E в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми и/или нейтронными счетчиками.

Способ ускорения ионов иллюстрируют временная диаграмма на фиг.1 различных типов фонового излучения, возникающих при усилении релятивистского сверхкороткого лазерного импульса, и блок-схема на фиг.2 устройства для осуществления способа ускорения ионов.

Согласно фиг.1 на временной диаграмме различных типов фонового излучения представлены:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~ 10 нс);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10-100 пс);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10-100 пс);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).

На блок-схеме устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2 изображены:

- импульсный лазер 6, выход которого ориентирован на концентратор;

- лазерный луч 7, направленный через иллюминатор на концентратор;

- иллюминатор 8;

- вакуумная камера 9 с установленной внутри камеры мишенью;

- фронтальная поверхность 10 мишени;

- мишень 11;

- тыльная поверхность 12 мишени;

- плазменное образование (ПО) 13 на тыльной поверхности мишени;

- тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 внутри ПО;

- вторая мишень 15 внутри вакуумной камеры;

- концентратор энергии 16 внутри вакуумной камеры;

- счетчики нейтронов 17;

- плазменный токовый слой (ТПТС) 18 в подлете ко второй мишени;

- активированный слой 19 на приемной поверхности второй мишени.

При функционировании устройства для осуществления способа ускорения ионов на тыльной поверхности 12 мишени формируется ПО 13, а внутри ПО 13 формируется тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 с включенными в него ионами (см. п.14 на фиг.2).

При этом между основной и второй мишенями ионы показаны в плазменном токовом слое (ТПТС) 18 на этапе подлета ко второй мишени, а на этапе их внедрения в поверхностный слой второй мишени 19 в приемной мишени ускоренных ионов 15 показано овальное расплытие ускоренных ионов дейтерия в поверхностном слое второй мишени 15 с образованием активированного слоя овальной формы 19 (см. п.19 на фиг.2).

Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза D+D→³He+n+3,27 МэВ с получением гелия ³He и нейтронов n в результате столкновения налетающих и внедренных во вторую мишень ионов в активационном поверхностном слое 19 сигнализирует детектор гелия и/или счетчик нейтронов 17.

При этом способ ускорения ионов в устройстве для его осуществления реализуется следующим образом. Согласно блок-схеме устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2 на входе вакуумной камеры 9 устанавливают импульсный лазер 6, лазерный луч 7 которого на выходе при функционировании ориентируют через иллюминатор 8 и концентратором энергии 16 на фронтальную поверхность 10 мишени 11, установленной на координатной платформе (не показана) в вакуумной камере 9.

После откачки камеры приступают к работам по обеспечению контролируемого воздействия на фронтальную поверхность 10 мишени 11 луча лазера 7 релятивистской интенсивности. При этом формируют безпредымпульсный луч лазера релятивистской интенсивности (~10¹⁸ Вт/см²-10¹⁹ Вт/см²) сверхкороткой длительности (~1·10^-12 с), который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени 10 и приступают к настройке импульсного лазера 6.

При функционировании импульсного лазера 6 релятивистской интенсивности существуют несколько причин возникновения фонового излучения, по-разному проявляющегося на разных временных интервалах функционирования. Наиболее типичные случаи изображены на фиг.1:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10 пс-100 пс);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10 пс-100 пс);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).

В микросекундном диапазоне основным источником шумов является суперлюминесценция в активной среде усилительных каскадов. Для типичных твердотельных активных сред, таких как неодимовое стекло или сапфир с титаном, мощность усиленного спонтанного излучения обычно не превышает нескольких сотен ватт. Оно имеет высокую угловую расходимость и достаточно эффективно подавляется пространственными фильтрами.

Шумовое излучение другого типа связано с периодическим характером генерации сверхкороткого импульса и его последующего усиления в регенеративном усилителе (РУ). Внутрирезонаторное излучение твердотельных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, как правило, представляет собой цуг импульсов, следующих с интервалом ~10 нc. При выделении одиночного импульса в результате конечного пропускания электрооптического затвора и других элементов оптической селекции возможно неполное подавление соседних импульсов цуга. На выходе из РУ могут возникнуть аналогичные остаточные импульсы с периодом следования, кратным времени обхода излучением резонатора усилителя.

Помимо импульсов, следующих с наносекундным временным интервалом, могут возникнуть импульсы с интервалом следования в единицы и десятки пикосекунд, в частности в результате отражения от поверхностей оптических элементов. Существует и другая возможность появления фонового излучения в этом интервале - в результате усиления не полностью подавленных импульсов цуга задающего генератора, опережающих основной импульс. При включении добротности РУ к моменту прихода выделенного импульса большой интенсивности предшествующий остаточный импульс цуга успевает совершить полный обход резонатора РУ и начинает эффективно усиливаться вместе с основным импульсом. Временной интервал между основным и остаточным импульсами указанного типа определяется рассогласованием длин резонаторов генератора и усилителя. Поскольку резонаторы РУ и задающего лазера имеют близкие длины, характерные времена следования таких импульсов находятся в диапазоне десятков пикосекунд.

Ухудшение контраста излучения может происходить также в результате искажения спектра и самомодуляции излучения в процессе усиления. Для подавления самовоздействия обычно используется режим усиления линейно-чирпированного импульса, получаемого из исходного спектрально-ограниченного импульса путем принудительной квадратичной модуляции фазы излучения с помощью стретчера, обеспечивающего линейную положительную дисперсию. Однако даже в этом случае при достижении достаточно большой мощности импульс может приобрести дополнительный чирп в процессе усиления. Если приобретаемый чирп имеет нелинейный характер, полностью компенсировать его компрессором на дифракционных решетках, обеспечивающих отрицательную линейную дисперсию групповой скорости, не удается. Модуляция спектра и неполная компенсация нелинейного чирпа могут привести к появлению импульса-предвестника, опережающего основной импульс на времена, сравнимые с длительностью последнего.

Для того чтобы повысить контраст и свести к минимуму влияние шумового излучения, необходимо обеспечить надежный контроль временных и энергетических характеристик излучения в большом динамическом диапазоне. Измерения параметров фонового излучения в микро- и наносекундном временных диапазонах осуществляются обычными средствами лазерной фотометрии (с помощью быстродействующих фотоприемников и скоростных осциллографов). Для контроля формы сверхкороткого импульса на интервалах, сравнимых с его длительностью, разработаны достаточно эффективные методики с использованием нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков, основанные на измерении динамических спектрограмм автокорреляционной функции излучения. Такие методы позволяют довольно точно восстановить временную форму исследуемого пико- или фемтосекундного импульса.

Наибольшую сложность представляют измерения характеристик импульсов фонового излучения, имеющих промежуточную задержку в десятки и сотни пикосекунд. Для прямой регистрации таких импульсов быстродействия и динамического диапазона существующих электронных устройств, как правило, недостаточно. Нелинейно-оптические методы измерений позволяют, в принципе, решить указанную задачу, но слишком сложны для оперативного контроля параметров излучения непосредственно в ходе эксперимента, в частности для измерений во временном интервале ~100 пс за одну лазерную вспышку (что особенно актуально для систем с низкой частотой повторения). Более подробно разработка и экспериментальная реализация достаточно простого и эффективного метода диагностики при контроле выходных параметров мощных пикосекундных лазерных комплексов в субнаносекундном временном диапазоне приведена в работе авторов изобретения B.C.Беляева, А.П.Матафонова и др. «Измерение параметров излучения сверхкороткой длительности методом спектральной интерферометрии чирпированных импульсов».// Квантовая электроника. 2000. Т.30, №3, с.229. В методе, основанном на применении спектральной интерферометрии чирпированных импульсов, используется тот факт, что в пико- и фемтосекундных лазерных системах для снижения влияния самовоздеиствия применяется усиление чирпированных импульсов, получаемых из спектрально-ограниченного исходного импульса путем его принудительного удлинения до ~0.5 нс в дисперсионном стретчере. Измерение спектрального состава излучения с интерферометрической точностью непосредственно на выходе усилительных каскадов позволяет получить информацию о контрасте и временной задержке фоновых импульсов, которых можно ожидать после компенсации фазовой модуляции при прохождении временного компрессора.

Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза (см. фиг.2) D+D→³He+n+3,27 МэВ при столкновении налетающих (см. п.18) и внедренных (см. п.19) ионов дейтерия во вторую мишень 15 с использованием концентратора 16 для получения энергии релятивистского лазерного излучения с интенсивностью (~10¹⁸ Вт/см²-10¹⁹ Вт/см²) сверхкороткой длительности с обеспечением получения гелия ³He и нейтронов n при столкновении налетающих и внедренных во вторую мишень ионов в активационном поверхностном слое сигнализирует детектор гелия 17.

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте для решения задач в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза. Способ ускорения ионов основан на генерации ионов из ионизируемого материала с тыльной стороны мишени под воздействием на ее фронтальную поверхность высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с выделением направленного ортогонально к тыльной поверхности мишени пучка ионов и ускорением ионов при их движении к приемнику. Использование позволяет проводить исследования в области инициирования ядерных реакций синтеза, к которому не предъявляются специальные требования по радиационной безопасности. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ ускорения ионов, основанный на генерации ионов из ионизируемого материала мишени с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности мишени при их движении к приемнику, отличающийся тем, что в качестве материала основной мишени выбирают дейтерированный полиэтилен (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм ÷10 мкм и под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈10¹⁸÷10²⁰ Вт/см² с энергией Е в диапазоне Е≈10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰ обеспечивают с тыльной поверхности мишени генерацию ионов дейтерия, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от основной мишени, при этом движущиеся к второй мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→³He+n+3,27 МэВ с получением гелия ³Hе и нейтронов n.

2. Устройство для осуществления способа ускорения ионов, содержащее расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени, отличающееся тем, что мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD₂)_n толщиной l₁ в диапазоне l₁≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от этой мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм в качестве приемника ускоренных ионов установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l₂ в диапазоне l₂≈100 мкм÷1 мм, при этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈10¹⁸÷10²⁰ Вт/см², энергию Е в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈10⁸÷10¹⁰, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми счетчиками и/или нейтронными счетчиками.