ЛАЗЕРНЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ С АКТИВНОЙ СИСТЕМОЙ ИНЖЕКЦИИ Российский патент 2013 года по МПК H01J37/08 

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.

Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов [1], [2], [3]. Системы инжекции ионов в известных аналогах работают в пассивном режиме. На электродах их ионно-оптических систем сохраняются неизменные в течение экстракции ионов величины электрических напряжений.

Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник ионов, состоящий из лазера, мишени, пролетного канала, системы инжекции с ионно-оптической системой, ускоряющие электроды которой соединены с источниками постоянного электрического напряжения [4].

Недостаток прототипа - большая величина эффективного эмиттанса генерируемого им ионного пучка. Обусловлен этот фактор изменением во время эмиссии ионов положения границы лазерной плазмы, относительно электродов ионно-оптической системы. Нестационарность ее положения приводит к увеличению диапазона углового расхождения ионов пучка (увеличению разброса углов огибающей границы ионного пучка), возникающего во время экстракции ионов.

Целью изобретения является уменьшение эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе лазерного источника ионов.

Сущность изобретения в том, что достижение поставленной цели обеспечивается подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, который установлен в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, электрического напряжения специальной формы, величина которого изменяется в течение экстракции ионов пропорционально изменению продольной (аксиальной) составляющей импульса давления частиц лазерной плазмы, перед ускоряющими электродами системы инжекции.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерном источнике ионов с активной системой инжекции состоящем из, лазера, мишени, пролетного канала, системы инжекции с ионно-оптической системой, в которой ускоряющий электрод, установленный на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения, а ускоряющий электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом, установленным на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником электрического напряжения специальной формы, который электрически соединен с зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала, перед ускоряющими электродами ионно-оптической системы и электрически соединен с лазером.

По сравнению с прототипом и аналогами, в которых уменьшение эффективного эмиттанса на выходе лазерных источников ионов достигалось уменьшением площади апертур электродов ионно-оптических систем, что приводило к уменьшению величины инжектируемого ими тока ионов. В данном изобретении, в результате использования предложенных элементов конструкции, установленных и соединенных именно указанным образом, возникает новое физическое свойство. А именно, во время экстракции ионов стабилизируется положение границы лазерной плазмы, с которой производится отбор ионов в пучок, относительно электродов ионно-оптической системы.

Известны технические решения, в которых на электроды ионно-оптической системы подается импульсное, но неизменное в течение экстракции ионов, по величине электрическое напряжение. Лазерных источников ионов, в которых для стабилизации положения плазменной границы инжектирующей ионы, на электроды ионно-оптической системы подается изменяющееся, именно, в течение экстракции ионов электрическое напряжение, амплитуда которого зависит от величины продольной составляющей импульса давления на входе ионно-оптической системы частиц плазмы, движущихся в аксиальном направлении, на уровне существующей техники не обнаружено.

Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного технического результата, а именно, возникновение нового физического свойства, выражающегося в стабилизации положения границы плазмы, эмитирующей ионы, относительно электродов ионно-оптической системы, способствующее уменьшению углового разброса огибающей ионного пучка за время инжекции и приводящее к уменьшению эффективного эмиттанса пучка ионов на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

Лазерный источник ионов с активной системой инжекции, показанный на рис.1, состоит из лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует разлетающийся сгусток первичной лазерной плазмы, которая обладает, кроме радиального, дополнительным, первоначальным импульсом продольного движения Р. Эта плазма дрейфует в пролетном канале 3 к системе инжекции 4, предназначенной для отбора из нее заряженных частиц и формирования ионного пучка, включающей в себя ионно-оптическую систему (ИОС) 5, которая содержит ускоряющие электроды 6 с апертурами для экстракции заряженных частиц. В системе инжекции 4, ускоряющий электрод, расположенный на выходе ИОС 5, электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения 7. Другой ускоряющий электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом на выходе ИОС, электрически соединен с источником электрического напряжения специальной формы 8. А данный источник электрически соединен с лазером и электрически соединен с зондовым датчиком тока 9, установленным в лазерной плазме на выходе пролетного канала, перед электродами ИОС.

В процессе разлета происходит разлет имеющего, изначально, малые размеры сгустка первичной лазерной плазмы не только в радиальном направлении, но и более быстрое, за счет наличия дополнительного импульса продольного движения, его «растягивание» по аксиальной оси пролетного канала. Зона аксиальной протяженности факела разлетающейся лазерной плазмы увеличивается пропорционально разбросу аксиальных скоростей ее частиц. Величину такого разброса можно оценить, зная моменты появления t₀ и момент окончания токового сигнала на зондовом датчике тока относительно импульса лазера, это иллюстрирует верхний график на рис.2. Например, при длительности лазерного излучения, порядка, сотых долей микросекунды, типичные значения длительностей такого импульса, при длине пролетного канала, порядка, одного метра, составляют десятки микросекунд, и зависят от сорта ионов [3], [4]. Для частиц лазерной плазмы характерен большой разброс импульсов продольного движения. В системе инжекции 4 лазерная плазма является эмиттером ионов, а ускоряющие электроды 6 в ИОС 5, рис.1, можно рассматривать, как выполняющих роль коллекторов. В методиках, широко применяемых при разработке инжекторов заряженных частиц, позволяющих определять положение плазменной границы относительно ускоряющих электродов ИОС. Используется принцип равенства величины импульса продольного движения Р лазерной плазмы, величине сил электрического натяжения, зависящей от электрического потенциала на ускоряющих электродах ИОС [5]. В аналогах и прототипе величина электрического напряжения на электродах в течение экстракции ионов неизменна. Импульсы продольного движения частиц в лазерной плазме, как упоминалось выше, различны. Для частиц, сместившихся в процессе разлета, к началу (голове) плазменного факела, их величина наибольшая, т.к. эти частицы обладают наибольшей продольной скоростью движения. Величина импульсов продольного движения частиц спадает к концу (хвосту) факела разлетающейся лазерной плазмы из-за уменьшения скорости ее частиц, группирующихся в этой зоне. При такой динамике изменения импульсов частиц разлетающейся лазерной плазмы, положение ее плазменной границы относительно ускоряющих электродов ИОС будет меняться в течение экстракции ионов. При неизменной величине напряженности «тормозящего» электрического поля, эта граница будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц, сосредоточенных вначале импульса, и отдаляется, по мере прихода к системе инжекции более медленных частиц «хвоста» факела лазерной плазмы.

Известно, что изменение положения ионов относительно электродов ИОС приводит к изменению угла огибающей (угла расхождения) ионного пучка на выходе системы инжекции [5].

При оценке качества пучков заряженных частиц, в ускорительной технике пользуются понятием эмиттанса пучка, который является произведением диаметра пучка заряженных частиц на величину разброса импульсов движения для каждой точки этого пучка. Принято, данный разброс выражать в угловых единицах (радианах) [5]. График эмиттанса ионного пучка, в координатах на фазовой плоскости по оси ординат которой отложен угол расхождения пучка β, а по оси абсцисс - диаметр пучка d, при стационарном положении плазменной границы, будет представлен эллипсом, рис.3, Фиг.1. При «плохой» работе ионной оптики, когда, например, положение эмитирующей ионы плазменной границы изменяется в течение их экстракции, форма эмиттанса искажается. Площадь под кривой, охватывающей такой искаженный эмиттанс, называют эффективным эмиттансом пучка [5]. Она будет по величине больше эмиттанса. На рис.3, на Фиг.2, эффективный эмиттанс пучка проиллюстрирован в виде графика эллиптической формы - Е_эф.

При вводе пучка заряженных частиц в ускоряющий канал ускорителя, необходимо согласовывать величину аксептанса данного канала с эффективным эмиттансом пучка заряженных частиц. В тех случаях, когда последний больше аксептанса канала ускорителя, часть ионов не будет ускорена [5]. Поэтому нестационарность положения плазменной границы является одной из проблем при использовании лазерных источников ионов в ускорителях заряженных частиц.

В лазерных источниках ионов при формировании границы отбора ионов, величина импульса давления налетающей лазерной плазмой, которое должно компенсироваться силами электростатического натяжения ИОС, зависит не только от продольной скорости частиц лазерной плазмы, но и от их плотности на входе ИОС в различные временные периоды инжекции ионов. Плазменное давление можно оценить из выражения p~n·k·T [5], где: k - постоянная Больцмана, n - плотность частиц в плазме, T - их температура, которая, в нашем случае, есть аналог энергии продольного движения частиц лазерной плазмы. Фактор плотности ионов в лазерной плазме, как и разброс продольной составляющей скорости ионов, также влияет на положение плазменной границы относительно электродов ИОС.

В предложенном изобретении положение плазменной границы, с которой производится отбор ионов в пучок, относительно ускоряющих электродов ИОС стабилизируется путем подачи изменяющегося электрического напряжения на ускоряющий электрод, размещенный между выходом пролетного канала и ускоряющим электродом на выходе ИОС и осуществляющий экстракцию ионов из плазмы. Причем характер изменения данного электрического напряжения в любой момент времени адекватен, не только моментальному значению аксиальной скорости ионов лазерной плазмы на входе системы инжекции, но и их плотности в это время в данном месте. Что позволяет оперативно воздействовать на лазерную плазму силами, изменяющимися пропорционально импульсу ее аксиальной скорости и плотности частиц и стабилизировать положение инжектирующей ионы плазменной границы относительно электродов ИОС, способствуя уменьшению эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе ИОС.

Лазерный источник ионов с активной системой инжекции работает следующим образом. Лазер 1 генерирует короткий импульс светового излучения, попадающий на мишень 2, в результате чего образуется лазерная плазма, которая разлетается в пролетном канале 3, рис.1. В момент генерации этого импульса электрический сигнал с лазера 1 поступает на источник электрического напряжения специальной формы 8, который начинает вырабатывать электрическое напряжение, величина которого изменяется обратно пропорционально времени между электрическим сигналом поступившем с лазера и моментом появления импульса на зондовом датчике тока 9, рис.1. Начальную уставку величины этого сигнала, для нулевого значения времени, производят с учетом энергии продольного движения быстрых частиц лазерной плазмы, пользуясь в расчетах широко известными методами определения их потенциальной энергии. Источник электрического напряжения специальной формы может иметь различную конструкцию. Например, включать в себя генератор пилообразного напряжения ГПН, усилитель У, сумматор С, как это показано на рис.1. В момент прихода частиц переднего фронта лазерной плазмы на зондовый датчик тока 9, электрический сигнал с него поступает на усилитель У и на ГПН. При этом, на выходе ГПН возникает электрическое напряжение, величина которого зависит от длительности временного интервала между импульсом лазера и моментом появления электрического сигнала на зондовом датчике тока. Далее, ГПН переходит в режим работы, при котором величина электрического сигнала на его выходе начинает уменьшаться пропорционально времени, отсчитываемого от момента прихода на него электрического сигнала с зондового датчика тока 9, рис.1. Характер изменения электрического напряжения на выходе ГПН показан на графике, обозначенном на рис.2, как ГПН. На этом графике, t₀ - момент прихода сигнала с зондового датчика. Алгоритм изменения амплитуды данного графика, после его трансформации в соответствующее электрическое напряжение, позволяет стабилизировать положение плазменной границы, которое зависит от разброса аксиальной составляющей скоростей движения частиц в лазерной плазме.

Этот же электрический сигнал, с зондового датчика тока 9, поступает на вход усилителя У, находящегося в источнике электрического напряжения специальной формы 8, рис.1. Изменение его амплитуды, например такое, как показано на графике «зонд», рис.2, отражает характер изменения плотности ионов, для различных моментов времени, в лазерной плазме на входе системы инжекции. Регистрация данного алгоритма позволяет компенсировать влияние изменения плазменного давления перед электродами ИОС в результате изменения здесь плотности частиц лазерной плазмы. Сигналы с выходов ГПН и У поступают в сумматор С, где они складываются и, усилившись до необходимого уровня, с выхода источника электрического напряжения специальной формы 8, подаются на соответствующий ускоряющий электрод 6 в ИОС 5, рис.1. Возможная форма такого электрического сигнала, компенсирующего плазменное давление, вызванное как разницей в величине ее аксиальной скорости, так и соответствующей плотности ионов, в различные моменты времени в лазерной плазме на входе ИОС, проиллюстрирована графиком Сумматор «С» на рис.2.

Подача такого, оперативно изменяющегося, электрического напряжения, величина которого нормирована соответствующим образом, на ускоряющий электрод ИОС, осуществляющий экстракцию ионов, позволяет стабилизировать положение плазменной границы относительно электродов ИОС и уменьшить величину эффективного эмиттанса на выходе данного изобретения.

В результате экстракции ионов электрическим напряжением, генерируемым источником электрического напряжения специальной формы 8, происходит увеличение разброса аксиальных скоростей ансамбля частиц в зазоре между ускоряющими электродами 6 системы инжекции, рис.1. Для торможения более быстрых частиц налетающей лазерной плазмы, находящихся в начале импульса, требуется подача большего по величине отрицательного электрического потенциала на ближайший к лазерной плазме ускоряющий электрод ИОС, чтобы эффективно затормозить движущиеся в этой области плазменные электроны, которые будут удерживать связанные с ними электростатическими силами ионы лазерной плазмы. Этот фактор способствует дополнительному ускорению в этом зазоре более «быстрых» ионов, группирующихся в начале лазерного факела. Более медленные ионы, в «хвосте» факела лазерной плазмы, получат в данном зазоре меньшее дополнительное ускорение. Так как плазма в этой области имеет меньшую аксиальную скорость и для ее торможения требуется отрицательное электрическое напряжение меньшей амплитуды.

Подача на ускоряющий электрод 6, расположенный на выходе ИОС 5, постоянного электрического напряжения, соответствующего величине требуемого ускоряющего напряжения в системе инжекции 4, компенсирует возникающий в зазоре между ее ускоряющими электродами разброс скоростей. Поскольку быстрые ионы более эффективно будут тормозиться величиной электрического напряжения, возникающего в результате его мгновенного перепада в зазоре между ускоряющими электродами 6 ионно-оптической системы, а для более медленных ионов в «хвосте» факела мгновенные значения этого перепада электрического напряжения будут меньше, и такие ионы получат меньший по величине «тормозящий» импульс.

В результате, на выходе системы инжекции будет пучок ионов, экстрагируемых с границы лазерной плазмы, положение которой относительно ускоряющих электродов ИОС не изменяется в течение их экстракции, а ионы пучка, на выходе системы инжекции, будут обладать одинаковой энергией, соответствующей требуемому значению.

Предложенное в изобретении техническое решение приводит к уменьшению величины эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции. Что будет способствовать увеличению тока ионов, ускоряемого в ускорителях заряженных частиц. Данное изобретение может быть использовано в ускорительном комплексе ИТЭФ-ТВН.

Литература

1. Yu.A. Bykovskii, A.N. Gusev, Yu.P. Kozyrev et. all. Joint Institute for Nuclear Research, Report No. P 9-86-2, Dubna, 1986.

2. Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. С.323-337. 1998.

3. Ю.А. Сатов, А.В. Шумшуров, Н.Н. Алексеев и др. CO₂-лазер в режиме свободной генерации для сильноточного источника ионов C⁴⁺. Москва. Институт Теоретической и Экспериментальной Физики. Препринт 3-09.2009.

4. S.V. Khomenko, K.N. Makarov, S.G. Nishchuk et. all. Feasibility study of Pb⁺⁴ (80-100 mks, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source. Г.Н.Ц. Р.Ф. Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Препринт 0079-А. ЦНИИАТОМИНФОРМ 2001.

5. А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С.23-24, 107-150, 1992.

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц. Заявленное изобретение характеризуется подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, установленным в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, изменяющегося в процессе экстракции ионов электрического напряжения. Величина этого напряжения изменяется пропорционально изменению продольной составляющей импульса давления частиц, которое возникает в лазерной плазме в зоне, перед электродами системы инжекции. Предусмотрена также подача на ускоряющий электрод системы инжекции, установленный на выходе ионно-оптической системы, постоянного электрического напряжения для ускорения ионов. Техническим результатом является уменьшение разброса углового расхождения огибающей ионного пучка во время экстракции ионов, что способствует уменьшению величины эффективного эмиттанса этого пучка на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции, и увеличение захвата ионов, генерируемых лазерными источниками ионов. 3 ил.

Лазерный источник ионов с активной системой инжекции, состоящий из лазера, мишени, пролетного канала, системы инжекции с ионно-оптической системой, в которой ускоряющий электрод, установленный на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения, отличающийся тем, что ускоряющий электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом, установленным на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником электрического напряжения, который электрически соединен с зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала перед ускоряющими электродами ионно-оптической системы и электрически соединен с лазером.