УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ИОННОГО ПОТОКА ПЛАЗМЫ, СОЗДАВАЕМОЙ ИМПУЛЬСНЫМ ИСТОЧНИКОМ, В ЧАСТНОСТИ COЛАЗЕРОМ Российский патент 2018 года по МПК H01J47/00 

Изобретение относится к области измерений в физике плазмы и физике заряженных частиц. Оно может быть использовано для исследования плазмы, в частности, измерения характеристик ионной компоненты плазмы, создаваемой импульсными источниками нагрева, например, импульсами лазера.

В качестве аналогов можно выбрать широко известные из литературы анализаторы энергии заряженных частиц, в частности, электростатические цилиндрические дефлекторы [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. - М.: Наука, 1978. - 224 с., страница 78].

Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является схема измерений потока ионов из лазерной плазмы, использующая комбинацию электростатического энергоанализатора (цилиндрический дефлектор) и расположенной перед ним пролетной трубы, в которой плазменный поток свободно распространяется [А.В. Кильпио, И.Г. Киселев, П.П. Пашинин, И.В. Рудской, Б.Ю. Шарков, Е.В. Шашков, А.В. Шумшуров. Исследование энергетических спектров многозарядных ионов 77 из лазерной плазмы. Квантовая электроника, Т. 35, №7, 2005, С. 638]. Устройство позволяет определить зарядовый и массовый состав ионов и восстановить их функции распределения по энергии. Оно состоит из вакуумной камеры с облучаемой мишенью, присоединенной к ней пролетной трубой, ось которой совпадает с нормалью к поверхности мишени, электростатического цилиндрического анализатора и детектора ионов, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ). Энергетическое разрешение такой измерительной схемы определяется длиной пролетной трубы, дисперсией цилиндрического дефлектора и размерами входной и выходной щелей анализатора. Временное разрешение регистрирующей аппаратуры и стабильность источника питания пластин дефлектора должны быть достаточно высокими, чтобы не портить разрешение самого анализатора. Например, в приведенном прототипе спектральное разрешение анализатора можно оценить по осциллограмме на рис. 5, как ΔЕ/Е=2⋅10^-2 [А.В. Кильпио, Н.Г. Киселев, П.П. Пашинин, И.В. Рудской, Б.Ю. Шарков, Е.В. Шашков, А.В. Шумшуров. Исследование энергетических спектров многозарядных ионов Л из лазерной плазмы. Квантовая электроника, Т. 35, №7, 2005, С. 638].

При более высоких требованиях к спектральному разрешению соответствующий выбор параметров схемы анализатора ионов способен обеспечить энергетическое разрешение ΔЕ/Е, близкое к 10^-4. В соответствии с [Афанасьев В.П., Явор С.Я. Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц. - М.: Наука, 1978. - 224 с., стр. 32, 85] ΔЕ/Е≈(M⋅δ₁+δ₂)/D_E, где δ₁, δ₂ - размеры входной и выходной щели, М - увеличение анализатора, D_E - дисперсия по энергии. Например, для описанного ниже устройства эта величина равна 8⋅10^-4. Высокое спектральное разрешение прибора не реализуется в полной мере из-за недостаточной точности определения длины пролета ионов от мишени до первого динода ВЭУ, что создает систематическую ошибку при вычислении времени прилета и, соответственно, неопределенности δЕ вычисления энергии.

Технической проблемой является недостаточно высокая точность определения время-пролетной длины схемы, которая представляет собой криволинейную траекторию и зависит, в частности, от положения границы вылета ионов из плазмы, нестрого определенной конфигурацией полей рассеяния на входе и выходе дефлектора и связанной с ней неопределенностью траекторий движения частиц, не точно определяемой длиной пролета частиц от входа ВЭУ до первого динода и т.п. Точность прямого измерения длины пролета не превышает ±1 мм (ΔL=2 мм) при типичном значении полной длины около 2 м. В этом случае для частиц, имеющих скорость V, оценки времени пролета t и его неопределенности Δt составляют: f=200/V, Δt=0.2/V, что соответствует Δt/t=1⋅10^-3. Поскольку δЕ/Е=2Δt/t(Е=mV²/2=mL²/2t², V=L/t, где m - масса иона, L - длина пролета, t - время пролета, то энергия ионов будет определяться с относительной ошибкой δЕ/Е=2⋅10^-3, что существенно больше возможного разрешения самого прибора (ΔЕ/Е).

Техническим результатом предложенного изобретения является повышение точности определения длины пролета и, соответственно, устранения систематической ошибки измерения времени прилета и энергии ионов, а также возможность прямого измерения времен вылета ионов различной энергии и зарядности из плазмы на масштабе длительности лазерного импульса. Эти моменты времени различаются для ионов разной энергии и зарядности, но в схемах измерений спектров разлета, в том числе и схеме-прототипе, эта разница игнорируется, что также может являться причиной ошибок при восстановлении энергоспектров. Такие ошибки особенно значительны при использовании СО₂ лазеров, работающих в режиме свободной генерации, длительность излучения которых превышает 1 мкс.

Предлагаемое изобретение представляет собой устройство для исследования плазмы, создаваемой импульсами лазера, и состоит из вакуумной камеры с облучаемой мишенью, время-пролетной трубы с калиброванной вставкой, электростатического анализатора энергоспектра ионов, детектора заряженных частиц, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ), детектора лазерного излучения и двухканального осциллографа.

Новые физические свойства в предлагаемом устройстве реализуются за счет следующих технических изменений:

1) в конструкцию пролетной трубы вносится дополнительная вставка хорошо известной длины, составляющей (20÷30)% от длины основной трубы, и с помощью которой проводится дополнительное измерение спектра ионов;

2) одновременно с сигналом ионов с ВЭУ на двухканальном осциллографе синхронно записывается сигнал импульса лазерного излучения, получаемый с детектора лазерного излучения.

Преимущества устройства реализуются в процессе процедуры измерений и обработки данных с использованием технических изменений.

Краткое описание чертежей:

Фиг. 1 - тсхема устройства согласно предложенному изобретению.

Фиг. 2 (а, б, в, г, д) - осциллограммы, показывающие зависимости энергии генерируемых из плазмы ионов С⁵⁺, С⁴⁺, С³⁺, С²⁺ (а, б, в, г соответственно) от времени и демонстрирующие форму импульса лазерного излучения, масштабированного на плотность потока излучения на мишени (д).

Схема работы предложенного изобретения поясняется фиг. 1.

Устройство состоит из вакуумной камеры 1, куда помещается исследуемая мишень 2, которая облучается импульсом лазера 5, вводимым в камеру через оптическое окно 4 и фокусируемым на поверхность мишени объективом 3. Создаваемая в результате нагрева мишени плазма расширяется преимущественно по нормали к поверхности мишени в пространстве вакуумной камеры и пролетной трубы 6, на выходе которой установлен энергоанализатор спектра ионов 8 с входной 7, выходной 10 и промежуточной 9 щелями, обеспечивающими вместе с пролетной трубой высокое разрешение прибора. На выходе анализатора установлен детектор заряженных частиц 11, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ) с малым временем отклика. ВЭУ нагружен на сопротивление 12, с которого сигнал заводится на вход двухканального осциллографа 13. На второй вход осциллографа подключается сигнал импульса лазерного излучения, получаемый с помощью детектора лазерного излучения 15, на который заводится часть излучения, отраженного оптическим окном 4. Техническая «разность хода» сигналов анализатора и оптического детектора, связанная с разной длиной кабелей и проч., измеряется независимо и учитывается при обработке.

Для проведения дополнительных измерений устройство оборудовано вставкой в пролетную трубу 14 с точно измененной длиной (ΔI<0.1 мм). Перед проведением измерений энергоспектра ионов предварительно проводятся калибровочные измерения длины пролета и определение временной привязки лазерного импульса к сигналу ВЭУ. Для этого на фиксированной энергии настройки анализатора (фиксированном напряжении на пластинах дефлектора ±U) и для иона выбранной зарядности проводятся два измерения абсолютного времени прилета относительно лазерного импульса: с вставкой в пролетную трубу и без нее. В результате получаются два выражения (уравнения) с двумя неизвестными: базовой длиной пролетной трубы L и моментом времени t (z, Е) вылета выбранного иона относительно пика лазерного импульса. Точность этих измерений ограничивается только спектральным разрешением анализатора (шириной пичка на осциллограмме, создаваемого выбранным ионом). Далее проводится серия измерений спектра всех наблюдаемых ионов и обработка результатов с привязкой времен прилета. Таким образом, во-первых, достигается максимальная точность определения энергий ионов, во-вторых, извлекаются качественно новые данные о временах вылета различных ионов из плазмы.

Итак, в результате предложенных конструктивных изменений и появляющихся новых физических свойств, можно считать, что предложенная работа соответствует критерию изобретения.

Пример 1

Работоспособность устройства проверена в модельных экспериментах при измерении спектра ионов углерода (С²⁺÷С⁶⁺) при плотности потока излучения на мишени 10¹¹ Вт/см². Она поясняется набором графиков на Фиг. 2. Нижний график (д) представляет форму импульса лазерного излучения масштабированного на плотность потока излучения на мишени, графики (а, б, в, г) показывают зависимости энергии генерируемых из плазмы ионов С⁵⁺, С⁴⁺, С³⁺, С²⁺, соответственно, от времени. Данные получены со статистикой 20 выстрелов в одну точку настройки анализатора и среднеквадратические разбросы времен генерации указаны в качестве ошибки по оси времени.

Данное изобретение может быть широко использовано для исследования ионной компоненты плазмы, создаваемой импульсными источниками. Особый интерес представляет случай применения импульсных СО₂ лазеров, работающих в режиме свободной генерации, для которых импульс излучения представляет собой длительный процесс. Он, как правило, состоит из пика длительностью (30÷150) нс и продолжительного (до нескольких микросекунд) «хвоста». Предлагаемое изобретение позволяет исследовать динамику генерации ионов во времени относительно лазерного импульса, а также проводить более глубокий анализ спектров разлета ионов, например, различать компоненты сигналов, которые получаются в результате рекомбинации ионов.

Изобретение позволяет, во-первых, увеличить точность восстановления энергетических спектров разлета ионов, во-вторых, получить качественно новую информацию о временном характере генерации отдельных групп ионов относительно импульса нагрева плазмы.

Изобретение относится к средствам измерений в физике плазмы и физике заряженных частиц. Устройство для исследования плазмы, создаваемой импульсами лазера, состоит из вакуумной камеры с облучаемой мишенью, время-пролетной трубы, электростатического анализатора энергоспектра ионов, детектора заряженных частиц, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ), датчика импульса лазерного излучения и двухканального осциллографа. Пролетная труба комплектуется вставкой известной длины, с использованием которой проводятся дополнительные калибровочные измерения, результатом которых является определение длины пролета ионов и временная привязка времен вылета ионов из мишени с импульсом лазерного излучения. Техническим результатом является повышение точности определения длины пролета, устранение систематической ошибки измерения времени прилета и энергии ионов, а также возможность прямого измерения времен вылета ионов различной энергии и зарядности из плазмы на масштабе длительности лазерного импульса за счет увеличения точности восстановления энергетических спектров разлета ионов. 2 ил.

Устройство для исследования ионного потока плазмы, создаваемой нагревом с помощью импульсного источника лазерного излучения, содержащее вакуумную камеру с мишенью, присоединенную к ней по оси разлета пролетную трубу, электростатический цилиндрический анализатор энергоспектра ионов и детектор заряженных частиц, в качестве которого используют вторичный электронный умножитель (ВЭУ), сигнал которого заводится на вход осциллографа, отличающееся тем, что для повышения точности абсолютных измерений энергии и времен прилета ионов до уровня, определяемого только спектральным разрешением анализатора, схема измерений комплектуется вставкой известной длины, с использованием которой проводится дополнительное измерение времен прилета ионов, позволяющее вычислить точное значение полной длины пролета, при этом для определения времени вылета ионов относительно лазерного импульса, на второй вход осциллографа подключается сигнал с детектора лазерного излучения.