Газонаполненная лазерная мишень Российский патент 2022 года по МПК G21G4/02 

Изобретение относится к разделу экспериментальной физики, изучающему взаимодействие мощного лазерного излучения с газовыми средами, в частности, эффекты генерации в газах гармоник высокого порядка, ускорения электронов в сопровождающем лазерный импульс электрическом поле, генерации в лазерных плазмах бетатронного излучения и коротковолнового излучения многозарядных ионов.

Газовые мишени разных типов широко используются при создании современных лазерно-плазменных источников ускоренных частиц. Внутри вакуумного объема размещается газовая мишень, на границу которой фокусируется лазерное излучение. Лазерно-плазменное взаимодействие, приводящее к генерации пучков ускоренных электронов, происходит при распространении сфокусированного лазерного излучения через газовую среду.

Основными типами используемых в настоящее время газовых мишеней являются: газовые струи, формируемые с помощью импульсных клапанов и газовых сопел специального профиля, и газовые ячейки, представляющие собой небольшую камеру, размещаемую в вакуумном объеме.

Газовые струи чаще упоминаются в работах по генерации экстремального ультрафиолетового и мягкого рентгеновского (MP) излучения при фокусировке на мишени лазерных импульсов наносекундной длительности. В качестве источника струи газа могут применяться одиночные импульсные сопла с оптимизированным профилем поперечного сечения (Semushin S., Malka V. High density gas jet nozzle design for laser target production // Review of Scientific Instruments - 2001 - T. 72 - №7 - c. 2961-2965). Характерный размер отверстия сопла в наиболее узкой части составляет несколько сотен микрометров. Одиночное коническое сопло, работающее на азоте, позволяет получить линейчатый MP спектр с яркой линией на длине волны 2,9 нм ( М. et al. Table-top soft x-ray microscope using laser-induced plasma from a pulsed gas jet // Optics express - 2014 - T. 22 - №19 - c. 23489-23495). В усовершенствованных вариантах таких мишеней плотность в струе может быть повышена за счет обжатия потока более легким газом, истекающим из расположенного соосно с основным вспомогательного сопла кольцеобразного выходного сечения (de Bruijn R. et al. Characterization of a novel double-gas-jet laser plasma EUV source // Emerging Lithographic Technologies IV - International Society for Optics and Photonics, 2000 - T. 3997 - c. 157-161; Wachulak P. et al. NEXAFS at nitrogen K-edge and titanium L-edge using a laser-plasma soft x-ray source based on a double-stream gas puff target // APL Photonics - 2019 - T. 4 - №3 - c. 030807; Wachulak P. et al. 1-keV emission from laser-plasma source based on an Xe/He double stream gas puff target // Optics Express - 2021 - T. 29 - №13 - c. 20514-20525). Также известен вариант мишени со столкновением двух струй газа, истекающих из близко расположенных под углом друг к другу сопел (Holburg J., М., Mann K. Improved gas-jet based extreme ultraviolet, soft X-ray laser plasma source // Optics Express - 2021 - T. 29 - №5 - c. 6620-6628).

По заявке CN 1300179 «Laser plasma soft X-ray source with jet target» (опубл. 20.06.2001 г., МПК H05G 2/00) известно устройство, которое относится к традиционным мишеням для лазерно-плазменных источников и описывает взаимодействие лазерного импульса со струей газа.

В авторском свидетельстве SU 1639405 «Мишенное устройство» (опубл. 30.12.1993 г., МПК Н05Н 6/00, G21B 1/02) и в заявке JP 2005285675 «Gas target formation device and formation method» (опубл. 13.10.2005 г., H01J 37/077, H01J 37/08, H05G 2/00, H05H 1/24, H01J 27/24) описаны традиционные газовые мишени с профилированным соплом или соплом Лаваля. В устройстве, описанном в SU 1639405, отсутствует какое-либо отделение газа от вакуумного объема с целью формирования повышенного градиента давлений на границе газ-вакуум. В JP 2005285675 сопло Лаваля в совокупности с импульсным истечением газа в вакуумную камеру предполагает листовидную газовую мишень с более равномерным распределением плотности.

Основным недостатком газовых струй является высокая степень неоднородности профиля газа. К тому же, характерная ширина границы между газом и вакуумом для этого типа газовых мишеней составляет величину порядка миллиметра, что оказывается слишком большой величиной для некоторых режимов лазерно-плазменного взаимодействия.

Другим типом газовой мишени являются газовые ячейки. В экспериментах по генерации в газах высоких гармоник лазерного излучения применяются ячейки с прозрачным для фокусируемого лазерного импульса входным окном. Фокусировка осуществляется в область вблизи задней стенки, в которой либо может быть выполнено малое отверстие для прохождения импульса и гармоник (von Conta A., Huppert М., Worner H.J. A table-top monochromator for tunable femtosecond XUV pulses generated in a semi-infinite gas cell: Experiment and simulations // Review of Scientific Instruments - 2016 -T. 87 - №7 - c. 073102), либо отверстие пробивается в тонкой задней стенке сфокусированным импульсом (Sutherland J.R. et al. High harmonic generation in a semi-infinite gas cell // Optics Express - 2004 - T. 12 - №19 - c. 4430-4436).

В мишени, описанной в заявке JPH 01254900 «Gas target apparatus and manufacture radio isotope using the same» (опубл. 11.10.1989 г., МПК G21G 1/10, G21K 5/08), предлагается использование металлических фольг с целью предотвратить загрязнение окружающей среды радиоактивным веществом и потерю концентрированного целевого газа из-за разрыва мембраны входного окна.

Наиболее близким по конструкции является устройство, описанное в патенте US 4945251 «Gas target device» (опубл. 31.07.1990 г., МПК G21G 1/04, G21G 1/00, Н05Н 6/00, H01J037/08, НК США 250/492.1, 250/505.1, 376/194, 976/DIG.398). Газовая мишень представляет собой герметичную газонаполненную камеру, торцевая стенка которой, служащая для ввода ионов высокой энергии (10-30 МэВ), содержит окно, а боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру. Окно закрыто металлической пленкой, непрозрачной для газа, но прозрачной для заряженных частиц. Газовая мишень, описанная в US 4945251, является источником радиоизотопов. Производство некоторых радиоизотопов требует облучения высокообогащенных моноизотопных газов ионами высокой энергии при повышенном давлении. Поскольку в допустимом диапазоне энергий от 10 МэВ до 30 МэВ заряженные частицы ранее быстро теряли свою энергию в твердых телах, необходимо предусмотреть очень тонкие входные пленки в качестве окон на так называемых газовых мишенях. Для столь высоких энергий частиц тонкими являются пленки толщиной несколько десятков микрометров. Для лазерно-плазменных экспериментов требуются толщины на 2-3 порядка меньше, иначе взаимодействие лазерного импульса будет происходить с плазмой твердотельной пленочной мишени, а не с газовым наполнением.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка газовой мишени с чрезвычайно резкой границей между газом и вакуумом, то есть с шириной границы, не превышающей длины перетяжки пучка лазерного излучения, в результате чего эффекты взаимодействия лазерного импульса с газом преобладают над эффектами взаимодействия лазерного импульса с веществом входного окна газовой мишени.

Технический результат в разработанной газовой мишени достигается за счет того, что она, как и прототип, включает герметичную газонаполненную камеру, первая торцевая стенка которой, служащая для ввода излучения, содержит первое окно, закрытое металлической пленкой, а боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру. Новым в разработанной газовой мишени является то, что металлическая пленка выполнена из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм, способная выдержать давление, по крайней мере, в 1 атм, при этом количество вещества пленки, разрушаемой лазерным излучением, не превышает количество вещества газового содержимого камеры.

В частном случае вторая торцевая стенка герметичной газонаполненной камеры также выполнена из разрушаемой лазерным излучением металлической пленки с толщиной не более 0,2 мкм, способной выдержать давление, по крайней мере, 1 атм.

В ряде лазерно-плазменных экспериментов желательно создать максимально резкий перепад концентрации газа в области фокусировки лазерного импульса, что труднодостижимо с существующими конструкциями мишеней, в особенности при необходимости работы с повышенным (масштаба одной - нескольких атмосфер) давлением газа.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 схематично изображена конструкция газовой мишени.

На фиг. 2 показан принцип работы газовой мишени.

Разработанная газовая мишень, показанная на фиг. 1 с разных сторон, содержит герметичную газонаполненную камеру 1, первое окно 2 и предварительно изготовленное сквозное отверстие 3 в боковой стенке камеры 1 для заправки газового содержимого, а также для возможности компенсации потерь газа. В частном случае реализации разработанного устройства герметичная газонаполненная камера 1 включает в себя второе окно 4.

Работает заявленное устройство следующим образом.

Лазерное излучение 5, пройдя через линзу, попадает в герметичную газонаполненную камеру 1 через первое окно 2, расположенное на первой торцевой стенке камеры 1. Первое окно 2 представляет собой отверстие, закрытое металлической пленкой субмикронной толщины. Такая очень тонкая пленка образует резкую границу между газом в камере 1 и вакуумом. Переходная область, равная ширине пленки, составляет не более 0,2 мкм.

В частном случае реализации изобретения, согласно п. 2 формулы, камера 1 имеет второе окно 4, расположенное на второй торцевой стенке, напротив первого окна 2. Второе окно 4 также представляет собой отверстие, закрытое металлической пленкой субмикронной толщины.

Под действием лазерного излучения 5 пленка, закрывающая первое окно 2, разрушается, а основное тело импульса взаимодействует с содержавшимся в камере 1 газом, вызывая эффекты, характерные для такого взаимодействия. Чтобы картина взаимодействия не маскировалась эффектами, связанными с лазерной абляцией пленки входного первого окна 2, количество вещества пленки на трассе лазерного импульса не должно превышать количество вещества газового содержимого камеры 1. Из-за очень малой толщины пленки вклад в спектр излучения от атомов, составляющих ее, будет минимальным.

В конкретной реализации устройства пленка изготавливалась из кремния (Si) толщиной 200 нм, диаметр первого окна 2 составлял 1 мм, объем герметичной газонаполненной камеры 1 равен 1 мм³.

Количество вещества пленки рассчитывается по формуле:

где m - масса вещества, М - молярная масса вещества, **ρ - плотность вещества, V - объем вещества.

Для кремния: M(Si)=28 г/моль, ρ(Si)=2,3 г/см³.

Объем пленки можно найти по формуле: V=π⋅r²⋅d,

где r - радиус разрушаемой пленки, равный радиусу первого окна 2,

d - толщина пленки.

Тогда V=3,14⋅(0,05)²⋅(2⋅10^-5)=1,5⋅10^-7 (см³),

ν(Si)=(2,3⋅1,5⋅10^-7)/28=1,2⋅10^-8 (моль).

Количество вещества газового содержимого камеры 1 рассчитывается по формуле:

где V_г - объем герметичной газонаполненной камеры 1,

V_m - молярный объем газа.

ν(газа)=(1⋅10^-3)/(22,4⋅10³)=4,5⋅10^-8 (моль).

Таким образом, при максимальной заявленной толщине пленки 0,2 мкм, минимальном заявленном давлении 1 атм и объеме камеры 1 в 1 мм (минимальный объем, в котором возможно осуществить взаимодействие лазерного импульса с газом) количество вещества пленки (ν(Si)=1,2⋅10^-8 моль) почти в 4 раза меньше, чем количество вещества газового содержимого камеры 1 (ν(газа)=4,5⋅10^-8 моль). При других возможных параметрах (толщине пленки, объеме газовой камеры 1, давлении газа внутри камеры 1) количество вещества пленки и количество вещества газа будут отличаться еще больше. Согласованные вариации таких параметров устройства возможны в значительных пределах в зависимости от задач конкретного эксперимента.

Используемые в изобретении тонкие пленки из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм были разработаны и изготовлены авторами первоначально для пленочных абсорбционных фильтров с полосами прозрачности в мягком рентгеновском и экстремальном ультрафиолетовом диапазонах длин волн. Такие образцы описаны, например в статьях: «Свободновисящие пленочные структуры для лазерно-плазменных экспериментов / Е.Б. Клюенков, А.Я. Лопатин, В.И. Лучин [и др.] // Квантовая электроника. - 2013. - Т. 43. - №4. - С.388-391; Chkhalo N. I. et al. Study of heat induced changes in elastic properties of multilayer Mo/ZrSi2 membranes //Thin Solid Films. - 2017. - T. 631. - C. 93-98. При изучении механической прочности тонкопленочных фильтров было установлено, что перепад давления масштаба 1 атм на апертуре диаметром 1 мм способны выдержать без разрушения субмикронные пленки различного состава. Пленки же из ряда наиболее прочных материалов, например, многослойная пленка из чередующихся слоев молибдена и силицида циркония, выдерживает давление в 1 атм уже при толщине порядка 0,1 мкм. Минимальные же толщины пленок данного состава составляют около 0,025 мкм.

В случае, когда второе окно 4 закрыто фольгой или пленкой (металл) субмикронной толщины не более 0,2 мкм, лазерная мишень может применяться для получения лазерно-плазменных пучков ускоренных электронов и для лазерно-плазменной генерации мягкого рентгеновского (бетатронного) излучения в диапазоне 1 кэВ и более (точная цифра нижней границы энергии пропускания рентгеновского излучения зависит от толщины и материала пленки, закрывающей второе окно 4).

В случае, когда второе окно 4 закрыто фольгой или пленкой с гораздо большей толщиной (10-100 мкм), чем первое окно 2, лазерная мишень может применяться для получения лазерно-плазменных пучков ускоренных электронов и для лазерно-плазменной генерации рентгеновского (бетатронного) излучения в диапазоне 10 кэВ и более (точная цифра нижней границы энергии пропускания рентгеновского излучения зависит от толщины и материала пленки, закрывающей второе окно 4).

Изобретение относится к разделу экспериментальной физики, к газовой мишени, которая может использоваться при изучении взаимодействия мощного лазерного излучения с газовыми средами, в частности эффектов генерации в газах гармоник высокого порядка, ускорения электронов в сопровождающем лазерный импульс электрическом поле, генерации в лазерных плазмах бетатронного излучения и коротковолнового излучения многозарядных ионов. Газовая мишень включает герметичную газонаполненную камеру, первая торцевая стенка которой содержит первое окно, закрытое металлической пленкой из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм, способной выдержать давление, по крайней мере, в 1 атм. Причем боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру. Количество вещества пленки, разрушаемой лазерным излучением, не должно превышать количество вещества газового содержимого камеры. Техническим результатом является преобладание эффектов взаимодействия лазерного импульса с газом над эффектами взаимодействия лазерного импульса с веществом входного окна газовой мишени, посредством создания резкой границы между газом и вакуумом, с шириной границы, не превышающей длины перетяжки пучка лазерного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Газовая мишень, включающая герметичную газонаполненную камеру, первая торцевая стенка которой, служащая для ввода излучения, содержит первое окно, закрытое металлической пленкой, а боковая стенка камеры имеет отверстие для ввода газа в камеру, отличающаяся тем, что металлическая пленка выполнена из разрушаемого лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм, способная выдержать давление, по крайней мере, в 1 атм, при этом количество вещества пленки, разрушаемой лазерным излучением, не превышает количества вещества газового содержимого камеры.

2. Газовая мишень по п. 1, отличающаяся тем, что вторая торцевая стенка камеры содержит второе окно, закрытое металлической пленкой из разрушаемой лазерным излучением материала толщиной не более 0,2 мкм, способной выдержать давление, по крайней мере, 1 атм.