Способ и устройство формирования набора лазерных мишеней Российский патент 2024 года по МПК H05H6/00 

Группа изобретений 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.

Один из вариантов газовых мишеней - мишень, представляющая собой герметичную капсулу, содержащую газ с характерным давлением около одной атмосферы, причем со стороны ввода лазерного излучения в качестве стенки капсулы используется ультратонкая металлическая фольга (толщина порядка 100 нм). При воздействии лазерного импульса фольга разрушается, причем в силу своей малой толщины не искажает существенным образом эффекты взаимодействия излучения лазера с содержащимся в капсуле газом. Пример такой мишени описан в патенте RU 2776420 «Газонаполненная лазерная мишень» (публ. 19.07.2022 г., МПК G21G 4/02). Такая мишень в отличие от мишеней других известных типов (твердотельная, струйная) является одноразовой из-за того, что разрушается первым импульсом лазера. Однако в некоторых экспериментах, чтобы собрать достаточное количество данных, необходимо обеспечить серию последовательных взаимодействий мишеней с лазерным импульсом. Кроме того, практическое использование таких капсульных мишеней может быть затруднено быстрой потерей газа из объема капсулы из-за диффузии через тонкую пленку. Для преодоления указанной трудности возможно наполнять капсулу газом непосредственно перед использованием - в вакуумной камере за короткий временной промежуток до лазерного импульса.

В качестве прототипа выбраны способ и устройство для генерации капельных мишеней для лазерно-плазменных источников экстремального ультрафиолетового излучения, описанные в патенте US 9232624 «Target for laser produced plasma extreme ultraviolet light source» (МПК G03F 7/20, H05G 2/00, публ. 05.01.2016 г.). Отдельные капли рабочего вещества, представляющие собой мишени, поочередно поступают в область взаимодействия с лазерным импульсом. Капли перемещаются баллистически. Недостатком известных способа и устройства для его реализации является невозможность реализовать доставку в область взаимодействия набора мишеней, рабочим веществом в которых является газ.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка способа и устройства формирования набора лазерных мишеней, представляющих собой корпуса, наполненные рабочим газом.

Технический результат в части способа достигается за счет того, что разработанный способ формирования набора лазерных мишеней так же, как и способ-прототип включает поочередную доставку мишеней в зону взаимодействия с излучением. Новым является то, что применяют мишени в виде емкостей, заполненных рабочим газом, причем их наполнение осуществляют непосредственно перед использованием, при этом емкости доставляют в зону взаимодействия ленточным транспортером, а доставку мишеней в зону взаимодействия с излучением и наполнение мишеней рабочим газом осуществляют в условиях высокого вакуума.

Технический результат в части устройства достигается за счет того, что разработанное устройство формирования набора лазерных мишеней так же, как и устройство-прототип включает в себя мишени, поочередно доставляемые в зону взаимодействия с излучением, блок доставки мишени в зону реакции. Новым является то, что каждая мишень представляет собой емкость для рабочего газа, при этом корпус емкости имеет поверхность с отверстием, которая приводится в контакт с газовым клапаном и отполирована для обеспечения вакуумного уплотнения, при этом корпуса равномерно размещены на ленточном транспортере, снабженном блоком позиционирования корпуса на газовый клапан, объем выходного канала газового клапана соизмерим с объемом емкости мишени, при этом все части устройства, в том числе контейнер для сбора корпусов отработанных мишеней, расположены в условиях высокого вакуума.

В частном случае реализации разработанного устройства блок позиционирования корпуса мишени представляет собой размещенную на моторизированном 2D приводе вилку.

В другом частном случае лента ленточного транспортера имеет магнитное покрытие, а корпуса мишеней выполнены из ферромагнитного материала.

Группа изобретений поясняется следующими фигурами.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства.

На фиг. 2 схематично изображен корпус мишени и два его взаимно перпендикулярных поперечных сечения.

На фиг. 3 схематично представлен вариант конструкции газового клапана.

Разработанное устройство формирования набора лазерных мишеней включает в себя корпуса 1 лазерных мишеней, поочередно доставляемые в зону взаимодействия с излучением, ленточный транспортер 2, снабженный блоком позиционирования 3 корпуса 1 лазерной мишени на газовый клапан 4, а также контейнер 5 для сбора корпусов 1 отработанных мишеней. Все части устройства расположены в условиях высокого вакуума.

Лазерные мишени (фиг. 2) состоят из металлического корпуса 1 и одной или двух тонкопленочных стенок 6, разрушаемых под воздействием лазерного излучения.

Принцип работы заявленного устройства (фиг. 1) в соответствии с разработанным способом заключается в следующем.

Незаправленные (пустые) корпуса 1 лазерных мишеней с равным интервалом друг относительно друга устанавливают на ленточный транспортер 2. Производят откачку воздуха из вакуумной камеры, в которой установлено разработанное устройство. В частном случае конструкция ленточного транспортера 2 может предусматривать в качестве меры по недопущению смещения корпусов 1 мишеней в процессе транспортировки дополнительную фиксацию за счет применения ленты с магнитным покрытием и выполнения корпусов 1 мишеней из ферромагнитного материала. Транспортер 2 движется прерывисто с равным шагом, учитывая расстояние между корпусами 1. В момент остановки ленты корпус 1, достигший края транспортера 2, с помощью блока позиционирования 3 размещают над отверстием газового клапана 4.

В частном случае блок позиционирования 3 корпуса 1 мишени представляет собой размещенную на моторизированном 2D приводе вилку 7. Блок позиционирования 3, в том числе 2D приводы перемещения, и ленточный транспортер 2 разработаны в соответствии с требованиями работы в условиях высокого вакуума: применяется тефлоновая изоляция проводов, смазка с низким давлением насыщенного пара. Вилка 7 опускается на корпус 1 сверху, а затем движется с ним в горизонтальном направлении до позиционирования отверстия в корпусе 1 по центру газового клапана 4. Затем вилка 7 подачи корпуса 1 мишени вертикальным перемещением поджимает его к уплотнительному кольцу 8 клапана 4. После обеспечения герметичности соединения клапан 4 открывается, в результате чего в корпусе 1 устанавливается давление, равное давлению на входе в клапан 4. После закрытия клапана 4 производится облучение мишени сфокусированным лазерным импульсом. Лазерный импульс разрушает тонкопленочную стенку 6 корпуса 1 (см. фиг. 2) и взаимодействует с плазмой, образованной продуктами абляции стенки 6 и содержащимся в корпусе 1 газом. Регистрируются физические результаты взаимодействия, представляющие интерес для конкретного эксперимента (рентгеновское излучение, потоки ускоренных частиц и т.п.). Далее ленточный транспортер 2 совершает перемещение еще на один шаг, привод вилки 7 подачи перемещает ее и захватывает следующий корпус 1. Следующим движением по перемещению корпуса 1 на газовый клапан 4, ранее отработанный корпус 1 сталкивается в контейнер 5 для сбора корпусов 1 отработанных мишеней.

Газовый клапан 4, используемый в разработанном устройстве (фиг. 3), может включать в себя корпус с входным 9 и выходным 10 газовыми каналами, подвижный шток 11 с запорным элементом 12 на конце. Подвижная часть клапана приводится в действие электромагнитом 13, позволяющим работать в импульсном режиме, а ее герметичность обеспечивается гибким сильфоном 14. Уплотнительное кольцо 8 обеспечивает вакуумно-плотное соединение клапана 4 и корпуса 1 лазерной мишени. Подпружиненная площадка 15 позволяет перемещать корпус 1 мишени до оси выходного канала 10 без трения по уплотнительному кольцу 8. Объем выходного канала 10 газового клапана 4 ограничен величиной, сравнимой с объемом корпуса 1 мишени, для минимизации рисков выхода из строя вакуумных насосов при разрыве тонкопленочной стенки 6 корпуса 1 мишени. Для этой же цели газовый клапан 4 обеспечивает малый расход газа за счет малого сечения каналов 9 и 10 и малой длительности открывающего клапан 4 импульса - это необходимо в случае разрыва тонкопленочной стенки 6 в процессе наполнения корпуса 1. Прижим корпуса 1 мишени к уплотнительному кольцу 8 осуществляется вертикальным перемещением вилки 7 подачи корпуса 1 моторизованного 2D привода. Вакуумное уплотнение обеспечивается также полировкой грани корпуса 1 мишени, которая приводится в контакт с газовым клапаном 4. При ходе вилки 7 подачи корпуса 1 мишени вниз площадка 15 также смещается вниз за счет сжатия пружины, обеспечивая возможность прилегания корпуса 1 к уплотнительному кольцу 8. Для того чтобы избежать жесткого упора края площадки 15, прилегающего к ленточному транспортеру 2, в ролик транспортера 2 при смещении площадки 15 вниз, она выполнена из достаточно тонкой пластины, способной изгибаться при контакте с роликом. А для минимизации риска поломки турбомолекулярного вакуумного насоса при выходе из строя клапана 4 его корпус и трубопровод подачи газа имеют малый внутренний объем.

Таким образом, разработанные способ и устройство позволяют формировать набор лазерных мишеней, представляющих собой корпуса, поочередно наполняемые рабочим газом. Предложенные способ и устройство дают возможность избежать потери газа, связанной с диффузией через тонкопленочную стенку корпуса мишени, за счет минимизации промежутка времени между наполнением корпуса газом и применением его в качестве лазерной мишени.

Изобретение относится к средствам для изучения 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. Устройство формирования набора лазерных мишеней включает мишени, поочередно доставляемые в зону взаимодействия с излучением, блок доставки мишени в зону реакции, причем каждая мишень представляет собой емкость для рабочего газа. Корпус емкости имеет отполированную поверхность с отверстием, приводимую в контакт с газовым клапаном, при этом корпусы емкостей равномерно размещены на ленточном транспортере, снабженном блоком позиционирования корпуса на газовый клапан. Объем выходного канала газового клапана соизмерим с объемом емкости мишени. Все части устройства, в том числе контейнер для сбора корпусов отработанных мишеней, расположены в условиях высокого вакуума. Техническим результатом является предотвращение потери газа, связанной с диффузией через тонкопленочную стенку капсулы. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ формирования набора лазерных мишеней, включающий поочередную доставку мишеней в зону взаимодействия с излучением, отличающийся тем, что применяют мишени в виде емкостей, заполненных рабочим газом, причем их наполнение осуществляют непосредственно перед использованием, при этом емкости доставляют в зону взаимодействия ленточным транспортером, а доставку мишеней в зону взаимодействия с излучением и наполнение мишеней рабочим газом осуществляют в условиях высокого вакуума.

2. Устройство формирования набора лазерных мишеней, использующее способ по п. 1, включающее в себя мишени, поочередно доставляемые в зону взаимодействия с излучением, блок доставки мишени в зону реакции, отличающееся тем, что каждая мишень представляет собой емкость для рабочего газа, при этом корпус емкости имеет поверхность с отверстием, которая приводится в контакт с газовым клапаном и отполирована для обеспечения вакуумного уплотнения, при этом корпусы равномерно размещены на ленточном транспортере, снабженном блоком позиционирования корпуса на газовый клапан, объем выходного канала газового клапана соизмерим с объемом емкости мишени, при этом все части устройства, в том числе контейнер для сбора корпусов отработанных мишеней, расположены в условиях высокого вакуума.

3. Устройство формирования набора лазерных мишеней по п. 2, отличающееся тем, что блок позиционирования корпуса мишени представляет собой размещенную на моторизированном 2D-приводе вилку.

4. Устройство формирования набора лазерных мишеней по п. 2 или 3, отличающееся тем, что лента ленточного транспортера имеет магнитное покрытие, а корпусы мишеней выполнены из ферромагнитного материала.