RU181132U1

RU181132U1 - LASER SOURCE OF MULTI-CHARGED IONS WITH ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE

Info

Publication number: RU181132U1
Application number: RU2018108003U
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Турчин
Priority date: 2018-03-06
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2018-07-05

Abstract

Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, состоящий из корпуса с вакуумным насосом, удаляющим из корпуса балластный (фоновый) газ, лазера, установленного на корпусе, мишени, которая установлена в первой ступени данного источника ионов таким образом, что излучение лазера, проходя через мембрану в корпусе, прозрачную для лазерного излучения, попадает на мишень в области центральной продольной оси и генерирует лазерную плазму с высокой плотностью частиц. Плазма, содержащая многозарядные ионы материала мишени, дрейфуя в продольном направлении с кинетической энергией ионов порядка нескольких кэВ, попадает во вторую ступень. Во второй ступени осуществляется дополнительное увеличение зарядового состояния ионов плазмы в результате многократной ударной ионизации их электронами с энергией (температурой), увеличенной в результате электронного циклотронного резонанса. Нагрев электронов и удержание заряженных частиц плазмы во второй ступени реализуются подачей в нее СВЧ-электромагнитных колебаний по волноводу от генератора переменного СВЧ-электрического поля и наличием в ней магнитного поля сложной конфигурации с минимальной величиной на центральной продольной оси источника. Такое магнитное поле создается суперпозицией продольного, аксиально-симметричного магнитного поля, формируемого установленными на корпусе электромагнитными соленоидами, и мультипольного магнитного поля, величина которого на центральной продольной оси источника приближается к нулю и резко нарастает в пристеночной области. Это магнитное поле создается на всем протяжении второй ступени при помощи постоянных магнитов из SmCo, установленных по периметру корпуса как предложено в настоящей полезной модели. Отбор ионов из плазмы и формирование ионного пучка осуществляются при помощи электродов системы экстракции и ускорения ионов, установленных на выходе данного источника ионов. Создание на начальном этапе лазерной плазмы с большим содержанием многозарядных ионов и высокой скоростью продольного движения заряженных частиц позволяет уменьшить потери ионов при перезарядке и уходе из области ионизации в магнитной ловушке с дополнительной ионизацией их электронами, температура которых повышена при помощи электронного циклотронного резонанса. Перечисленные выше факторы способствуют увеличению интенсивности и зарядового состояния ионного пучка на выходе источника, предлагаемого в качестве полезной модели, а также увеличению мощности лазерного излучения. 2 ил.A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance, consisting of a housing with a vacuum pump that removes ballast (background) gas from the housing, a laser mounted on the housing, a target, which is installed in the first stage of this ion source in such a way that the laser radiation passing through a membrane in the body, transparent to laser radiation, hits the target in the region of the central longitudinal axis and generates a laser plasma with a high particle density. A plasma containing multiply charged ions of the target material, drifting in the longitudinal direction with a kinetic energy of ions of the order of several keV, enters the second stage. In the second stage, an additional increase in the charge state of plasma ions occurs as a result of multiple impact ionization by their electrons with energy (temperature) increased as a result of electron cyclotron resonance. The heating of electrons and the confinement of charged plasma particles in the second stage are realized by applying microwave electromagnetic waves to it through a waveguide from an alternating microwave electric field generator and the presence of a complex magnetic field in it with a minimum value on the central longitudinal axis of the source. Such a magnetic field is created by a superposition of a longitudinal, axially symmetric magnetic field generated by electromagnetic solenoids mounted on the housing, and a multipole magnetic field, the value of which on the central longitudinal axis of the source approaches zero and increases sharply in the wall region. This magnetic field is created throughout the second stage using permanent magnets from SmCo mounted around the perimeter of the housing as proposed in this utility model. The selection of ions from the plasma and the formation of the ion beam are carried out using the electrodes of the extraction and acceleration of ions installed at the output of this ion source. The creation of a laser plasma at the initial stage with a high content of multiply charged ions and a high velocity of longitudinal movement of charged particles allows one to reduce the loss of ions during recharging and moving away from the ionization region in a magnetic trap with additional ionization by electrons, the temperature of which is increased by electron cyclotron resonance. The factors listed above contribute to an increase in the intensity and charge state of the ion beam at the output of the source proposed as a utility model, as well as an increase in the power of laser radiation. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к генераторам ионных пучков с высоким зарядовым состоянием и может использоваться в ускорителях многозарядных ионов и экспериментах по атомной физике.The utility model relates to high charge state ion beam generators and can be used in multiply charged ion accelerators and atomic physics experiments.

Известны двухступенчатые источники многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом (ЭЦР-источники) в первой ступени которых плазма образуется ионизацией газа переменным электрическим полем сверх высокой частоты (СВЧ-электрическим полем) при давлениях ~ (10^-3-10^-4) Торр с последующим увеличением зарядового состояния ее ионов во второй ступени путем ступенчатой ударной ионизации плазменными электронами в магнитной ловушке со сложной конфигурацией магнитного поля при давлении ~ (10^-6-10^-7) Торр, электронами, ускоренными СВЧ-электрическим полем, как правило, более высокой частоты (R. Geller, Proceedings of the 8th International Conference on Cyclotrons and Their Applications, Bloomington, Indiana, September 1978, IEEE, p. 2120).Known are two-stage sources of multiply charged ions with electron cyclotron resonance (ECR sources) in the first stage of which the plasma is formed by ionization of the gas by an alternating electric field of super high frequency (microwave electric field) at pressures of ~ (10 ^-3 -10 ^-4 ) Torr with a subsequent increase its charge state of the ions in the second stage by a stepped impact ionization plasma electrons in a magnetic trap with a complex configuration of the magnetic field at a pressure of ~ (10 ^-6 -10 ^-7) torr, electrons accelerated microwave RE cal field, typically higher frequency (R. Geller, Proceedings of the 8th International Conference on Cyclotrons and Their Applications, Bloomington, Indiana, September 1978, IEEE, p. 2120).

Недостаток, малое зарядовое состояние ионов и низкая интенсивность ионного пучка на выходе ЭЦР-источников такого типа, вызванные потерями ионов при удержании и перезарядке на нейтральных атомах рабочего газа в процессе дрейфа плазмы через вторую ступень. Большое количество нейтральных атомов в этой ступени обусловлено перетеканием рабочего газа из области высокого давления в первой ступени в область более низкого давления во второй ступени и малой величиной скорости продольного дрейфа плазмы в направлении экстракции ионов, в основном, определяющейся перепадом давления между первой и второй ступенями ЭЦР-источника (Я. Браун, Физика и технология источников ионов, М, Мир, 1998, с. 223-247).The disadvantage, the low charge state of the ions and the low intensity of the ion beam at the output of ECR sources of this type are caused by the loss of ions during confinement and recharging at neutral atoms of the working gas during plasma drift through the second stage. A large number of neutral atoms in this stage is due to the flow of the working gas from the high-pressure region in the first stage to the lower-pressure region in the second stage and the small velocity of the longitudinal plasma drift in the direction of ion extraction, mainly determined by the pressure drop between the first and second stages of ECR -source (J. Brown, Physics and technology of ion sources, M, Mir, 1998, pp. 223-247).

Широко известны лазерные источники многозарядных ионов, в которых луч лазера ионизирует и испаряет материал мишени. Образующаяся плазменная струя распространяется в пролетном канале таких источников в направлении наибольшего градиента гидродинамического давления перпендикулярно поверхности мишени со скоростью дрейфа соответствующей энергии в несколько кэВ (Я. Браун, Физика и технология источников ионов, М, Мир, 1998, с. 323-337). В многозарядном лазерном источнике ионов, состоящем из CO2-лазера, углеродной мишени, пролетного канала и электростатического анализатора, продольная скорость дрейфа ионов углерода в пролетном канале от мишени в сторону экстракции соответствует диапазону энергий, порядка 1-10 кэВ (Ю.А. Сатов, А.В. Шумшуров, А.А. Васильев и др. Развитие техники времяпролетных измерений в плазме, создаваемой CO2-лазером, 2017, ПТЭ №4, с. 108-114). Недостаток, малое зарядовое состояние ионов, вызванное отсутствием их удержания и потерями ионов при перезарядке на нейтральных атомах балластного газа в процессе дрейфа плазмы в пролетном канале.Laser sources of multiply charged ions are widely known in which a laser beam ionizes and vaporizes the target material. The resulting plasma jet propagates in the passage channel of such sources in the direction of the largest hydrodynamic pressure gradient perpendicular to the target surface with a drift velocity of the corresponding energy of several keV (J. Brown, Physics and Technology of Ion Sources, M, Mir, 1998, p. 323-337). In a multiply charged laser ion source consisting of a CO2 laser, a carbon target, a passage channel and an electrostatic analyzer, the longitudinal drift velocity of carbon ions in the passage channel from the target to the extraction side corresponds to an energy range of the order of 1-10 keV (Yu.A. Satov, A.V. Shumshurov, A.A. Vasiliev, etc. Development of the technique of time-of-flight measurements in a plasma created by a CO2 laser, 2017, PTE No. 4, pp. 108-114). The disadvantage is the low charge state of the ions, caused by the absence of their confinement and loss of ions during recharging on neutral atoms of the ballast gas during plasma drift in the passage channel.

Близким к настоящему решению является двухступенчатый ЭЦР-источник ионов, состоящий из: корпуса на котором установлен электромагнитный соленоид для создания аксиально-симметричного магнитного поля в первой ступени, вакуумной станции для откачки балластного газа, трубопровода для подачи в эту ступень рабочего газа, волновода для ввода в нее переменного СВЧ-электрического поля, диафрагмы, отделяющей первую ступень от второй ступени, на корпусе которой установлены электромагнитные соленоиды для формирования в ней аксиально-симметричного магнитного поля и постоянные магниты из SmCo, установленные по периметру корпуса второй ступени таким образом, что они позволяют формировать на всем протяжении этой ступени мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси источника приближается к нулю и резко нарастает при удалении от нее в радиальном направлении, генератора переменного СВЧ-электрического поля, волновода, предназначенного для подачи этого поля во вторую ступень, системы экстракции и ускорения ионов (С.М. Lyneis, Performance of the LBL ECR ion source, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, V. 10-11, Part 2, 1985, 775-778).Close to this solution is a two-stage ECR ion source, consisting of: a housing on which an electromagnetic solenoid is mounted to create an axially symmetric magnetic field in the first stage, a vacuum station for pumping ballast gas, a pipeline for supplying working gas to this stage, a waveguide for input into it an alternating microwave electric field, a diaphragm separating the first stage from the second stage, on the body of which electromagnetic solenoids are mounted to form axially symmetrically in it magnetic field and permanent magnets from SmCo installed around the perimeter of the second stage casing in such a way that they allow the formation of a multipole magnetic field throughout the entire stage, the magnitude of which on the central longitudinal axis of the source approaches zero and increases sharply with distance from it in the radial direction, an alternating microwave electric field generator, a waveguide designed to supply this field to the second stage, an ion extraction and acceleration system (S.M. Lyneis, Performance of the LBL ECR ion source, Nucl. Instr. Meth. Phys. Res., Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, V. 10-11, Part 2, 1985, 775-778).

Техническая проблема состоит в малом зарядовом состоянии ионов и низкой интенсивности ионного пучка на выходе ЭЦР-источника ионов, которые вызваны потерями ионов при их удержании и при перезарядке на нейтральных атомах рабочего газа во второй ступени.The technical problem consists in the low charge state of the ions and the low intensity of the ion beam at the output of the ECR ion source, which are caused by loss of ions during their retention and when recharging at neutral atoms of the working gas in the second stage.

Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение зарядового состояния ионного пучка и его интенсивности на выходе источника ионов, а также повышение эффективности использования лазерного излучения - увеличение мощности лазерного излучения за счет установки лазера на корпусе источника.The technical result of the proposed utility model is an increase in the charge state of the ion beam and its intensity at the output of the ion source, as well as an increase in the efficiency of using laser radiation — an increase in the power of laser radiation due to the installation of a laser on the source body.

Сущность примененного в предлагаемой полезной модели отличительного физического свойства, обеспечивающего достижение заявленного технического результата, связана с генерацией в первой ступени первоначальной плазмы ионизацией материала мишени из рабочего вещества излучением лазера, в отличие от ионизации газа электронным циклотронным резонансом, как это принято в большинстве известных аналогов. Такое техническое решение позволяет транспортировать во вторую ступень с магнитной ловушкой первичную плазму, содержащую ионы с высоким зарядовым состоянием, которые затем «обдираются» в ней электронами с увеличенной в результате электронного циклотронного резонанса энергией. Такая плазма характеризуется большой скоростью продольного движения в направлении экстракции ионов и свободна от нейтральных атомов рабочего вещества. Поскольку скорость нейтральных атомов, в основном, определяется их температурой и энергией начального гидродинамического импульса движения и соответствует кинетической энергии, не превосходящей 1 эВ, то при дрейфе плазмы в пролетном канале, из-за большой разности продольных скоростей, происходит разделение во времени нейтральной компоненты и зарядовой компоненты плазмы, которая обладает кинетической энергией кэВ-уровня. Перечисленные факторы способствуют уменьшению потерь ионов в этой ступени, возникающих при перезарядке и повышают эффективность их удержания от ухода на боковые стенки, облегчая экстракцию ионов из плазмы в ионный пучок.The essence of the distinctive physical property used in the proposed utility model that ensures the achievement of the claimed technical result is related to the generation in the first stage of the initial plasma by ionization of the target material from the working substance by laser radiation, in contrast to gas ionization by electron cyclotron resonance, as is customary in most known analogues. Such a technical solution makes it possible to transport a primary plasma containing ions with a high charge state to the second stage with a magnetic trap, which are then "stripped" by electrons in it with increased energy as a result of electron cyclotron resonance. Such a plasma is characterized by a high speed of longitudinal motion in the direction of ion extraction and is free of neutral atoms of the working substance. Since the speed of neutral atoms is mainly determined by their temperature and the energy of the initial hydrodynamic momentum of motion and corresponds to a kinetic energy not exceeding 1 eV, when the plasma drifts in the passage channel, due to the large difference in the longitudinal velocities, the neutral component is separated in time and charge component of the plasma, which has the kinetic energy of the keV level. The listed factors contribute to the reduction of ion losses in this stage that occur during recharging and increase the efficiency of their retention from leaving on the side walls, facilitating the extraction of ions from plasma into the ion beam.

Заявленный технический результат достигается предложенной оригинальной двухступенчатой конструкцией лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, состоящего из: корпуса, установленных на нем электромагнитных соленоидов таким образом, что они позволяют формировать во второй ступени данного источника ионов продольное аксиально-симметричное магнитное поле, постоянных магнитов, установленных по периметру корпуса таким образом, что они позволяют формировать на всем протяжении второй ступени мультипольное магнитное поле, величина которого на центральной продольной оси приближается к нулю и резко нарастает при удалении от нее в радиальном направлении, генератора переменного СВЧ-электрического поля, волновода, предназначенного для ввода переменного СВЧ-электрического поля в эту ступень, системы экстракции и ускорения ионов, и установленных в первой ступени предложенного источника ионов: лазера на корпусе источника и мишени из рабочего вещества на центральной продольной оси таким образом, что обеспечивается попадание на нее излучения лазера в области центральной продольной оси, а также вакуумного насоса, предназначенного для откачки балластного газа. При этом попадание излучения лазера на мишень в области центральной продольной оси обеспечивается перемещением мишени относительно неподвижного лазера, либо перемещением лазера относительно неподвижной мишени, либо перемещением мишени и лазера относительно друг друга.The claimed technical result is achieved by the proposed original two-stage design of a laser source of multiply charged ions with electronic cyclotron resonance, consisting of: a housing, electromagnetic solenoids mounted on it in such a way that they allow the formation of a longitudinal axially symmetric magnetic field, permanent magnets in the second stage of this ion source, installed around the perimeter of the housing in such a way that they allow the formation of a multipo throughout the second stage magnetic field, the value of which on the central longitudinal axis approaches zero and increases sharply with distance from it in the radial direction, an alternating microwave electric field generator, a waveguide designed to introduce an alternating microwave electric field into this stage, ion extraction and acceleration systems , and installed in the first stage of the proposed ion source: a laser on the body of the source and target from the working substance on the central longitudinal axis in such a way that radiation is incident on it I have a laser in the area of the central longitudinal axis, as well as a vacuum pump designed to pump ballast gas. In this case, the laser radiation hit the target in the region of the central longitudinal axis is provided by moving the target relative to the stationary laser, or moving the laser relative to the stationary target, or moving the target and the laser relative to each other.

В отличие от известных аналогов, в предлагаемой полезной модели возникают новые физические свойства, обусловленные предложенными техническими решениями. А именно, в первичной плазме, генерируемой испарением и ионизацией рабочего вещества мишени излучением лазера, содержится большое количество многозарядных ионов, что позволяет транспортировать в ионизационную камеру с магнитной ловушкой плазму с уже высоким зарядовым состоянием ионов и большой скоростью продольного движения ее заряженных частиц по отношению к нейтральной компоненте. Наличие такой направленности движения благоприятствует уменьшению угловой расходимости плазменной струи и, как следствие, адсорбции ионов на боковых стенках, понижает содержание нейтральных атомов рабочего вещества в области с ЭЦР-ионизацией, способствуя уменьшению потерь ионов как на перезарядке, так и в результате их ухода на боковые стенки. Перечисленные выше факторы увеличивают зарядовое состояние и интенсивность ионного пучка на выходе полезной модели, а также увеличение мощности лазерного излучения, обеспечивая достижение заявленного технического результата.In contrast to the known analogues, in the proposed utility model, new physical properties arise due to the proposed technical solutions. Namely, the primary plasma generated by the evaporation and ionization of the target working substance by laser radiation contains a large number of multiply charged ions, which makes it possible to transport a plasma with an already high charge state of ions and a high speed of longitudinal movement of its charged particles into the ionization chamber with a magnetic trap neutral component. The presence of such a direction of motion favors a decrease in the angular divergence of the plasma jet and, as a result, adsorption of ions on the side walls, lowers the content of neutral atoms of the working substance in the region with ECR ionization, contributing to a decrease in ion losses both on recharging and as a result of their departure to the side the walls. The factors listed above increase the charge state and intensity of the ion beam at the output of the utility model, as well as increase the power of laser radiation, ensuring the achievement of the claimed technical result.

Краткое описание чертежей:Brief Description of the Drawings:

Рис. 1 Схема, поясняющая работу лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом.Fig. 1 Scheme explaining the operation of a laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance.

Источник ионов состоит из корпуса 1, балластный газ из которого откачивается при помощи вакуумного насоса 2, мишени 3, установленной на центральной продольной оси и содержащей рабочее вещество, генератора переменного СВЧ-электрического поля 4, волновода 5, по которому переменное электрическое СВЧ-поле вводится в область магнитной ловушки, лазера 6, установленного на корпусе 1, мишени 3, установленной на центральной продольной оси таким образом, что излучение лазера через мембрану, прозрачную для лазерного излучения, попадает на нее в области центральной продольной оси, электромагнитных соленоидов 7, установленных на корпусе 1 таким образом, что они создают продольное аксиально-симметричное магнитное поле В1 в магнитной ловушке, постоянных магнитов 8 из SmCo, установленных по периметру корпуса 1 между электромагнитными соленоидами 7 таким образом, что они формируют в магнитной ловушке мультипольное магнитное поле сложной конфигурации В2, величина которого максимальна вблизи боковых стенок корпуса 1 и стремится к нулю на его центральной продольной оси (см. рис. 2), системы экстракции и ускорения ионов 9.The ion source consists of a housing 1, the ballast gas from which is pumped out using a vacuum pump 2, a target 3 mounted on a central longitudinal axis and containing a working substance, an alternating microwave electric field generator 4, a waveguide 5, through which an alternating electric microwave field is introduced in the region of the magnetic trap, laser 6 mounted on the housing 1, target 3 mounted on the central longitudinal axis so that the laser radiation through the membrane transparent to laser radiation falls on it in the region the central longitudinal axis of electromagnetic solenoids 7 mounted on the housing 1 in such a way that they create a longitudinal axially symmetric magnetic field B1 in a magnetic trap, permanent magnets 8 of SmCo mounted along the perimeter of the housing 1 between the electromagnetic solenoids 7 so that they form in a magnetic trap, a multipole magnetic field of complex configuration B2, the value of which is maximum near the side walls of the housing 1 and tends to zero on its central longitudinal axis (see fig. 2), systems of extraction and acceleration of ions 9.

Рис. 2 График изменения величины мультипольного магнитного поля В2 в радиальном направлении от боковых стенок к центральной продольной оси лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом.Fig. 2 Graph of the change in the magnitude of the multipole magnetic field B2 in the radial direction from the side walls to the central longitudinal axis of the laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance.

Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, состоящий из корпуса с вакуумным насосом, предназначенным для удаления балластного (фонового) газа, лазера, установленного на корпусе, мишени, которая установлена в первой ступени данного источника ионов таким образом, что излучение лазера, проходя через мембрану в корпусе, попадает на мишень в области центральной продольной оси и генерирует лазерную плазму с высокой плотностью частиц. Эта плазма, содержащая многозарядные ионы материала мишени, дрейфуя в продольном направлении с кинетической энергией ионов порядка нескольких кэВ, попадает во вторую ступень. В которой осуществляется дополнительное увеличение зарядового состояния ее ионов в результате многократной ударной ионизации их электронами, энергия (температура) которых повышена в результате электронного циклотронного резонанса. Нагрев электронов и удержание заряженных частиц плазмы во второй ступени реализуются подачей в нее СВЧ-электромагнитных колебаний по волноводу от генератора переменного СВЧ-электрического поля и наличием в ней магнитного поля сложной конфигурации с минимальной величиной на центральной продольной оси источника. Такое магнитное поле создается суперпозицией продольного, аксиально-симметричного магнитного поля, формируемого установленными на корпусе электромагнитными соленоидами и мультипольного магнитного поля, величина которого на центральной продольной оси источника приближается к нулю и резко нарастает в пристеночной области. Это магнитное поле создается на всем протяжении второй ступени при помощи постоянных магнитов из SmCo, установленных по периметру корпуса как предложено в настоящей полезной модели. Отбор ионов из плазмы и формирование ионного пучка осуществляются при помощи электродов системы экстракции и ускорения ионов, установленных на выходе данного источника ионов.A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance, consisting of a housing with a vacuum pump designed to remove ballast (background) gas, a laser mounted on the housing, a target, which is installed in the first stage of this ion source in such a way that the laser radiation passing through a membrane in the body, hits a target in the region of the central longitudinal axis and generates a laser plasma with a high particle density. This plasma containing multiply charged ions of the target material, drifting in the longitudinal direction with a kinetic energy of ions of the order of several keV, falls into the second stage. In which an additional increase in the charge state of its ions occurs as a result of multiple impact ionization by their electrons, the energy (temperature) of which is increased as a result of electron cyclotron resonance. The heating of electrons and the confinement of charged plasma particles in the second stage are realized by applying microwave electromagnetic waves to it through a waveguide from an alternating microwave electric field generator and the presence of a complex magnetic field in it with a minimum value on the central longitudinal axis of the source. Such a magnetic field is created by a superposition of a longitudinal, axially symmetric magnetic field generated by electromagnetic solenoids mounted on the body and a multipole magnetic field, the value of which on the central longitudinal axis of the source approaches zero and increases sharply in the wall region. This magnetic field is created throughout the second stage using permanent magnets from SmCo mounted around the perimeter of the housing as proposed in this utility model. The selection of ions from the plasma and the formation of the ion beam are carried out using the electrodes of the extraction and acceleration of ions installed at the output of this ion source.

Создание на начальном этапе лазерной плазмы с большим содержанием многозарядных ионов и высокой скоростью продольного движения заряженных частиц, позволяет уменьшить потери ионов при перезарядке и уходе из области ионизации в магнитной ловушке с дополнительной ионизацией их электронами, температура которых повышена при помощи электронного циклотронного резонанса. Перечисленные выше факторы способствуют увеличению интенсивности и зарядового состояния ионного пучка на выходе источника, предлагаемого в качестве полезной модели, а также увеличению мощности лазерного излучения.The creation of a laser plasma at the initial stage with a high content of multiply charged ions and a high velocity of longitudinal movement of charged particles allows one to reduce ion losses during recharging and leaving the ionization region in a magnetic trap with additional ionization by their electrons, the temperature of which is increased by electron cyclotron resonance. The factors listed above contribute to an increase in the intensity and charge state of the ion beam at the output of the source proposed as a utility model, as well as an increase in the power of laser radiation.

Пример.Example.

Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом, устройство которого показано на рис. 1, работает следующим образом. Для уменьшения потерь ионов при перезарядке на нейтральных атомах фонового газа, он откачивается из корпуса 1 при помощи вакуумного насоса 2 до давления 10-7 мм рт.ст. и ниже. Генерация плазмы в первой ступени осуществляется испарением и ионизацией материала мишени 3 импульсами лазерного излучения, создаваемого лазером 6, которое попадает на мишень в области центральной продольной оси через мембрану в корпусе 1 (рис. 1). Образованная таким образом плазменная струя, расширяясь, распространяется в направлении наибольшего градиента гидродинамического давления, обычно перпендикулярного поверхности мишени. В конструкции на рис. 1 плазма дрейфует вдоль продольной оси от мишени 3 в направлении системы экстракции и ускорения ионов 9, установленной на выходе лазерного источника многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом. При плотности мощности лазера >1012 Вт/см² электронная температура в начальном плазменном сгустке на мишени достаточно высока, чтобы в плазме произошло разделение зарядов. Горячие электроны предшествуют ионной составляющей, и между ними и тяжелой компонентой возникает ускоряющий потенциал для ионов. Образовавшаяся зарядовая составляющая плазмы содержит ионы с высоким зарядовым состоянием и кинетической энергией продольного движения от единиц до нескольких сотен кэВ (P. Bnand, R. Geller, В. Gacquot et. all, Nucl. Instrum. Methods, 1975, 131, 407; Ю.А. Сатов, A.B. Шумшуров, A.A. Васильев и др., Развитие техники времяпролетных измерений в плазме, создаваемой CO2-лазером, 2017, ПТЭ №4, с. 108-114). Скорость ее дрейфа существенно выше скорости движения нейтральной компоненты этой плазмы, которая связана с температурой и энергией гидродинамического импульса. Так, нейтральные атомы вещества с температурой ~2000 К0 обладают кинетической энергией <0,2 эВ. В результате разницы продольных скоростей при дрейфе плазмы происходит отставание нейтральных атомов от заряженных частиц и разделение по времени попадания в магнитную ловушку нейтральных атомов и зарядовой компоненты лазерной плазмы. Таким образом, во вторую ступень, отстоящую от мишени на расстояние при котором плотность электронов в расширяющимся плазменной струе падает до величины, позволяющей проникать в нее переменному СВЧ-электрическому полю, попадает плазма с большим содержанием заряженных частиц и пониженной концентрацией нейтральных атомов рабочего вещества. Расстояние от мишени 3 до входа в магнитную ловушку можно оценить для каждого конкретного случая с учетом частоты переменного электрического поля f и динамики уменьшения плотности электронов в увеличивающимся объеме плазменной струи, учитывая возможность проникновения электромагнитной волны используемой частоты в плазму с известной плотностью электронов согласно (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М, Мир, 1998, с. 231) по формуле

, где n_e - плотность электронов плазмы в корпусе 1 на данном удалении от мишени.A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance, the device of which is shown in Fig. 1, works as follows. To reduce ion loss during recharging on neutral atoms of the background gas, it is pumped out of the housing 1 using a vacuum pump 2 to a pressure of 10-7 mm Hg. and below. Plasma generation in the first stage is carried out by evaporation and ionization of the target material 3 by pulses of laser radiation generated by laser 6, which hits the target in the region of the central longitudinal axis through the membrane in the housing 1 (Fig. 1). The plasma jet thus formed, expanding, propagates in the direction of the greatest gradient of hydrodynamic pressure, usually perpendicular to the target surface. In the design in Fig. 1, the plasma drifts along the longitudinal axis from the target 3 in the direction of the ion extraction and acceleration system 9 installed at the output of the laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance. When the laser power density is> 1012 W / cm ^{2, the} electron temperature in the initial plasma bunch on the target is high enough for the separation of charges in the plasma. Hot electrons precede the ionic component, and an accelerating potential for ions arises between them and the heavy component. The resulting charge component of the plasma contains ions with a high charge state and kinetic energy of longitudinal motion from units to several hundred keV (P. Bnand, R. Geller, B. Gacquot et. All, Nucl. Instrum. Methods, 1975, 131, 407; .A. Satov, AB Shumshurov, AA Vasiliev et al. Development of the technique of time-of-flight measurements in a plasma created by a CO2 laser, 2017, PTE No. 4, pp. 108-114). Its drift velocity is significantly higher than the velocity of the neutral component of this plasma, which is associated with the temperature and energy of the hydrodynamic pulse. Thus, neutral atoms of matter with a temperature of ~ 2000 K0 have a kinetic energy <0.2 eV. As a result of the difference in the longitudinal velocities during the plasma drift, the lag of the neutral atoms from the charged particles and the time separation of the neutral atoms and the charge component of the laser plasma in the magnetic trap are separated. Thus, a plasma with a high content of charged particles and a low concentration of neutral atoms of the working substance gets into the second stage, which is separated by a distance at which the electron density in the expanding plasma jet drops to a value that allows an alternating microwave electric field to penetrate into it. The distance from target 3 to the entrance to the magnetic trap can be estimated for each specific case, taking into account the frequency of the alternating electric field f and the dynamics of a decrease in the electron density in the increasing volume of the plasma jet, taking into account the possibility of the penetration of an electromagnetic wave of the used frequency into a plasma with a known electron density according to (I. Brown, Physics and Technology of Ion Sources, M, Mir, 1998, p. 231) by the formula

, where n _e is the plasma electron density in case 1 at a given distance from the target.

Переменное СВЧ-электрическое поле, создаваемое генератором переменного СВЧ-электрического поля 4, вводится в магнитную ловушку второй ступени по волноводу 5. Оно осуществляет увеличения энергии электронов плазмы в результате эффекта электронного циклотронного резонанса.An alternating microwave electric field generated by the alternating microwave electric field generator 4 is introduced into the second-stage magnetic trap by the waveguide 5. It carries out an increase in the plasma electron energy as a result of the electron cyclotron resonance effect.

Принцип увеличения энергии электронов в результате такого эффекта заключается в следующем. При движении электрона в переменном электрическом поле в условиях отсутствия столкновений электрон не отбирает энергию от этого поля. Работа, совершаемая полем в положительный полупериод, в точности равна работе в отрицательный полупериод. При этом, максимальное смещение (путь) электрона в первый полупериод равно смещению во втором, но в обратном направлении. Если же создать условия, когда в один из полупериодов электрон будет проходить путь больший, чем в другой, то от периода к периоду энергия электрона будет возрастать. Один из вариантов - наложить магнитное поле перпендикулярно электрическому полю. Тогда на электрон будет действовать сила Лоренца, направление которой перпендикулярно вектору скорости электрона и индукции магнитного поля

. Электрон начнет двигаться не только в направлении, задаваемом электрическим полем

, но и перпендикулярно ему. Траектория движения электрона в таких условиях зависит от соотношения между частотой электрического поля ω и циклотронной (ларморовской) частотой. Ларморовская частота определяется как ω=eB/me, где e - заряд электрона, me - его масса. По мере приближения частоты электрического поля к циклотронной частоте путь, проходимый электроном в электрическом поле, все более возрастает, радиус его траектории увеличивается во времени, и от периода к периоду увеличивается энергия электрона.The principle of increasing electron energy as a result of this effect is as follows. When an electron moves in an alternating electric field in the absence of collisions, the electron does not take energy from this field. The work done by the field in the positive half period is exactly equal to the work in the negative half period. In this case, the maximum displacement (path) of the electron in the first half-cycle is equal to the displacement in the second, but in the opposite direction. If we create the conditions when in one of the half-periods the electron will travel a greater path than in the other, then from period to period the electron energy will increase. One option is to apply a magnetic field perpendicular to the electric field. Then the Lorentz force will act on the electron, the direction of which is perpendicular to the electron velocity vector and the magnetic field induction

. The electron will begin to move not only in the direction specified by the electric field

but also perpendicular to him. The trajectory of the electron in such conditions depends on the relationship between the frequency of the electric field ω and the cyclotron (Larmor) frequency. The Larmor frequency is defined as ω = eB / me, where e is the electron charge, me is its mass. As the frequency of the electric field approaches the cyclotron frequency, the path traveled by the electron in the electric field increases more and more, the radius of its trajectory increases in time, and the electron energy increases from period to period.

Дрейфующий поток лазерной плазмы попадает во вторую ступень источника, в которой ее ионы подвергаются дополнительной обдирке. Для увеличения времени и эффективности ионизации в этой ступени электроны и ионы плазмы удерживаются от ухода на боковые стенки магнитным полем сложной конфигурации с минимумом значения магнитного поля на центральной продольной оси источника. Такую конфигурацию получают комбинированием осевого магнитного поля В1, создаваемого электромагнитными соленоидами 7, с многополюсным магнитным полем (в данной конструкции шестиполюсным) В2, создаваемого постоянными магнитами 8 из SmCo, рис. 1. Катушки электромагнитных соленоидов 7 изготовлены таким образом, что они формируют во второй ступени осевое магнитное поле В1, величина которого увеличивается на входе и выходе из магнитной ловушки, создавая на них магнитные пробки, которые необходимы для отражения дрейфующих в продольном направлении плазменных электронов обратно в ловушку, препятствуя их уходу из зоны ионизации.The drifting stream of the laser plasma enters the second stage of the source, in which its ions are subjected to additional grinding. To increase the time and ionization efficiency in this stage, the plasma electrons and ions are prevented from moving to the side walls by a complex magnetic field with a minimum magnetic field on the central longitudinal axis of the source. This configuration is obtained by combining the axial magnetic field B1 created by electromagnetic solenoids 7 with a multipolar magnetic field (in this design six-pole) B2 created by permanent magnets 8 from SmCo, Fig. 1. The coils of electromagnetic solenoids 7 are made in such a way that they form an axial magnetic field B1 in the second stage, the magnitude of which increases at the entrance and exit of the magnetic trap, creating magnetic plugs on them, which are necessary to reflect plasma electrons drifting in the longitudinal direction back to trap, preventing them from leaving the ionization zone.

Постоянные магниты 8, расположенные по внешнему периметру корпуса в показанной конфигурации (рис. 1, разрез А-А), формируют во второй ступени мультипольное остроугольное (касповое) магнитное поле В2, величина которого минимальна на центральной оси и возрастает в любом направлении от центра к боковым стенкам. На рис. 2 показан график изменения величины мультипольного магнитного поля В2 в радиальном направлении от боковых стенок данного источника ионов к его центральной продольной оси.Permanent magnets 8 located along the outer perimeter of the housing in the configuration shown (Fig. 1, section A-A) form in the second stage a multipole acute-angle (cusp) magnetic field B2, the magnitude of which is minimal on the central axis and increases in any direction from the center to side walls. In fig. 2 shows a graph of the change in the magnitude of the multipole magnetic field B2 in the radial direction from the side walls of a given ion source to its central longitudinal axis.

В результате суперпозиции магнитных полей, создаваемых электромагнитными соленоидами 7 и постоянными магнитами 8, рис. 1, во второй ступени создается магнитное поле, конфигурация которого обеспечивает эффективную стабилизацию возникающих в результате магнитогидродинамических неустойчивостей возмущений плазмы в магнитной ловушке. Такие системы позволяют создавать плазму с концентрацией электронов от 1⋅10¹¹ до 5⋅10¹² см^-3 при их температуре до нескольких десятков кэВ (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М, Мир, 1998, с. 228-242). Основным преимуществом ЭЦР-источников с такими магнитными ловушками является большое время жизни в них плазмы, что обеспечивает глубокую обдирку ионов.As a result of a superposition of magnetic fields created by electromagnetic solenoids 7 and permanent magnets 8, Fig. 1, a magnetic field is created in the second stage, the configuration of which provides effective stabilization of the plasma perturbations resulting from magnetohydrodynamic instabilities in a magnetic trap. Such systems make it possible to create a plasma with an electron concentration of 1 × ^{10 11} to 5 × ^{10 12} cm ^-3 at temperatures up to several tens of keV (J. Brown. Physics and technology of ion sources. M, Mir, 1998, pp. 228-242 ) The main advantage of ECR sources with such magnetic traps is the long plasma lifetime in them, which provides a deep stripping of ions.

Малая концентрация нейтральных атомов рабочего вещества и балластного газа в магнитной ловушке второй ступени снижает вероятность потери ионов при перезарядке на этих частицах.The low concentration of neutral atoms of the working substance and ballast gas in the magnetic trap of the second stage reduces the probability of ion loss during recharging on these particles.

Наличие у ионов плазмы, дрейфующей через вторую ступень, высокой аксиальной скорости облегчает их экстракцию, осуществляемую при помощи электродов системы экстракции и ускорения ионов 9, рис. 1. В данной конструкции эта система выполнена в виде ионно-оптической системы с плоскопараллельным расположением электродов.The presence of high axial velocity of plasma ions drifting through the second stage facilitates their extraction, which is carried out using electrodes of the ion extraction and acceleration system 9, Fig. 1. In this design, this system is made in the form of an ion-optical system with a plane-parallel arrangement of electrodes.

Реализованная в предлагаемой полезной модели возможность генерация лазерной плазмы в первой ступени с перечисленными выше характерными для нее особенностями, позволяют уменьшить потери ионов на перезарядке и уходе из области ионизации рабочего вещества во второй ступени. Это способствует увеличению зарядового состояния и интенсивности ионного пучка на выходе предлагаемой полезной модели. Установка лазера на корпусе источника позволяет повысить эффективность использования лазерного излучения (увеличить мощность лазерного излучения).The possibility of generating a laser plasma in the first stage, implemented with the proposed utility model, with the above-mentioned specific features, makes it possible to reduce ion losses on recharging and leaving the working substance ionization region in the second stage. This contributes to an increase in the charge state and intensity of the ion beam at the output of the proposed utility model. Installing a laser on the source housing allows you to increase the efficiency of using laser radiation (increase the power of laser radiation).

Лазерный источник многозарядных ионов с электронным циклотронным резонансом отличается надежностью работы, относительно малым энергопотреблением и сравнительно невысокой себестоимостью.A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance is characterized by reliable operation, relatively low power consumption, and relatively low cost.

Claims

1. A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance, consisting of two stages, the first stage of which is installed: a laser on the source’s body and a target made of a working substance on the central longitudinal axis, which are arranged in such a way that laser radiation hits the target in the central region longitudinal axis, as well as a vacuum pump designed for pumping ballast gas; in the second stage of the source, electromagnetic solenoids are installed on the source body in such a way that they allow the formation of a longitudinal axially symmetric magnetic field in the second stage, permanent magnets installed around the perimeter of the body in such a way that they allow the formation of a multipole magnetic field throughout the second stage, the value of which on the central longitudinal axis of the source approaches zero and increases sharply with distance from it in the radial direction, as well as an alternator Microwave electric field, a waveguide designed to enter an alternating microwave electric field into this stage, an ion extraction and acceleration system.

2. A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance according to claim 1, wherein the laser radiation hits the target in the region of the central longitudinal axis by moving the target relative to the stationary laser.

3. A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance according to claim 1, wherein the laser radiation is incident on the target in the region of the central longitudinal axis by moving the laser relative to the stationary target.

4. A laser source of multiply charged ions with electron cyclotron resonance according to claim 1, wherein the laser radiation hits the target in the region of the central longitudinal axis by moving the target and the laser relative to each other.