RU195771U1

RU195771U1 - Лазерный генератор ионов

Info

Publication number: RU195771U1
Application number: RU2019134674U
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Турчин
Priority date: 2019-10-29
Filing date: 2019-10-29
Publication date: 2020-02-05

Abstract

Полезная модель относится к области ускорительной техники и может быть использована для ускорения ионов различных элементов в ядерной энергетике и технологиях ионной имплантации. Лазерный генератор ионов характеризуется большим временем непрерывной работы и сохранением в процессе работы спектра зарядовых состояний ионов в инжектируемом пучке. Это достигается за счет многократного уменьшения напыления материалов мишени и стенок камеры взаимодействия, образующихся в результате действия на них оптического излучения лазера, на поверхности отражающих зеркал ОКГ.Оригинальность технического решения, предложенного в данной полезной модели, в том, что рабочие зеркала, отражающие и фокусирующие оптическое излучение лазера на мишень, отделены от зоны ионизации и испарения материала мишени и соединяются с этой зоной через апертуру малого диаметра только на время длительности импульса лазерного излучения. Различия в динамике процессов, связанных с кратковременностью импульса лазерного излучения и большой инерционностью разлета в пространстве твердых составляющих материала мишени, позволяют электромагнитному клапану перекрывать пропускное отверстие до момента достижения его основной массой продуктов абляции. Малые размеры апертуры пропускного отверстия, соединяющего камеру взаимодействия с установленной в ней мишенью и оптическую камеру с рабочими зеркалами, способствуют уменьшению количества материалов десорбции, проникающих из зоны ионизации в оптическую камеру. Это способствует сохранению отражающей поверхности зеркал лазерного генератора ионов в рабочем состоянии. 1 рис.

Description

Предложенная полезная модель относится к ускорителям заряженных частиц и может быть использована для ускорения ионов различных элементов в ядерной энергетике и технологиях ионной имплантации.

Известно, что удельная мощность светового импульса, фокусируемого на мишень, и время непрерывной работы лазерного источника ионов, зависят от состояния поверхностей зеркал в оптическо-квантовом генераторе (ОКГ). В известных конструкциях ОКГ, использующихся для получения плазмы в лазерных источниках ионов, зеркала, отражающие световое излучение лазера на мишень, устанавливаются в том же пространстве камеры, что и мишень, в прямой видимости с мишенью. Это сделано для более эффективного использования энергии светового импульса, ионизирующего материал мишени. Возникающая в результате эффекта абляции адсорбция на поверхность зеркал элементов материала мишени ухудшает их отражательно-фокусирующие свойства. Данный фактор негативно влияет на ионный состав в генерируемой плазме (в т.ч., уменьшается доля ионов с высоким зарядовым состоянием). Сокращается время непрерывной работы лазерного источника ионов, из-за необходимости технологических остановок для замены зеркал.

Известен лазерный источник тяжелых ионов, в котором зеркала, отражающие оптическое излучение лазера, расположены в одном пространстве и зоне прямой видимости с мишенью (L.G. Gray, R.H. Hughes, R.J. Anderson. Heavy-ion source using a laser-generated plasma transported through an axial magnetic field. Appl. Phys. 53, 6628, 1982). Недостатки, малое время непрерывной работы лазерного источника тяжелых ионов и уменьшение в процессе работы содержания ионов с высоким зарядовым состоянием в лазерной плазме, вызванные напылением материала мишени на поверхности зеркал.

Известен лазерный источник ионов (Л.З. Барабаш, Ю.А. Быковский, А.А. Голубев и др. Характеристики лазерной плазмы как источника ионов для драйвера тяжелоионного инерционного синтеза. Препринт №12, М. ИТЭФ, 1983). Недостаток-малое время непрерывной работы и уменьшение высокозарядовой составляющей лазерной плазмы в процессе работы, из-за ухудшения отражающей способности зеркал.

Известен лазерный источник ионов для ускорителей заряженных частиц (G. Korschinek, J. Sellmair. Rev. Sci. Instrum. 57, 745, 1986). Недостаток - ухудшение отражательно-фокусирующих свойств из-за напыления на рабочие зеркала лазера материалов, возникших в результате абляции.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является генератор лазерной плазмы, состоящий из: CO₂ - лазера, камеры взаимодействия с установленными в ней мишенью, сферического зеркала, плоского зеркала и пролетной трубы, один конец которой соединен с камерой взаимодействия, а на другом конце установлен электростатический цилиндрический дефлектор (Ю.А. Сатов, А.В. Шумшуров, А.А. Васильев и др. Развитие техники времяпролетных измерений в плазме, создаваемой CO₂-лазером, ПТЭ, №4, с. 108-114, 2017).

Техническая проблема - малый рабочий ресурс зеркал, вызванный напылением материала мишени на их поверхности. Устранение этого недостатка представляет собой техническую задачу предложенной полезной модели.

Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение срока непрерывной работы лазерного генератора ионов.

Технический результат достигается уникальной конструкцией лазерного генератора ионов, состоящего из: лазера, камеры взаимодействия и оптической камеры, где на одной стороне камеры взаимодействия установлена мишень, а на противоположной стороне установлена ионно-оптическая система экстракции ионов. При этом на камере взаимодействия размещена оптическая камера с расположенным на ней лазером и установленными в ней отражающими зеркалами. Оптическая камера соединена с камерой взаимодействия пропускным отверстием малого диаметра, перекрытого подвижной заслонкой электромагнитного клапана, предназначенного для открывания пропускного отверстия на время прохождения импульса лазерного излучения в камеру взаимодействия. Причем отражающие зеркала в оптической камере установлены так, что отраженное от них оптическое излучение лазера попадает на мишень через апертуру пропускного отверстия.

Таким образом, электромагнитный клапан перекрывает пропускное отверстие до момента достижения его основной массой продуктов абляции и десорбции из камеры взаимодействия, тем самым препятствуя их попаданию в оптическую камеру лазерного генератора ионов.

В отличие от известных аналогов, в предложенной полезной модели возникает новое техническое свойство, обусловленное предложенными техническими решениями, а именно, уменьшается количество испаряемого материала мишени, которое диффундирует в область с отражающими зеркалами и, как следствие, нивелируется эффект адсорбции данного материала на поверхностях зеркал. Это позволяет увеличивать время безостановочной работы лазерного генератора ионов и способствует сохранению в процессе рабочего цикла достаточного количества ионов с высоким зарядовым состоянием в генерируемой плазме.

Лазерный генератор ионов состоит: из камеры взаимодействия 1, в которой установлена мишень 2, оптической камеры 4 с расположенным на ней лазером 3 и установленными в ней отражающими зеркалами 5, ионно-оптической системы экстракции ионов (ИОС) 6, осуществляющей экстракцию ионов из плазмы и формирование их в пучок с последующим ускорением, пропускного отверстия 7, соединяющего камеру взаимодействия с оптической камерой и электромагнитного клапана 8, подвижная заслонка которого перекрывает пропускное отверстие 7 в исходном состоянии и открывает его на время импульса лазерного излучения.

Предлагаемый лазерный генератор ионов характеризуется большим временем непрерывной работы и сохранением качества спектра зарядовых состояний ионов в инжектируемом пучке. Это достигается за счет многократного уменьшения эффекта напыления продуктов десорбции материалов мишени и стенок камеры взаимодействия на поверхности отражающих зеркал ОКГ.

Оригинальность технического решения, предложенного в данной полезной модели в том, что рабочие зеркала, отражающие и фокусирующие оптическое излучение лазера на мишень, отделены от зоны ионизации и испарения материала мишени и соединяются с этой зоной через апертуру малого диаметра только на время длительности импульса лазерного излучения.

Длительность процесса образования плазмы на мишени определяется длительностью импульса оптического излучения лазера, составляющей, как правило, несколько десятков наносекунд. Далее, нейтральная компонента этой плазмы диффундирует в пролетном канале со скоростью, соответствующей энергии, определяемой температурой испарения материала мишени. Данная температура, для наиболее тугоплавких металлов, составляет величину ~5000-6000 С, что соответствует энергии ~0,5-0,6 эВ (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. Лазерные источники ионов. М. «Мир». С. 457-461. 1998 г). Данный энергетический диапазон соответствует пролету ионом металла пути в 10 см за время ~ (1-2) 10^-4 с. Молекулы металлов и его более крупные кластерные соединения, которые в большинстве своем составляют пар материала мишени, обладают большей массой и, как следствие, меньшей подвижностью, чем атомы данного материала. Если пропускное отверстие удалено от мишени на несколько десятков см, то различия в динамике процессов, связанных с кратковременностью импульса лазерного излучения, определяющего необходимое время открытого состояния пропускного отверстия и, относительно, невысокой скоростью разлета твердых составляющих материала мишени, позволяют электромагнитному клапану перекрывать пропускное отверстие до момента его достижения основной массой продуктов абляции.

Электромагнитный клапан может быть выполнен в виде тонкостенного вращающегося диска с апертурами, расположенными по его радиусу, либо в виде тонкого вращающегося стержня с апертурами малого диаметра.

Малые размеры апертуры пропускного отверстия, соединяющего камеру взаимодействия с установленной в ней мишенью и оптическую камеру с рабочими зеркалами, также способствует уменьшению количества материалов десорбции, проникающих из зоны ионизации в оптическую камеру, сохраняя поверхность зеркал лазера в рабочем состоянии.

Краткое описание чертежа.

На рис. 1 показана схема, поясняющая работу лазерного генератора ионов, где:

1 - камера взаимодействия,

2 - мишень,

3 - лазер,

4 - оптическая камера,

5 - отражающие зеркала,

6 - ионно-оптическая система экстракции ионов (ИОС),

7 - пропускное отверстие, соединяющее камеру взаимодействия с оптической камерой,

8 - электромагнитный клапан.

Примеры осуществления полезной модели.

Пример 1. Лазерный генератор ионов, представленный на рис. 1, работает следующим образом. Перед началом рабочего цикла подвижная заслонка электромагнитного клапана 8 открывает пропускное отверстие 7, соединяя пространства камеры взаимодействия 1 и область оптической камеры 4. После этого, лазер 3, расположенный на оптической камере 4, генерирует импульс оптического излучения, длительность которого, как правило, составляет десятки наносекунд. Этот импульс, попадая на вогнутую поверхность одного из отражающих зеркал 5, фокусируется на поверхность другого плоского отражающего зеркала 5. Отражаясь от его поверхности он, через открытое пропускное отверстие 7 фокусируется на установленную в камере взаимодействия 1 мишень 2. Диаметр пятна фокусировки на мишени составляет десятые доли мм. При облучении мишени 2 лазером происходит процесс ионизации и испарения ее материала. Образуется плазма, состоящая из электронов, ионов, и нейтральных частиц испаренного материала мишени 2 и материала стенок камеры взаимодействия 1, вызванного десорбцией от рассеянного оптического излучения лазера. Процесс ионизации материала мишени 2 и десорбции материала со стенок камеры взаимодействия 1 длится в течение времени импульса лазерного излучения. После окончания импульса лазерного излучения, подвижная заслонка электромагнитного клапана 8 перекрывает пропускное отверстие 7 и процессы образования плазмы на мишени 2 в камере взаимодействия 1 и десорбции материала со стенок этой камеры заканчиваются. Образовавшийся на мишени 2 сгусток первичной плазмы, разлетаясь в пространстве, постепенно заполняет полость камеры взаимодействия 1. Заряженная и нейтральная компоненты плазмы этого сгустка, диаметр которого на мишени составляет величину порядка, 1-2 мм, в процессе разлета дрейфуют в сторону ионно-оптической системы (ИОС) 6.

Как было показано выше, энергия диффузии не имеющей электрического заряда компоненты плазмы, определяется температурой испарения материала мишени и составляет доли эВ, в отличие от заряженных частиц плазмы, у которых она может достигать нескольких единиц эВ из-за эффекта ускорения их в электрическом поле двойного слоя (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. Лазерные источники ионов. М. «Мир». С. 324-334. 1998 г.). Однако, заряженные частицы плазмы, попадая на боковые стенки пролетного канала, исчезают и не формируют осадка на рабочих зеркалах.

В большинстве случаев в качестве мишени в лазерных источниках ионов применяются различные металлы. Молекулы, и кластерные образования которых характеризуются относительно большой массой и, в результате этого, обладают сравнительно малой подвижностью при разлете. Несложные оценки показывают, что для наиболее подвижных составляющих пара, одиночных атомов материалов мишени, например, Fe с температурой испарения 2750 C или тугоплавкого W, у которого температура испарения = 5560 C, скорость диффузии лежит в диапазоне ~(9-7)*10⁴ см/с. Расстояние до пропускного отверстия, удаленного от мишени, например, на 30 см, одиночные атомы этих металлов пройдут за время ~(3-4) 10^-4 с. Другие компоненты пара - еще медленнее.

Электромагнитный клапан выполненный в этом примере по принципу вращающегося со скоростью 2000 об/мин. тонкостенного диска, имеющего отверстие с диаметром ~ 1 мм, что достаточно для прохождения через него луча лазера, и расположенного на радиусе 25 см от центра диска. При таком варианте исполнения пропускное отверстие такого же диаметра сохраняется в открытом состоянии в течение 6⋅10^-5 с. Увеличение скорости вращения этого диска соответствующим образом уменьшает время открытого состояния пропускного отверстия.

Таким образом, инерционность разлета нейтральной компоненты лазерной плазмы позволяет перекрывать электромагнитному клапану 8 пропускное отверстие 7 до момента его достижения основной массой распыленного материала мишени 2, предотвращая попадание основной массы материала десорбции в оптическую камеру 4 и предохраняя рабочие поверхности отражающих зеркал 5 от повреждения этими материалами. Малая площадь пропускного отверстия 7, размеры которого выбраны из условия соответствия диаметру лазерного луча (в большинстве случаев, не более 1 мм), по сравнению с площадью стенок внутренней поверхности камеры взаимодействия 1, на которую осаждаются испаренные материалы, также способствует уменьшения попадания этих продуктов в оптическую камеру 4 с отражающими зеркалами 5.

Образованная на мишени 2 плазма, дрейфуя в камере взаимодействия 1, достигает зоны действия электрических полей, создаваемых многоэлектродной плоскопараллельной ИОС 6, выполненной по известным принципам (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. Лазерные источники ионов. М. «Мир». С. 37-115. 1998 г). Под воздействием этих электрических полей происходит отбор ионов из плазмы, формирование их в пучок, с последующим его ускорением. После окончания рабочего цикла все системы лазерного генератора ионов ожидают начала нового аналогичного цикла этапа работы.

Предлагаемый лазерный генератор ионов отличается высокой надежностью работы, простотой конструкции и малой конечной стоимостью, обусловленной возможностью длительной работы и редкими процедурами замены отражающих зеркал.

Claims

Лазерный генератор ионов, состоящий из: лазера, камеры взаимодействия, в которой на одной стороне установлена мишень, отличающийся тем, что на противоположной ее стороне расположена ионно-оптическая система экстракции ионов, при этом на камере взаимодействия размещена оптическая камера с лазером и отражающими зеркалами, которая соединена с камерой взаимодействия пропускным отверстием малого диаметра, перекрытого подвижной заслонкой электромагнитного клапана, предназначенного для открывания пропускного отверстия на время прохождения импульса лазерного излучения в камеру взаимодействия, причем отражающие зеркала в оптической камере установлены так, что отраженное от них оптическое излучение лазера попадает на мишень через апертуру пропускного отверстия.