RU2364979C1 - Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2364979C1 RU2364979C1 RU2007142528/28A RU2007142528A RU2364979C1 RU 2364979 C1 RU2364979 C1 RU 2364979C1 RU 2007142528/28 A RU2007142528/28 A RU 2007142528/28A RU 2007142528 A RU2007142528 A RU 2007142528A RU 2364979 C1 RU2364979 C1 RU 2364979C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- target
- ions
- layer
- formation
- back surface
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
Abstract
Изобретение относится к ядерной и экспериментальной физике и может быть использовано в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза. Способ ускорения ионов основан на генерации, выделении ионов и формировании пучка ионов из ионизируемого материала мишени с использованием концентрированного луча лазера, выделение ионов и формирование пучка ионов осуществляют в приповерхностном слое на тыльной поверхности мишени при контролируемом воздействии на фронтальную поверхность мишени луча лазера релятивистской интенсивности, при этом формируют высококонтрастный (105÷1010) луч лазера релятивистской интенсивности (1018÷1019 В г/см2) сверхкороткой длительности (около 10-12 с), который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности для генерации казистационарного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования и тороидального плазменного токового слоя с выделением ионов и их ускорением к приемнику ионов. Устройство содержит импульсный лазер с концентратором энергии и мишень, мишень выполнена из электропроводного материала меди с напылением на его тыльной поверхности слоя ионизируемого материала, а для контролируемого воздействии на мишень выбран импульсный лазер с параметрами релятивисткой интенсивности (1016÷1021 Вт/см2) сверхкороткой длительности (около
10-12 с), образующий при своем функционировании в скин-слое на фронтальной поверхности мишени индуктор для индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в нем плазменного образования с выделением ионов из плазменного образования и их ускорением к приемнику ионов. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к ядерной и экспериментальной физике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в физическом эксперименте для решения задач, например, в физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза [1].
Известны способы ускорения ионов и устройства для их осуществления: авт. св. СССР, кл. МКИ Н02n, 1/00, №192306 «Способ ускорения ионов», заявлен 22.11.1963, опубликован 12.04.1967; авт. св. СССР МКИ H05h 5/00, №307743 «Ускоритель заряженных частиц», заявлен 24.04.1970, опубликован 21.06.1971; авт. св. СССР, кл. МКИ H05h, 7/04, №340122 «Способ накопления электрической энергии и генерирования импульсов тока», заявлен 3.05.1971, опубликован 24.05.1972; патент Франции, кл. МКИ H05h 7/00, №1236089 «Ускоритель ионов», заявлен 4.06.1959, опубликован 07.06.1960 и др. [2], которые являются аналогами заявляемых технических решений.
Недостатком способов ускорения ионов и устройств для их осуществления в [2], - аналогов заявляемых технических решений, является сложность используемых технологических процессов и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления аналогов [2].
Более совершенный способ генерации и ускорения ионов и устройство для его осуществления предложены в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (H1D) №1138212, заявленном 23.05.1966 [3], которые предназначены для формирования пучков ионов с энергиями не менее нескольких миллионов электрон-вольт (эВ) при токах в несколько сотен ампер, что более согласуются с требованиями и пригодны для целей [1].
Способ генерации и ускорения ионов в [3] основан на формировании пучков ионов путем генерации ионов с использованием концентрации луча света лазера на поверхности, расположенной на пути светового луча лазера мишени из ионизируемого материала с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Из плазмы извлекают нужные ионы, созданные лазерным лучом, падающим на мишень. Затем с помощью электростатического ускорителя, предназначенного для образования электрического поля, выделяют и ускоряют ионы.
Способ генерации и ускорения ионов, предложенный в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (H1D) №1138212, заявленном 23.05.1966 [3], по технической сущности наиболее близок заявляемому способу ускорения ионов и может быть указан в качестве прототипа способа ускорения ионов.
Недостатком прототипа способа ускорения ионов [3] является его низкая эффективность при генерации и ускорении ионов.
Задачей изобретения является повышение эффективности заявляемого способа ускорения ионов.
В способе ускорения ионов, основанном на генерации, выделении ионов и формировании пучка ионов из ионизируемого материала мишени с использованием концентрированного луча лазера после бомбардировки поверхности мишени с достаточной для ионизации материала поверхности плотности энергии и получения плазмы, выделение ионов и формирование пучка ионов осуществляют в приповерхностном слое на тыльной поверхности мишени с использованием установленной в вакууме мишени из электропроводного материала меди толщиной d много меньше le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) при напылении на его тыльной поверхности слоя ионизируемого материала толщиной d не менее li (li - длина пробега ускоряемых ионов в веществе мишени) при контролируемом воздействии на фронтальную поверхность мишени луча лазера релятивистской интенсивности. При этом формируют высококонтрастный (105÷1010) луч лазера релятивистской интенсивности (1018÷1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (около 1·10-12 с), который направляют на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности для осуществления индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования (ПО) и тороидального плазменного токового слоя (ТПТС) с выделением ионов из (ПО), их включением в ТПТС и формирования пучка ионов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
Дополнительно в способе ускорения ионов для генерации квазистационарного магнитного поля используют циркулярную поляризацию лазерного излучения.
Источник и ускоритель ионов, предложенные в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (H1D) №1138212, заявленном 23.05.1966 [3], по технической сущности наиболее близки заявляемому устройству осуществления способа ускорения ионов и могут быть выбраны в качестве прототипа заявляемого устройства для его осуществления.
Прототип устройства осуществления способа ускорения ионов согласно [3] содержит мишень из ионизируемого материала, расположенную на пути светового луча лазера. Луч света в [3] концентрируется специальным устройством с целью бомбардировки поверхности мишени с интенсивностью, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Имеются электроды для извлечения нужных ионов из плазмы, созданной лазерным лучом, падающим на мишень. Электростатический ускоритель предназначен для образования электрического поля, ускоряющего выделенные ионы.
Недостатком устройства осуществления способа ускорения ионов - прототипа [3] является громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления прототипа в [3].
Задачей изобретения является повышение эффективности заявляемого способа ускорения ионов путем снижения громоздкости привлекаемого оборудования для создания и осуществления прототипа в [3].
Для решения задачи в устройстве для осуществления способа ускорения ионов, содержащем импульсный лазер с концентратором энергии на выходе и расположенную в вакууме на пути светового луча лазера мишень из ионизируемого материала, указанная мишень из ионизируемого материала выполнена из электропроводного материала меди толщиной d много меньшей, чем le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) с напылением на его тыльной поверхности слоя ионизируемого материала толщиной d не менее li (li - длина пробега ускоряемых ионов в веществе мишени), а для контролируемого воздействия на мишень выбран высококонтрастный (105÷1010) импульсный лазер с параметрами релятивисткой интенсивности (1016÷1021 Вт/см2) сверхкороткой длительности
(около 10-12 с), образующий при своем функционировании на фронтальной поверхности мишени индуктор для индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в нем плазменного образования (ПО) и тороидального плазменного токового слоя (ТПТС) с выделением ионов из (ПО), их включением в ТПТС и формирования пучка ионов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
Дополнительно в устройстве для осуществления способа ускорения ионов указанная мишень из ионизируемого материала выполнена из электропроводного материала титана толщиной d много меньшей le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) с растворенным в его объеме водородом, образующего протоны при воздействии луча импульсного лазера при его функционировании на фронтальной поверхности мишени с последующим формированием пучка протонов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
Основной особенностью предлагаемых способа ускорения ионов и устройства для его осуществления является использование в них лазеров тераваттного уровня мощности в диапазоне наносекундных длительностей. Проработка вопросов их использования в заявляемых технических решениях потребовало дополнительных исследований, которые изложены в примере осуществлении заявляемых изобретений. В этих условиях возникает совершенно иная ситуация, когда даже при малой энергии лазерного импульса его длительность становится меньше времен как характерных для гидродинамического движения вещества, так и времен всяческих столкновений, приводящих к равновесию, - электрон-ионных, электрон-нейтральных, электрон-электронных столкновений, и также времен ионизации атомов мишени. Кроме этого, за время действия такого ультракороткого времени не успевают развиться многие типы характерных для классической плазмы неустойчивостей. Расширение в этот диапазон физических исследований обеспечивают лазеры нового поколения - сверхмощные (до 1015 Вт) лазеры, работающие в пико- (10-12 с) и фемтосекундном (10-15 с) режимах длительностей лазерного воздействия и обеспечивающие интенсивность лазерного потока до 1021 Вт/см2 при его фокусировке в пятно диаметром порядка 10 мкм [6]. Проработка вопросов использования таких лазеров в заявляемых технических решениях потребовало дополнительных исследований, которые изложены в примере осуществлении заявляемых изобретений.
Выбранная ультравысокая интенсивность лазерного излучения в сочетании со сверхкороткой длительностью воздействия на мишень обусловливают особенности его взаимодействия с веществом. В случае релятивистской интенсивности лазерного излучения, свободными можно считать электроны, высвобожденные сильным электрическим полем электромагнитной волны.
При этом в условиях надбарьерной ионизации потенциальная яма каждого атома деформируется настолько сильно, что энергетический уровень основного состояния оказывается выше, чем максимальное значение потенциала. В результате электрон еще в атоме оказывается в несвязанном состоянии и его можно рассматривать как свободный. В условиях сверхкороткой длительности воздействия, т.е. в условиях заметного воздействия на ионы, только электроны участвуют в процессе трансформации лазерной энергии в другие виды. Современные лазеры способны излучать импульсы с длительностью, сравнимой и даже меньше времени ионизации атома. В этих условиях электроны под организующим воздействии электромагнитного поля лазерного излучения могут коллективным образом обеспечить процесс быстрой трансформации энергии. Релятивистская лазерная плазма - это область коллективных процессов. В плазме такие процессы называют неустойчивостями.
По сравнению с электродными ускорителями ионов лазерная плазма как инструмент ускорения ионов предоставляет принципиально новые уникальные возможности как для физического эксперимента, так и для практического применения. Эти возможности связаны, прежде всего, с сочетанием ультравысокой интенсивности и сверхкороткой длительности лазерного излучения, образующего плазму при его воздействии на вещество мишени. Ультравысокой при этом называют интенсивность больше 1017 Вт/см2, когда в падающей электромагнитной волне амплитуда электрического поля превышает внутриатомную напряженность на первой боровской орбите. Сверхкороткая длительность такого излучения (меньше 10-12 сек) сравнима и меньше времени плазменных релаксационных процессов и исключает заметное гидродинамическое движение тяжелых ионов в течение действия плазмообразующего лазерного воздействия. В таких условиях преобладают электронные коллективные механизмы трансформации лазерной энергии.
Электромагнитные поля, возникающие в лазерной релятивистской плазме, играют ключевую роль на всех этапах ее развития. Они определяют макроскопические характеристики плазмы, направленность и развитие энергетических процессов.
Все разнообразие процессов генерации заряженных частиц в лазерной релятивистской плазме можно разделить на два вида. Первый - генерация непосредственно во время действия лазерного излучения и второй - генерация в условиях образования, развития и существования в лазерной плазме сверхсильных электромагнитных полей, созданных, прежде всего, за счет рассмотренных выше вихревых электронных структур. Такое разделение условно, в реальности генерация потоков заряженных частиц происходит благодаря совместному действию этих процессов.
Пространственная структура магнитных полей, генерируемых в лазерной плазме, порождается вихревым движением заряженных частиц-электронов, т.к. только они взаимодействуют с электромагнитным полем лазерного излучения релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности. Этот процесс носит коллективный характер и не может быть сведен к простому сложению движений отдельных электронов.
Существует аналогия вихрей в классической механике сплошной среды и рассматриваемых электронных вихрей в лазерной плазме. Адекватность таких вихревых структур обусловлена их единым математическим описанием, что позволяет использовать для представления электронных и, в общем случае, квазинейтральных плазменных вихрей хорошо развитый математический аппарат классической теории вихревой гидро- (газо) динамики. Реальные вихри в механике сплошных сред хорошо описываются теоремами Гельмгольца [6].
Магнитная гидродинамика дает математическое обоснование образованию и движению электронных вихревых структур в лазерной плазме и связанными с этим обоснованием процессами генерации и распространения заряженных частиц. В условиях применимости магнитной гидродинамики, при больших значениях магнитного числа Рейнольдса (Re) в лазерной плазме в условиях справедливости уравнения Лондонов образуются вихревые электронные структуры, идентичные по своим свойствам вихрям в классической гидродинамике. Условие Rem много больше 1 отвечает случаю, когда магнитные силовые линии движутся вместе с частицами вихревой структуры и могут рассматриваться как "вмороженные".
В гидродинамике число Рейнольдса характеризует отношение между инерциальными силами и силами вязкости. В магнитной гидродинамике этот безразмерный параметр характеризует соотношение между процессами переноса вещества за счет его инерциального движения и за счет диффузии. Процесс диффузии преобладает при малых значениях магнитного числа Рейнольдса или при больших значениях коэффициента диффузии D. Коэффициент диффузии в магнитных полях имеет максимальное значение в случае аномальной бомовской диффузии. Не вдаваясь в детали этого вида диффузии, которая носит квантовый характер, отметим, что характерной величиной коэффициента аномальной диффузии Бома является величина D порядка 1 м2/ceк.
В случае большого значения магнитного числа Рейнольдса уравнение сводится к виду:
которое полностью идентично уравнению, определяющего вихрь в жидкости согласно третьей теоремы Гельмгольдца о вихрях с заменой Ω на циклотронную частоту вращения электрона в магнитном поле.
Уравнение Лондонов или закон сохранения обобщенного импульса дают взаимосвязь между скоростью электронов и вектор - потенциалом электромагнитного поля:
Принимая во внимание условие калибровки потенциала в виде div A=0, получим, что div V=0, что в точности совпадает с выражением, определяющим вторую теорему Гельмгольца о вихрях.
Таким образом, показано, что в условиях применимости магнитной гидродинамики, при больших значениях магнитного числа Рейнольдса в лазерной плазме в условиях справедливости уравнения Лондонов образуются вихревые электронные структуры, идентичные по своим свойствам вихрям в классической гидродинамике (подробнее см. в [6]).
Задачей комплексного изобретения является повышение эффективности заявляемых способа ускорения ионов и устройства его осуществления путем снижения громоздкости привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.
Пример реализации заявляемых способа ускорения ионов и устройства для его осуществления иллюстрируют временная диаграмма различных типов фонового излучения, возникающих в импульсном лазере при усилении сверхкороткого импульса, на фиг.1 и блок-схема устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2.
Согласно фиг.1 на временной диаграмме различных типов фонового излучения при функционировании лазера представлены:
1 - импульсы суперлюминесценции (длительность - сотни микросекунд);
2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования около 10 нс);
3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10÷100 пс);
4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10÷100 пс);
5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).
На блок-схеме устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2 изображены
- импульсный лазер 6 с лазерным лучом 7;
- вакуумная камера 9 с иллюминатором 8 и концентратором энергии 10;
- мишень 11 с фронтальной поверхностью 12 и тыльной поверхностью 13;
- плазменное образование 14; и тороидальный плазменный токовый слой 15 на тыльной поверхности 13;
- приемник ионов 16.
В дополнительных пунктах формулы изобретения предложены варианты использования циркулярной поляризации лазерного излучения в способе ускорения ионов и другого электропроводного материала мишени титана с растворенным в его объеме водородом, образующего протоны при воздействии луча импульсного лазера при его функционировании в устройстве для осуществления способа.
Способ ускорения ионов осуществляется при функционировании устройства для его осуществления следующим образом.
Согласно блок-схеме на фиг.2 на входе вакуумной камеры 9 устанавливают импульсный лазер 6. При его функционировании лазерный луч 7 ориентируют через иллюминатор 8 и размещенный внутри камеры концентратор энергии 10 на фронтальную поверхность 12 мишени 11. При этом концентратор энергии 10 преднамеренно ориентирует луч 7 импульсного лазера 6 под определенным углом на фронтальную поверхность 12 мишени 11, так как в случае наклонного падения электромагнитной волны лазерного излучения на плоскую твердую мишень электрическое поле, возникающее за счет разделения зарядов, сосредоточено в тонком поверхностном скин-слое и, таким образом, перпендикулярно не направлению распространения волны, а нормали к поверхности мишени.
Фокусировку луча 7 импульсного лазера 6 осуществляют с использованием концентратора энергии 10 и высокоточного шагового двигателя (на фиг.2 не показан). Для подготовки устройства для осуществления способа ускорения ионов к работе необходимо с высокой точностью (около 1·10-6 м), разместить рабочую точку на фронтальной поверхности 12 мишени 11, установленной на юстировочной координатной платформе (на фиг.2 не показана).
После откачки камеры 9 приступают к работам по обеспечению фокусировки и контролируемого воздействия на фронтальную поверхность 12 мишени 11 луча 7 импульсного лазера 6 релятивистской интенсивности, при котором формируют высокую контрастность (105÷1010) луча лазера и его релятивистскую интенсивность
(1018÷1019 Вт/см2) при его сверхкороткой длительности (около 1·10-12 с). При этом высокий по отношению к фону излучения является одним из основных требований к лазерным излучателям мощных сверхкоротких импульсов [4].
При фокусировке на мишень импульса длительностью 1 пс с энергией 1 Дж в пятно диаметром около 30 мкм достигаются плотности мощности около 1017 Вт/см2. Порог возникновения лазерной плазмы значительно ниже и в зависимости от типа мишени составляет 1011÷1012 Вт/см2. Для полного предотвращения плазмообразования за счет фонового излучения предымпульса, опережающего основной импульс, необходимо обеспечение контраста 105÷106. При увеличении энергии импульса требования к контрасту становятся еще более жесткими [4].
При функционировании импульсного лазера 6 релятивистской интенсивности существуют несколько причин возникновения фонового излучения, по-разному проявляющегося на разных временных интервалах функционирования. Наиболее типичные случаи изображены на фиг.1: 1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд); 2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования около 10 нc); 3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10÷100 пс); 4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10÷100 пс); 5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).
В микросекундном диапазоне основным источником шумов является суперлюминесценция в активной среде усилительных каскадов. Для типичных твердотельных активных сред, таких как неодимовое стекло или сапфир с титаном, мощность усиленного спонтанного излучения обычно не превышает нескольких сотен ватт. Оно имеет высокую угловую расходимость и достаточно эффективно подавляется пространственными фильтрами.
Шумовое излучение другого типа связано с периодическим характером генерации сверхкороткого импульса и его последующего усиления в регенеративном усилителе (РУ). Внутрирезонаторное излучение твердотельных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, как правило, представляет собой цуг импульсов, следующих с интервалом ~10 нc. При выделении одиночного импульса в результате конечного пропускания электрооптического затвора и других элементов оптической селекции возможно неполное подавление соседних импульсов цуга. На выходе из РУ могут возникнуть аналогичные остаточные импульсы с периодом следования, кратным времени обхода излучением резонатора усилителя.
Помимо импульсов, следующих с наносекундным временным интервалом, могут возникнуть импульсы с интервалом следования в единицы и десятки пикосекунд, в частности в результате отражения от поверхностей оптических элементов. Существует и другая возможность появления фонового излучения в этом интервале - в результате усиления не полностью подавленных импульсов цуга задающего генератора, опережающих основной импульс. При включении добротности РУ к моменту прихода выделенного импульса большой интенсивности предшествующий остаточный импульс цуга успевает совершить полный обход резонатора РУ и начинает эффективно усиливаться вместе с основным импульсом. Временной интервал между основным и остаточным импульсами указанного типа определяется рассогласованием длин резонаторов генератора и усилителя. Поскольку резонаторы РУ и задающего лазера имеют близкие длины, характерные времена следования таких импульсов находятся в диапазоне десятков пикосекунд.
Ухудшение контраста излучения может происходить также в результате искажения спектра и самомодуляции излучения в процессе усиления. Для подавления самовоздействия обычно используется режим усиления линейно-чирпированного импульса, получаемого из исходного спектрально-ограниченного импульса путем принудительной квадратичной модуляции фазы излучения с помощью стретчера, обеспечивающего линейную положительную дисперсию. Однако даже в этом случае при достижении достаточно большой мощности импульс может приобрести дополнительный чирп в процессе усиления. Если приобретаемый чирп имеет нелинейный характер, полностью компенсировать его компрессором на дифракционных решетках, обеспечивающих отрицательную линейную дисперсию групповой скорости, не удается. Модуляция спектра и неполная компенсация нелинейного чирпа могут привести к появлению импульса-предвестника, опережающего основной импульс на времена, сравнимые с длительностью последнего.
Для того чтобы повысить контраст и свести к минимуму влияние шумового излучения, необходимо обеспечить надежный контроль временных и энергетических характеристик излучения в большом динамическом диапазоне. Измерения параметров фонового излучения в микро- и наносекундном временных диапазонах осуществляются обычными средствами лазерной фотометрии (с помощью быстродействующих фотоприемников и скоростных осциллографов). Для контроля формы сверхкороткого импульса на интервалах, сравнимых с его длительностью, разработаны достаточно эффективные методики с использованием нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков, основанные на измерении динамических спектрограмм автокорреляционной функции излучения. Такие методы позволяют довольно точно восстановить временную форму исследуемого пико- или фемтосекундного импульса.
Таким образом, для контролируемого воздействия на фронтальную поверхность мишени сформирован высоконтрастный (105÷1010) луч лазера релятивистской интенсивности (1018÷1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (около 1·10-12 с), который с фокусировкой необходимо направить на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов, формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности и для генерации квазистационарного магнитного поля с целью осуществления энергетического индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени.
В случае наклонного падения электромагнитной волны лазерного излучения на плоскую твердую мишень электрическое поле, возникающее за счет разделения зарядов, сосредоточено в тонком поверхностном скин-слое и, таким образом, перпендикулярно не направлению распространения волны, а направлению нормали к поверхности мишени. Соответственно, также сориентированы описанные выше электронные вихри с магнитными полями.
Электромагнитные поля, возникающие в плазме, несмотря на их квазистационарный характер, могут перемещаться в пространстве. Существенно, при этом, что скорость этого перемещения (дрейфа) совпадает со скоростью дрейфа заряженных частиц. Пинч-эффект в лазерной плазме приводит к выравниванию значений электрических и магнитных полей. В этом случае скорость дрейфа заряженных частиц близка к скорости света.
Формирование вихревых электронных структур в лазерной релятивистской плазме, связанная с ним генерация сверхсильных квазистационарных полей, которые также как и заряженные частицы, движутся с большой скоростью дрейфа, независящей от заряда частиц, позволяют смоделировать процесс формирования и распространения узконаправленных высокоэнергетических потоков квазинейтральной плазмы - ионов и электронов.
На первой стадии этого процесса на глубине аномального скин-слоя за времена долей периода падающего излучения формируется электронная структура. Электрическое поле Е образуется в лазерной плазме за счет разделения зарядов (электронов), магнитно поле В - за счет вихревого движения электронов. Скорость дрейфа заряженных частиц совпадает со скоростью дрейфа самого электромагнитного поля в соответствии с утверждением, что плазма является замагниченной и поле в ней движется вместе с веществом.
В процессе своего движения перпендикулярно поверхности мишени электронный вихрь в силу кулоновского взаимодействия увлекает за собой ионы, в частности протоны. Высокоэнергетические электроны, обладая большой длиной пробега, практически не теряют своей энергии, двигаясь вглубь мишени. Ионы, захваченные движением электронов, обладают малой энергией и малой длиной пробега. Вследствие этого захваченные ионы быстро теряют энергию, а им на смену приходят новые. Этот процесс повторяется до тех пор, пока электроны не приблизятся к тыльной поверхности мишени. Захваченные здесь в приповерхностном слое, толщиной меньше длины пробега ионов, последние могут выйти в вакуум из мишени и двигаться как единое плазменное образование (ПО) вместе с электронным вихрем в тороидальном плазменном токовом слое (ТПТС). Замагниченность такой плазмы позволяет ей преодолевать значительные расстояния.
Предложенная модель хорошо объясняет экспериментальные данные:
- перпендикулярное к поверхности мишени распространение ионных (протонных) пучков;
- наличие в зарегистрированных сзади потоках ионов из тонкого поверхностного слоя, нанесенного на тыльной поверхности мишени;
- кольцеобразная форма потоков;
- аномально малая расходимость плазменных потоков, зарегистрированная в экспериментах по формированию ионных пучков.
В физике и технике прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза [1] предлагаемые способ ускорения ионов и устройство для его осуществления могут оказаться наиболее перспективными техническими решениями для зажигания мишеней инерциального синтеза. Например, использование ускоренных ионов по сравнению с электронными пучками для зажигания мишеней состоит в более высокой эффективности передачи энергии термоядерному веществу, которая в отличие от случая быстрых электронов происходит практически без рассеяния частиц (см. [1], с.50).
Литература
1. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. / Под ред. Б.Ю.Ширкова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.
2. Способы ускорения ионов и устройства для их осуществления: Авт. св. СССР, кл. МКИ Н02n, 1/00, №192306 «Способ ускорения ионов», заявлен 22.11.1963, опубликован 12.04.1967; Авт. св. СССР МКИ H05h 5/00, №307743 «Ускоритель заряженных частиц», заявлен 24.04.1970, опубликован 21.06.1971; Авт. св. СССР, кл. МКИ H05h, 7/04, №340122 «Способ накопления электрической энергии и генерирования импульсов тока», заявлен 3.05.1971, опубликован 24.05.1972 и др. - аналоги заявляемых способа ускорения ионов и устройства для его осуществления.
3. Способ генерации и ускорения ионов и устройство для его осуществления, предложенный в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (HID) №1138212, заявленном 23.05.1966 - прототип заявляемых способа ускорения ионов и устройства для его осуществления.
4. Беляев В.С и др. Измерение параметров излучения сверхкороткой длительности методом спектральной интерферометрии чирпированных импульсов. // Квантовая электроника. 2000. Т.30, №3, с.229.
5. Лютер-Дэвис Б. и др. Вещество в сверхсильном лазерном поле. // Квантовая электроника. 1992. Т.19, №4, с.317.
6. Беляев B.C. Лазерная релятивистская плазма. Особенности, возможности, перспективы (в печати).
7. Андреев С.И. и др. Эффективность выделения энергии в плазме безэлектродного высокочастотного импульсного разряда в инертных газах. / Химия и физика низкотемпературной плазмы. - М., издательство Московского Университета, 1971. - 327 с.
Claims (5)
1. Способ ускорения ионов, основанный на генерации, выделении ионов и формировании пучка ионов из ионизируемого материала мишени после воздействия на поверхность мишени концентрированного луча лазера с энергией, достаточной для ионизации материала поверхностного слоя мишени, отличающийся тем, что выделение ионов и формирование пучка ионов осуществляют в приповерхностном слое на тыльной поверхности мишени с использованием установленной в вакууме мишени из электропроводного материала толщиной d много меньшей le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) при напылении на его тыльной поверхности слоя ионизируемого материала толщиной dl не менее li (li - длина пробега ускоряемых ионов в веществе мишени) при контролируемом воздействии на фронтальную поверхность мишени луча лазера релятивистской интенсивности, при этом формируют высококонтрастный (105÷1010) луч лазера релятивистской интенсивности (1018÷1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (около 1·10-12 с), который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности для генерации квазистационарного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования и тороидального плазменного токового слоя с выделением ионов из плазменного образования, их включением в тороидальный плазменный токовый слой и формирования пучка ионов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
2. Способ ускорения ионов по п.1, отличающийся тем, что для генерации в скин-слое фронтальной поверхности квазистационарного магнитного поля используют циркулярную поляризацию лазерного излучения.
3. Устройство для осуществления способа ускорения ионов, содержащее импульсный лазер с концентратором энергии на выходе и расположенную в вакууме на пути светового луча лазера мишень из ионизируемого материала, отличающееся тем, что мишень из ионизируемого материала выполнена из электропроводного материала толщиной d много меньшей le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) с напылением на его тыльной поверхности слоя ионизируемого материала толщиной dl не менее li (li - длина пробега ускоряемых ионов в веществе мишени), а для контролируемого воздействия на мишень выбран импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности (1016÷1021 Вт/см2) сверхкороткой длительности (около 1·10-12 с), образующий при своем функционировании в скин-слое на фронтальной поверхности мишени индуктор для индукционного и электромеханического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в нем плазменного образования и тороидального плазменного токового слоя с выделением ионов из плазменного образования, их включением в тороидальный плазменный токовый слой и формирования пучка ионов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
4. Устройство для осуществления способа ускорения ионов по п.3, отличающееся тем, что указанная мишень из ионизируемого материала выполнена из электропроводного материала - меди.
5. Устройство для осуществления способа ускорения ионов по п.3, отличающееся тем, что указанная мишень из ионизируемого материала выполнена из электропроводного материала титана толщиной d много меньшей le (le - длина пробега релятивистских электронов в веществе мишени) с растворенным в его объеме водородом, образующего при воздействии импульсного лазера при его функционировании на фронтальной поверхности мишени протоны с последующим формированием пучка протонов на тыльной поверхности мишени нормально (под углом 90°) и их ускорением к приемнику ионов.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007142528/28A RU2364979C1 (ru) | 2007-11-20 | 2007-11-20 | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007142528/28A RU2364979C1 (ru) | 2007-11-20 | 2007-11-20 | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2007142528A RU2007142528A (ru) | 2009-05-27 |
| RU2364979C1 true RU2364979C1 (ru) | 2009-08-20 |
Family
ID=41022744
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007142528/28A RU2364979C1 (ru) | 2007-11-20 | 2007-11-20 | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2364979C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449514C1 (ru) * | 2010-08-24 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления |
| RU2534507C1 (ru) * | 2013-04-01 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления |
-
2007
- 2007-11-20 RU RU2007142528/28A patent/RU2364979C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2449514C1 (ru) * | 2010-08-24 | 2012-04-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления |
| RU2534507C1 (ru) * | 2013-04-01 | 2014-11-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) | Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2007142528A (ru) | 2009-05-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Carbajo et al. | Direct longitudinal laser acceleration of electrons in free space | |
| Maksimchuk et al. | Forward ion acceleration in thin films driven by a high-intensity laser | |
| Umstadter | Relativistic laser–plasma interactions | |
| Hosokai et al. | Observation of strong correlation between quasimonoenergetic electron beam generation by laser wakefield and laser guiding inside a preplasma cavity | |
| Helle et al. | Laser-accelerated ions from a shock-compressed gas foil | |
| Borghesi et al. | Laser-driven proton acceleration: source optimization and radiographic applications | |
| JP6774934B2 (ja) | 放射源 | |
| Kassier et al. | Photo-triggered pulsed cavity compressor for bright electron bunches in ultrafast electron diffraction | |
| Gonoskov et al. | Multicascade Proton Acceleration by a Superintense Laser Pulse in the Regime<? format?> of Relativistically Induced Slab Transparency | |
| Borghesi et al. | Plasma ion evolution in the wake of a high-intensity ultrashort laser pulse | |
| Sadighi-Bonabi et al. | Observation of quasi mono-energetic electron bunches in the new ellipsoid cavity model | |
| Nie et al. | Highly spin-polarized multi-GeV electron beams generated by single-species plasma photocathodes | |
| Maier et al. | Brilliant light sources driven by laser-plasma accelerators | |
| RU2364979C1 (ru) | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления | |
| Kulagin et al. | Compression and acceleration of dense electron bunches by ultraintense laser pulses with sharp rising edge | |
| Malkov et al. | Collimated quasi-monochromatic beams of accelerated electrons in the interaction of a weak-contrast intense femtosecond laser pulse with a metal foil | |
| Bulanov et al. | Relativistically strong electromagnetic radiation in a plasma | |
| Culfa et al. | Plasma scale length and quantum electrodynamics effects on particle acceleration at extreme laser plasmas | |
| RU2449514C1 (ru) | Способ ускорения ионов и устройство для его осуществления | |
| Breuer | Dielectric laser acceleration of non-relativistic electrons at a photonic structure | |
| Uggerhøj | Relativistic ps− and ps | |
| WO2012177561A2 (en) | Method for generating electron beams in a hybrid laser-plasma accelerator | |
| Loza et al. | Increase in the average radiation power of a plasma relativistic microwave generator | |
| Costa et al. | Dependence of high-energy proton acceleration in TNSA regime by fs laser on the laser pulse shape | |
| RU2534507C1 (ru) | Способ инициирования ядерной реакции синтеза и устройство для его осуществления |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151121 |