RU2377687C1 - Laser source of highly charged ions - Google Patents
Laser source of highly charged ions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2377687C1 RU2377687C1 RU2008111413/28A RU2008111413A RU2377687C1 RU 2377687 C1 RU2377687 C1 RU 2377687C1 RU 2008111413/28 A RU2008111413/28 A RU 2008111413/28A RU 2008111413 A RU2008111413 A RU 2008111413A RU 2377687 C1 RU2377687 C1 RU 2377687C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- passage channel
- laser
- longitudinal axis
- plasma
- target
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к источникам ионов, предназначенных для ускорителей заряженных частиц.The invention relates to ion sources for charged particle accelerators.
Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов, описанные в работах [1], [2], [3].Analogs of the invention are laser ion sources described in [1], [2], [3].
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник ионов, в котором уменьшен разброс скоростей и углов разлета ионов на его выходе и который состоит из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, на поверхности которого установлены магниты таким образом, что они формируют внутри пролетного канала по всей его длине между мишенью и системой отбора ионов мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на его центральной продольной оси, резко нарастает в области стенок пролетного канала и системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси пролетного канала [4].The closest analogue, which is chosen as the prototype, is a laser ion source, in which the dispersion of the velocities and angles of expansion of ions at its output is reduced and which consists of a target, a laser, a passage channel made in the form of a metal pipe, the central longitudinal axis of which coincides with the original the direction of the hydrodynamic movement of the plasma stream from the target, on the surface of which magnets are mounted in such a way that they form inside the passage channel along its entire length between the target and the system from An ion boron is a multipole magnetic field whose lines of force are perpendicular to the longitudinal axis of the passage channel, and the intensity of this field, approaching zero on its central longitudinal axis, increases sharply in the region of the walls of the passage channel and the ion extraction system mounted on the central longitudinal axis of the passage channel [4 ].
Недостатком прототипа является малая величина генерируемого им тока ионов с высокой зарядностью, т.е. ионов имеющих высокое зарядовое состояние.The disadvantage of the prototype is the small value of the generated ion current with high charge, i.e. ions having a high charge state.
Известно, что на начальном этапе разлета плазмы происходит быстрый уход плазменных электронов с высокой энергией, способных ионизировать испаряемый материал мишени, из области мишени, облучаемой лазерным излучением. Скорость ухода таких электронов тем больше, чем выше их энергия. Поэтому процессы дальнейшего ионообразования в разлетающемся плазменном сгустке практически уже заканчиваются через промежуток времени, за который его характерные первоначальные размеры успевают увеличиться в два-три раза [5]. Это не позволяет извлекать из лазерной плазмы сильноточные пучки ионов высокой зарядности.It is known that at the initial stage of plasma expansion there occurs a fast escape of high-energy plasma electrons capable of ionizing the evaporated target material from the target region irradiated by laser radiation. The escape rate of such electrons is greater, the higher their energy. Therefore, the processes of further ionization in an expanding plasma bunch practically end already after a period of time, during which its characteristic initial sizes have time to increase by two to three times [5]. This does not allow the extraction of high-current ion beams of high charge from the laser plasma.
Целью изобретения является повышение тока ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности. В настоящем изобретении достижение поставленной цели обеспечивается не за счет увеличения плотности мощности лазерного излучения на мишени, как это широко известно [5], а путем более эффективного использования для ионизации частиц лазерной плазмы ее электронов, обладающих высокой энергией.The aim of the invention is to increase the current of ions of high charge in the beam at the output of a laser source of ions of high charge. In the present invention, achieving this goal is achieved not by increasing the power density of laser radiation on the target, as is widely known [5], but by more efficiently using its high-energy electrons for ionizing laser plasma particles.
Сущность изобретения заключается в том, что в пролетном канале лазерного источника ионов высокой зарядности между его началом и точками, в которых расширяющаяся при разлете лазерная плазма начинает касаться стенок пролетного канала, формируется магнитное поле сложной конфигурации, которое препятствует уходу плазменных электронов на боковые стенки пролетного канала и заставляет их осциллировать как в поперечных, так и в продольном направлениях разлета лазерной плазмы. Конфигурация данного магнитного поля такова, что в пролетном канале возникает эффект компрессии плазменных электронов вокруг его центральной продольной оси, в результате которой эти электроны интенсивно вытесняются магнитным полем с удаленных в поперечных направлениях участков пролетного канала в область его центральной продольной оси. В результате перечисленных выше эффектов, у плазменных электронов, обладающих энергией, большей или достаточной для однократной ионизации частиц плазмы (горячих электронов), появляется возможность неоднократного пролета через область расширяющейся плазмы и ионизации ее нейтральных и уже заряженных частиц, что способствует повышению зарядового состояния ионов в лазерной плазме и увеличению тока ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности.The essence of the invention lies in the fact that in the passage channel of a laser source of high-charge ions between its beginning and the points at which the expanding laser plasma begins to touch the walls of the passage channel, a complex magnetic field is formed that prevents the escape of plasma electrons to the side walls of the passage channel and makes them oscillate both in the transverse and longitudinal directions of the expansion of the laser plasma. The configuration of this magnetic field is such that in the passage channel there is an effect of compression of plasma electrons around its central longitudinal axis, as a result of which these electrons are intensively displaced by the magnetic field from sections of the passage channel removed in the transverse directions to the region of its central longitudinal axis. As a result of the above effects, plasma electrons with an energy greater or sufficient for a single ionization of plasma particles (hot electrons) have the possibility of repeatedly passing through the region of expanding plasma and ionizing its neutral and already charged particles, which contributes to an increase in the charge state of ions in laser plasma and an increase in the current of high charge ions in the beam at the output of the laser source of high charge ions.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерном источнике ионов высокой зарядности, состоящем из мишени, лазера, пролетного канала, выполненного в виде металлической трубы, центральная продольная ось которого совпадает с первоначальным направлением гидродинамического движения плазменного потока от мишени, на поверхности которого установлены магниты таким образом, что они формируют внутри пролетного канала мультипольное магнитное поле, силовые линии которого перпендикулярны продольной оси пролетного канала, а напряженность этого поля, приближаясь к нулю на его центральной продольной оси, резко нарастает в области стенок пролетного канала и системы отбора ионов, установленной на центральной продольной оси в конце пролетного канала, магниты установлены в зоне между началом пролетного канала и точками, в которых лазерная плазма начинает касаться стенок пролетного канала таким образом, что пары магнитов, находящиеся на диаметрально противоположных боковых сторонах пролетного канала, формируют магнитные поля, силовые линии которых направлены в противоположные стороны, а поперечные размеры мишени меньше поперечных размеров пролетного канала, причем ее область, облучаемая лазером, располагается на центральной продольной оси пролетного канала и удалена от его начала.The achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that in the laser source of high-charge ions, consisting of a target, a laser, a passage channel made in the form of a metal pipe, the central longitudinal axis of which coincides with the initial direction of the hydrodynamic movement of the plasma stream from the target, on the surface of which magnets are mounted so that they form a multipole magnetic field inside the passage channel, the lines of force of which are perpendicular to the longitudinal axis of the passage channel, and the intensity of this field, approaching zero on its central longitudinal axis, increases sharply in the region of the walls of the passage channel and the ion selection system installed on the central longitudinal axis at the end of the passage channel, magnets are installed in the zone between the beginning of the passage channel and the points in which the laser plasma begins to touch the walls of the passage channel so that the pairs of magnets located on the diametrically opposite lateral sides of the passage channel form magnetic fields, the lines of force of which apravleny in opposite directions, and the target transverse dimensions smaller than the transverse dimensions of the transit channel, and its region, the irradiated laser, is located on the central longitudinal axis and the transit channel is removed from its beginning.
Таким образом, в предлагаемом изобретении в результате использования предложенных элементов конструкции и оборудования, установленных и соединенных именно указанным образом, возникает новое физическое свойство, выражающееся в увеличении времени пребывания горячих плазменных электронов в лазерной плазме, что способствует росту средней температуры электронной компоненты лазерной плазмы на участке пролетного канала между мишенью и точками касания лазерной плазмой стенок пролетного канала. Это позволяет, по сравнению с наиболее близким аналогом, увеличить время, в течение которого происходит процесс образования новых ионов в лазерной плазме, повысить общую зарядность ее ионной компоненты и увеличить ток ионов высокой зарядности в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности.Thus, in the present invention, as a result of using the proposed structural elements and equipment installed and connected in this way, a new physical property arises, which is expressed in an increase in the residence time of hot plasma electrons in the laser plasma, which contributes to an increase in the average temperature of the electronic component of the laser plasma in the region the passage channel between the target and the points of contact by the laser plasma of the walls of the passage channel. This allows, in comparison with the closest analogue, to increase the time during which the process of formation of new ions in the laser plasma takes place, increase the overall charge of its ion component and increase the current of high charge ions in the beam at the output of the laser source of high charge ions.
Подчеркнем отличительные от прототипа конструктивные особенности изобретения. Именно предложенная геометрия мишени и расположение ее облучаемой лазером зоны на удалении от начала пролетного канала обеспечивают возможность формирования в нем мультипольного магнитного поля не только между мишенью и системой отбора ионов, как это имело место в прототипе, но и за областью мишени, облучаемой лазером. Оба этих фактора позволяют горячим плазменным электронам осциллировать в пролетном канале как перед зоной мишени облучаемой лазером, так и за ней и вновь возвращаться в область разлетающейся лазерной плазмы. В результате уменьшается вероятность их поглощения на торцевой стенке пролетного канала и на поверхностях мишени, не участвующих в плазмообразовании, что сохраняет горячие электроны для ионизации частиц в сгустке лазерной плазмы. Другая особенность данного изобретения заключается в том, что пары магнитов, установленные на диаметрально противоположных сторонах пролетного канала, формируют разнонаправленные магнитные поля. Это способствует уменьшению средней величины вектора аксиальной скорости смещения горячих плазменных электронов, увеличивая время их пребывания в лазерной плазме.We emphasize the distinctive design features of the invention. It is the proposed geometry of the target and the location of its laser-irradiated zone at a distance from the beginning of the passage channel that makes it possible to form a multipole magnetic field in it not only between the target and the ion selection system, as was the case in the prototype, but also behind the target region irradiated by the laser. Both of these factors allow hot plasma electrons to oscillate in the passage channel both in front of the target zone irradiated by the laser and behind it and again return to the region of the expanding laser plasma. As a result, the probability of their absorption on the end wall of the passage channel and on the target surfaces that are not involved in plasma formation decreases, which preserves hot electrons for ionization of particles in a laser plasma bunch. Another feature of this invention is that pairs of magnets mounted on diametrically opposite sides of the span channel form multidirectional magnetic fields. This helps to reduce the average value of the axial displacement velocity vector of hot plasma electrons, increasing their residence time in the laser plasma.
Известно техническое решение, в котором уменьшение разброса скоростей и углов разлета ионов в пучке на выходе лазерного источника ионов обеспечивается путем установки на всей длине его пролетного канала, а именно в пространстве между поверхностью мишени, облучаемой лазером, и системой отбора ионов магнитов, формирующих мультипольное магнитное поле схожей конфигурации [4]. Но фактов применения магнитных полей предложенной конфигурации именно предложенным способом как перед, так и за зоной мишени облучаемой лазером и по иному назначению, а именно для увеличения тока ионов с высокими зарядовыми состояниями в пучке на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности путем повышения температуры электронной составляющей лазерной плазмы в зоне между поверхностью мишени, облучаемой лазером, и точками касания боковых стенок пролетного канала лазерной плазмой, на уровне существующей техники не обнаружено.A technical solution is known in which a decrease in the spread in the velocities and angles of expansion of ions in a beam at the exit of a laser ion source is achieved by installing along the entire length of its passage channel, namely, in the space between the target surface irradiated by a laser and the ion selection system of magnets forming a multipole magnetic field of similar configuration [4]. But the facts of applying magnetic fields of the proposed configuration by the proposed method, both in front of and behind the target zone irradiated by the laser and for another purpose, namely to increase the current of ions with high charge states in the beam at the output of the laser source of high-charge ions by increasing the temperature of the electronic component of the laser plasma in the area between the surface of the target irradiated by the laser, and the points of contact of the side walls of the span channel with the laser plasma, at the level of existing technology is not detected.
Анализ отличительных существенных признаков и проявленных благодаря им свойств, связанных с достижением положительного технического результата, а именно возникновение нового физического свойства, приведшее к увеличению времени жизни электронов с высокими начальными энергиями в лазерной плазме, позволившее увеличить зарядовое состояние лазерной плазмы, приведшее к увеличению тока ионов высокой зарядности в пучке заряженных частиц на выходе лазерного источника ионов высокой зарядности, позволяет считать, что заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.An analysis of the distinctive essential features and the properties manifested due to them, associated with the achievement of a positive technical result, namely, the appearance of a new physical property, which led to an increase in the lifetime of electrons with high initial energies in a laser plasma, which made it possible to increase the charge state of the laser plasma, which led to an increase in the ion current high charge in a beam of charged particles at the output of a laser ion source of high charge, it can be assumed that the claimed technical the solution meets the criteria of the invention.
Лазерный источник ионов высокой зарядности показан на фиг.1. Он состоит из пролетного канала 1, мишени 2, магнитов 3, формирующих магнитное поле со сложной конфигурацией силовых линий 4 в пространстве между боковыми стенками пролетного канала и поверхностью лазерной плазмы 5, которое не занято разлетающейся лазерной плазмой, возникшей при попадании на материал мишени луча лазера 6, системы отбора ионов 7, экстрагирующей и формирующей из лазерной плазмы пучок ионов 8.A laser source of high charge ions is shown in FIG. It consists of the
Лазерный источник ионов высокой зарядности работает следующим образом. В пространстве пролетного канала 1 на отрезке между его началом и точками, в которых разлетающаяся лазерная плазма 5 начинает касаться боковых стенок канала, магниты 3 формируют сложное мультипольное магнитное поле с конфигурацией силовых линий 4, фиг.1. Как видно из этого чертежа, в аксиальном направлении пролетного канала величина магнитного поля для каждого значения его поперечной составляющей неизменна. Она близка к нулю вблизи центральной продольной оси пролетного канала и резко нарастает по мере смещения к стенкам пролетного канала, фиг.2. В пространстве с таким магнитным полем электроны, двигающиеся в поперечных направлениях, могут уходить на стенки пролетного канала только через магнитные щели, которые образуются на полюсах магнитов. Известно, что ширина такой щели не превосходит четырех величин гибридных ларморовских радиусов заряженных частиц лазерной плазмы (на практике это десятые доли миллиметра) [5]. Существующий в магнитном поле такой конфигурации градиент его напряженности в поперечных направлениях создает магнитное давление, стремящееся сместить электроны от боковых стенок в область центральной продольной оси пролетного канала. Поясним этот эффект. Электрон, двигающийся от центральной продольной оси к боковой стенке, пересекает силовые линии магнитного поля и под действием силы Лоренца изменяет свою траекторию, совершая вращательное движение вокруг силовых линий. Чем ближе электрон смещается к боковой стенке, тем меньше становится его ларморовский радиус вращения, что в конце концов приводит к изменению направления полета электрона на противоположное. Затем при движении электрона от стенки пролетного канала к его центральной продольной оси величина магнитного поля уменьшается и ларморовский радиус движения электрона увеличивается. Эти эффекты формируют в поперечных направлениях пролетного канала магнитное давление, вытесняющее электроны с периферии в область центральной продольной оси пролетного канала и удерживающее их в этой зоне.A laser ion source of high charge works as follows. In the space of the
После того как на мишень 2 попадает луч лазера 6, фиг.1, начинает испаряться и ионизироваться материал мишени, образуя на ее поверхности первичный плазменный сгусток с характерными размерами субмиллимитрового диапазона, плотность плазмы в котором составляет 1019-1021 см-3 [5], кроме изотропно-направленного разлета частиц первичного плазменного сгустка, определяемого температурой тяжелой компоненты лазерной плазмы (известно, что лазерная плазма термодинамически не равновесна). Этот сгусток как единое целое обладает и дополнительной составляющей продольного движения со скоростью порядка 104-105 м/с, направленной перпендикулярно к облучаемой лазером поверхности мишени [5]. В изобретении эта составляющая движения лазерной плазмы направлена от мишени к системе отбора ионов 7 вдоль аксиальной оси пролетного канала. В результате лазерная плазма 5 начинает разлетаться от мишени 2 в виде конуса, фиг.1. Зная продольную скорость движения лазерной плазмы, температуру ее тяжелой компоненты и поперечные размеры пролетного канала, можно рассчитать расстояние от облучаемого лазером участка мишени до точек, в которых плазма начнет касаться стенок пролетного канала.After the
Если в пролетном канале отсутствует мультипольное магнитное поле, горячие плазменные электроны, энергия которых может достигать нескольких кэВ [5], двигающиеся со скоростями, на 3-4 порядка большими скорости разлета лазерной плазмы, просто уходят из нее как в продольном, так и поперечном направлениях ее разлета. В результате за время расширения первичного плазменного сгустка до 2-4 значений своего первоначального размера (как правило, это доли микросекунды) основная масса горячих электронов лазерной плазмы, способных ионизировать ее тяжелую составляющую, успевает уйти из лазерной плазмы и на этом в ней в основном заканчивается период ионообразования [5].If there is no multipole magnetic field in the transit channel, hot plasma electrons, the energy of which can reach several keV [5], moving with velocities 3-4 orders of magnitude higher than the laser plasma expansion velocity, simply leave it both in the longitudinal and transverse directions her scatter. As a result, during the expansion of the primary plasma bunch to 2–4 values of its initial size (as a rule, these are fractions of a microsecond), the bulk of the hot electrons of the laser plasma, capable of ionizing its heavy component, manages to leave the laser plasma and basically ends there the period of ion formation [5].
В результате установки на боковых стенках пролетного канала 1 магнитов 3 магнитное давление, создаваемое магнитным полем 4, не позволяет горячим электронам лазерной плазмы уходить на эти стенки, фиг.1. Магнитное поле отражает электроны лазерной плазмы 5 от поверхности боковых стенок в сторону центральной продольной оси пролетного канала 1, заставляя их осциллировать в поперечных направлениях, фиг.3. В результате этого эффекта траектория движения плазменных электронов 6 может неоднократно проходить через область расширяющейся лазерной плазмы 4, фиг.3, что способствует продолжению ионизации тяжелой составляющей в лазерной плазме. Поскольку плотность лазерной плазмы в начальной области ее разлета высока (~1019-1021 см-3), это обуславливает высокую вероятность ионизации ее тяжелых частиц горячими электронами. Кроме того, электрон с высокой энергией, попавший в пятно на мишени лазерного излучения, даже если он не растратил свою энергию, проходя через сгусток лазерной плазмы, попав на материал мишени, передаст ему свою энергию и тем вызовет дополнительный нагрев мишени, усиливая процесс ионообразования. Эти факторы способствуют увеличению зарядности ионов в лазерной плазме. Высокая плотность лазерной плазмы на начальном этапе ее разлета не позволяет магнитному полю эффективно проникать в нее. Поэтому имеет смысл формировать мультипольное магнитное поле не во всем пролетном канале, как это имеет место в прототипе, а только на участке между мишенью и точками начала касания лазерной плазмой боковых стенок пролетного канала. Характерные диаметры пролетных каналов в лазерных источниках ионов, применяемых на ионных ускорителях, составляют ~50-120 мм, и область, в которой лазерная плазма заполняет уже все пространство канала, начиная касаться его стенок, обычно удалена от мишени на 100-200 мм.As a result of the installation of
Рассмотрим возможности удерживания горячих электронов в лазерной плазме при помощи магнитных полей иной конфигурации. Допустим, магнитное поле в пролетном канале направлено вдоль его продольной оси. В поперечном направлении оно будет препятствовать уходу плазменных электронов на боковые стенки пролетного канала. Но поскольку горячие плазменные электроны обладают аксиальной составляющей скорости, на 2-3 порядка большей, чем скорость распространения фронта лазерной плазмы в этом направлении, ничто не мешает им быстро уйти из плазменного сгустка по силовым линиям магнитного поля.Let us consider the possibilities of holding hot electrons in a laser plasma using magnetic fields of a different configuration. Suppose a magnetic field in a passage channel is directed along its longitudinal axis. In the transverse direction, it will prevent the escape of plasma electrons to the side walls of the passage channel. But since hot plasma electrons have an axial velocity component, which is 2–3 orders of magnitude greater than the propagation velocity of the laser plasma front in this direction, nothing prevents them from quickly leaving the plasma bunch along the magnetic field lines.
Если сформировать в пролетном канале простое поперечное магнитное поле, то оно также не препятствует уходу на боковые стенки пролетного канала горячих плазменных электронов из лазерной плазмы по силовым линиям опять же за счет высоких значений поперечных составляющих скорости этих электронов.If a simple transverse magnetic field is formed in the passage channel, then it also does not prevent hot plasma electrons from the laser plasma from moving along the field lines to the side walls of the passage channel of the plasma, again due to the high values of the transverse velocity components of these electrons.
Применение в пролетном канале скрещенных магнитных полей (в виде сетки) не создает механизма возврата плазменных электронов в область центральной продольной оси пролетного канала, что не препятствует уходу этих электронов из лазерной плазмы в результате столкновительных процессов.The use of crossed magnetic fields (in the form of a grid) in the passage channel does not create a mechanism for the return of plasma electrons to the region of the central longitudinal axis of the passage channel, which does not prevent the escape of these electrons from the laser plasma as a result of collision processes.
Только мультипольное магнитное поле предложенной конфигурации, обладающее градиентом магнитного давления, направленного от периферии к центральной продольной оси, с максимумом на боковых стенках пролетного канала и минимумом на его центральной продольной оси создает механизм возврата и удерживания горячих плазменных электронов вблизи этой оси.Only a multipole magnetic field of the proposed configuration, which has a magnetic pressure gradient directed from the periphery to the central longitudinal axis, with a maximum on the side walls of the passage channel and a minimum on its central longitudinal axis, creates a mechanism for returning and holding hot plasma electrons near this axis.
Магнитное поле с предложенной в изобретении конфигурацией силовых линий не позволяет горячим плазменным электронам уйти из разлетающейся лазерной плазмы и в направлении продольной оси пролетного канала. Силовые линии такого магнитного поля 4 оказываются всегда перпендикулярными к продольной составляющей скорости плазменного электрона, фиг.1. В результате появляется сила Лоренца, изменяющая направление полета плазменного электрона, заставляя его совершать круговое движение в плоскости, перпендикулярной силовым линиям магнитного поля. В процессе таких осцилляций электрон попеременно смещается вдоль продольной оси пролетного канала то в одну, то в другую сторону от первичного сгустка лазерной плазмы. В результате оказывается, что величина результирующего вектора скорости его смещения вдоль продольной оси по сравнению с высокими значениями мгновенной скорости горячего плазменного электрона меньше на несколько порядков.The magnetic field with the configuration of the lines of force proposed in the invention does not allow hot plasma electrons to escape from the expanding laser plasma and in the direction of the longitudinal axis of the passage channel. The lines of force of such a
Если силовые линии магнитного поля, создаваемого в пролетном канале 1 парами магнитов 3, расположенных на диаметрально противоположных стенках пролетного канала, фиг.3, направлены навстречу друг другу, то из образующейся в результате испарения материала мишени 2 лазерной плазмы 4, например, может эмитироваться плазменный электрон 5 и он начнет осциллировать по траектории 6, неоднократно пересекая область лазерной плазмы 4, фиг.3. В формализованном варианте модели его движения после завершения очередного кругового цикла он будет приходить в одну и ту же точку на центральной продольной оси пролетного канала и его результирующее смещение по продольной оси будет равно нулю. Реальность будет иной, но результирующая скорость смещения электрона в таком пролетном канале будет минимизирована. Это уменьшит вероятность его ухода из лазерной плазмы в продольном направлении ее разлета.If the lines of force of the magnetic field generated in the
Если направление силовых линий магнитного поля, создаваемого парами магнитов, расположенных диаметрально противоположно на боковых стенках пролетного канала, одинаковое, то вертикальная и горизонтальная составляющие скорости плазменного электрона будут приводить к вращательному движению электрона в одинаковом направлении (например, только по часовой стрелке или наоборот). В этом случае плазменный электрон, образованный в результате попадания на мишень 2 луча лазера 7, будет двигаться вдоль продольной оси пролетного канала по циклоиде 8, фиг.3. С учетом высокой скорости горячего плазменного электрона величина результирующего вектора скорости его аксиального движения может оказаться выше скорости распространения плазменного фронта в этом направлении и вероятность ухода такого электрона из плазмы возрастает.If the direction of the lines of force of the magnetic field generated by pairs of magnets located diametrically opposite on the side walls of the passage channel is the same, then the vertical and horizontal components of the velocity of the plasma electron will cause the electron to rotate in the same direction (for example, only clockwise or vice versa). In this case, the plasma electron formed as a result of the hit of the
Рассмотрим принципы, определяющие конструкцию мишени. Как показано на фиг.3, плазменные электроны осциллируют, смещаясь вдоль продольной оси пролетного канала в различных направлениях относительно точки их вылета. Для того чтобы они не адсорбировались на торцевой стенке пролетного канала и поверхности мишени, не облучаемой лазером, в изобретении предлагается область мишени 2, из которой в основном и происходит вылет плазменных электронов 5 и на которую падает луч лазера 7, сместить относительно торцевой стенки начала пролетного канала 1, фиг.3. Поперечное сечение мишени 2 должно в минимальной степени перекрывать поперечное сечение пролетного канала 1, фиг.3, поэтому возможно выполнить конструктивно мишень в виде тонкого стержня. Реальный плазменный электрон движется в трехмерном пространстве, и вероятность его адсорбции на мишени такой конструкции будет минимизирована, как в варианте, показанном на фиг.3, так и в том случае, когда тонкий стержень мишени проходит по диаметру пролетного канала.Consider the principles that determine the design of the target. As shown in figure 3, the plasma electrons oscillate, shifting along the longitudinal axis of the passage channel in various directions relative to the point of their departure. In order to prevent them from adsorbing on the end wall of the passage channel and on the surface of the target not irradiated by the laser, the invention proposes the region of the
В предложенном изобретении плазменные электроны эффективно удерживаются магнитным полем от ухода из лазерной плазмы как в поперечном, так и в продольном направлениях ее разлета. Это позволяет увеличивать эффективность ионизации материала мишени в плазменном сгустке, повышать зарядность лазерной плазмы и величину тока ионов с высокими зарядовыми состояниями в ионном пучке на выходе предложенного изобретения без увеличения плотности мощности лазерного излучения на мишени.In the proposed invention, plasma electrons are effectively restrained by the magnetic field from escaping from the laser plasma in both the transverse and longitudinal directions of its expansion. This allows you to increase the efficiency of ionization of the target material in a plasma bunch, increase the charge of the laser plasma and the magnitude of the current of ions with high charge states in the ion beam at the output of the proposed invention without increasing the power density of the laser radiation on the target.
Данное изобретение может быть использовано, например, в драйвере тяжелоионного инерционного синтеза [2].This invention can be used, for example, in the driver of heavy ion inertial synthesis [2].
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
Фиг.1 - лазерный источник ионов высокой зарядности.Figure 1 - laser ion source of high charge.
Фиг.2 - изменение величины магнитного поля по радиусу пространства пролетного канала, свободного от лазерной плазмы.Figure 2 - change in the magnitude of the magnetic field along the radius of the space of the passage channel, free from laser plasma.
Фиг.3. - возможные траектории движения плазменного электрона с высокой энергией на участке разлета лазерной плазмы в пролетном канале с согласно или встречно направленными магнитными полями на диаметрально противоположных сторонах пролетного канала.Figure 3. - possible trajectories of motion of a plasma electron with high energy in the area of expansion of the laser plasma in the passage channel with corresponding or opposite magnetic fields on the diametrically opposite sides of the passage channel.
ЛитератураLiterature
1. А.А.Голубев, Ю.Н.Ерема, Б.Ю.Шарков и др. Измерение токов и зарядового состояния пучков, сформированных из лазерной плазмы. Препринт №134-88. М.: ИТЭФ, 1988.1. A.A. Golubev, Yu.N. Yerema, B.Yu. Sharkov et al. Measurement of currents and charge state of beams formed from a laser plasma. Preprint No. 134-88. M .: ITEP, 1988.
2. 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, 1983.2. L.Z. Barabash, Yu.A. Bykovsky, A. A. Golubev and others. Characteristics of laser plasma as an ion source for a driver of heavy-ion inertial synthesis. Preprint No. 12. M .: ITEP, 1983.
3. Г.Е.Беляев, Б.К.Кондратьев, А.В.Турчин и др. Комбинированный источник ионов с двухступенчатым электрическим разрядом. Патент RU №2248641 от 20.03.05 г.3. G.E.Belyaev, B.K. Kondratyev, A.V. Turchin and others. Combined ion source with a two-stage electric discharge. Patent RU No. 2248641 dated March 20, 2005
4. Б.К.Кондратьев, В.И.Турчин. Лазерный источник ионов. Патент RU №2206140 от 10.06.03 г.4. B.K. Kondratiev, V.I. Turchin. Laser ion source. Patent RU No. 2206140 dated 06/10/03.
5. Ю.П.Козырев, Б.Ю.Шарков. Введение в физику лазерной плазмы. Учебное пособие. М.: МИФИ, ч.1, с.22, 1980.5. Yu.P. Kozyrev, B.Yu. Sharkov. Introduction to laser plasma physics. Tutorial. M .: MEPhI,
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111413/28A RU2377687C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Laser source of highly charged ions |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008111413/28A RU2377687C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Laser source of highly charged ions |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2377687C1 true RU2377687C1 (en) | 2009-12-27 |
Family
ID=41643158
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008111413/28A RU2377687C1 (en) | 2008-03-24 | 2008-03-24 | Laser source of highly charged ions |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2377687C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2448387C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-04-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method to produce high-charge ion beam |
| RU2538764C2 (en) * | 2013-01-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Laser-plasma high-charge ion generator |
| RU181132U1 (en) * | 2018-03-06 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | LASER SOURCE OF MULTI-CHARGED IONS WITH ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE |
-
2008
- 2008-03-24 RU RU2008111413/28A patent/RU2377687C1/en active IP Right Revival
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2448387C2 (en) * | 2010-03-29 | 2012-04-20 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Method to produce high-charge ion beam |
| RU2538764C2 (en) * | 2013-01-09 | 2015-01-10 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Государственный научный центр Российской Федерации-Институт Теоретической и Экспериментальной Физики" | Laser-plasma high-charge ion generator |
| RU181132U1 (en) * | 2018-03-06 | 2018-07-05 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" | LASER SOURCE OF MULTI-CHARGED IONS WITH ELECTRON CYCLOTRON RESONANCE |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Von Issendorff et al. | A new high transmission infinite range mass selector for cluster and nanoparticle beams | |
| US6441569B1 (en) | Particle accelerator for inducing contained particle collisions | |
| Jiang et al. | Effects of front-surface target structures on properties of relativistic laser-plasma electrons | |
| Fukuda et al. | Optimized energetic particle emissions from Xe clusters in intense laser fields | |
| RU2377687C1 (en) | Laser source of highly charged ions | |
| Maenchen et al. | Magnetic focusing of intense ion beams | |
| CN112928001A (en) | Miniaturized penning ion source based on magnetic anode structure | |
| JP5204417B2 (en) | Ion detection system with reduced neutron noise | |
| Krása et al. | Temperature and centre-of-mass energy of ions emitted by laser-produced polyethylene plasma | |
| RU2390068C1 (en) | Laser source of multicharged ions | |
| CN109270374B (en) | Method for monitoring safe work of convoluted traveling wave | |
| Teng et al. | Beam collimation and energy spectrum compression of laser-accelerated proton beams using solenoid field and RF cavity | |
| RU2378735C1 (en) | Laser ion source with multipolar magnetic field | |
| CN208093168U (en) | Charged particle beam disperser and X-ray emission device | |
| CN105783589A (en) | Pulse clustered beam energy weapon | |
| Bazarchi et al. | Micromachined ionization vacuum gauge and improve its sensitivity with magnetic field | |
| Mumtaz et al. | Progress in vircators towards high efficiency: Present state and future prospects | |
| Swain et al. | Laser-cluster interaction in an external magnetic field: Emergence of a nearly monoenergetic weakly relativistic electron beam | |
| Yu et al. | Heavy-ion-fusion-science: summary of US progress | |
| RU2206140C1 (en) | Laser ion source | |
| US20210195726A1 (en) | Linear accelerator using a stacked array of cyclotrons | |
| SU1067972A1 (en) | Method of producing negative ions | |
| Zakharov et al. | Generation of Collisionless Shocks by Laser-Plasma Piston in Magnetised Background: Experiment “BUW” | |
| Grote et al. | Nonparaxial pulse broadening in a solenoid focusing element | |
| Merrison et al. | Development and applications of time-bunched and velocity-selected positron beams |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20150325 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20161227 |