RU2494491C2 - Laser source of ions with active injection system - Google Patents
Laser source of ions with active injection system Download PDFInfo
- Publication number
- RU2494491C2 RU2494491C2 RU2010138218/07A RU2010138218A RU2494491C2 RU 2494491 C2 RU2494491 C2 RU 2494491C2 RU 2010138218/07 A RU2010138218/07 A RU 2010138218/07A RU 2010138218 A RU2010138218 A RU 2010138218A RU 2494491 C2 RU2494491 C2 RU 2494491C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- laser
- ions
- output
- plasma
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Electron Sources, Ion Sources (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.The invention relates to ion sources for charged particle accelerators.
Аналогами изобретения являются лазерные источники ионов [1], [2], [3]. Системы инжекции ионов в известных аналогах работают в пассивном режиме. На электродах их ионно-оптических систем сохраняются неизменные в течение экстракции ионов величины электрических напряжений.Analogs of the invention are laser ion sources [1], [2], [3]. Ion injection systems in known analogues operate in a passive mode. At the electrodes of their ion-optical systems, electrical voltages remain constant during ion extraction.
Наиболее близким аналогом, который выбран за прототип, является лазерный источник ионов, состоящий из лазера, мишени, пролетного канала, системы инжекции с ионно-оптической системой, ускоряющие электроды которой соединены с источниками постоянного электрического напряжения [4].The closest analogue selected for the prototype is a laser ion source, consisting of a laser, a target, a span channel, an injection system with an ion-optical system, the accelerating electrodes of which are connected to sources of constant electric voltage [4].
Недостаток прототипа - большая величина эффективного эмиттанса генерируемого им ионного пучка. Обусловлен этот фактор изменением во время эмиссии ионов положения границы лазерной плазмы, относительно электродов ионно-оптической системы. Нестационарность ее положения приводит к увеличению диапазона углового расхождения ионов пучка (увеличению разброса углов огибающей границы ионного пучка), возникающего во время экстракции ионов.The disadvantage of the prototype is the large value of the effective emittance of the ion beam generated by it. This factor is due to a change in the position of the boundary of the laser plasma during the emission of ions relative to the electrodes of the ion-optical system. The non-stationary nature of its position leads to an increase in the range of angular divergence of the beam ions (an increase in the spread in the angles of the envelope of the boundary of the ion beam) that occurs during ion extraction.
Целью изобретения является уменьшение эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе лазерного источника ионов.The aim of the invention is to reduce the effective emittance of the ion beam at the output of the laser ion source.
Сущность изобретения в том, что достижение поставленной цели обеспечивается подачей на ускоряющий электрод ионно-оптической системы, размещенный между выходом пролетного канала и другим ускоряющим электродом, который установлен в системе инжекции на выходе ионно-оптической системы, электрического напряжения специальной формы, величина которого изменяется в течение экстракции ионов пропорционально изменению продольной (аксиальной) составляющей импульса давления частиц лазерной плазмы, перед ускоряющими электродами системы инжекции.The essence of the invention is that the achievement of this goal is ensured by applying to the accelerating electrode an ion-optical system located between the output of the span channel and another accelerating electrode, which is installed in the injection system at the output of the ion-optical system, an electric voltage of a special shape, the value of which varies in the course of ion extraction is proportional to the change in the longitudinal (axial) component of the pressure pulse of the laser plasma particles in front of the accelerating electrodes of the injection system and.
Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерном источнике ионов с активной системой инжекции состоящем из, лазера, мишени, пролетного канала, системы инжекции с ионно-оптической системой, в которой ускоряющий электрод, установленный на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения, а ускоряющий электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом, установленным на выходе ионно-оптической системы, электрически соединен с источником электрического напряжения специальной формы, который электрически соединен с зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала, перед ускоряющими электродами ионно-оптической системы и электрически соединен с лазером.The achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that in a laser ion source with an active injection system consisting of, a laser, a target, a passage channel, an injection system with an ion-optical system, in which an accelerating electrode mounted at the output of the ion-optical system is electrically connected to a constant voltage source, and an accelerating electrode located between the passage channel and the accelerating electrode mounted at the output of the ion-optical system is electrically connected to Source voltage of special shape which is electrically connected to the probe by a current sensor mounted on the transit channel output, acceleration electrodes before ion-optical system and is electrically connected with the laser.
По сравнению с прототипом и аналогами, в которых уменьшение эффективного эмиттанса на выходе лазерных источников ионов достигалось уменьшением площади апертур электродов ионно-оптических систем, что приводило к уменьшению величины инжектируемого ими тока ионов. В данном изобретении, в результате использования предложенных элементов конструкции, установленных и соединенных именно указанным образом, возникает новое физическое свойство. А именно, во время экстракции ионов стабилизируется положение границы лазерной плазмы, с которой производится отбор ионов в пучок, относительно электродов ионно-оптической системы.Compared with the prototype and analogues, in which the decrease in the effective emittance at the output of the laser ion sources was achieved by reducing the area of the apertures of the electrodes of the ion-optical systems, which led to a decrease in the ion current injected by them. In this invention, as a result of the use of the proposed structural elements installed and connected precisely in this way, a new physical property arises. Namely, during the extraction of ions, the position of the boundary of the laser plasma, from which the selection of ions into the beam, relative to the electrodes of the ion-optical system, is stabilized.
Известны технические решения, в которых на электроды ионно-оптической системы подается импульсное, но неизменное в течение экстракции ионов, по величине электрическое напряжение. Лазерных источников ионов, в которых для стабилизации положения плазменной границы инжектирующей ионы, на электроды ионно-оптической системы подается изменяющееся, именно, в течение экстракции ионов электрическое напряжение, амплитуда которого зависит от величины продольной составляющей импульса давления на входе ионно-оптической системы частиц плазмы, движущихся в аксиальном направлении, на уровне существующей техники не обнаружено.Known technical solutions in which the electrodes of the ion-optical system are supplied pulsed, but unchanged during the extraction of ions, the largest electrical voltage. Laser ion sources, in which, to stabilize the position of the plasma boundary of the injecting ions, the voltage changing during the extraction of ions is applied to the electrodes of the ion-optical system, the amplitude of which depends on the longitudinal component of the pressure pulse at the input of the ion-optical system of plasma particles, moving in the axial direction, at the level of the 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, выражающегося в стабилизации положения границы плазмы, эмитирующей ионы, относительно электродов ионно-оптической системы, способствующее уменьшению углового разброса огибающей ионного пучка за время инжекции и приводящее к уменьшению эффективного эмиттанса пучка ионов на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции 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 emergence of a new physical property, expressed in the stabilization of the position of the boundary of the plasma emitting ions relative to the electrodes of the ion-optical system, helping to reduce the angular spread of the envelope of the ion beam injection time and leading to a decrease in the effective emittance of the ion beam at the output of the laser ion source with an active injection system in allows you to consider that the claimed technical solution meets the criteria of the invention.
Лазерный источник ионов с активной системой инжекции, показанный на рис.1, состоит из лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует разлетающийся сгусток первичной лазерной плазмы, которая обладает, кроме радиального, дополнительным, первоначальным импульсом продольного движения Р. Эта плазма дрейфует в пролетном канале 3 к системе инжекции 4, предназначенной для отбора из нее заряженных частиц и формирования ионного пучка, включающей в себя ионно-оптическую систему (ИОС) 5, которая содержит ускоряющие электроды 6 с апертурами для экстракции заряженных частиц. В системе инжекции 4, ускоряющий электрод, расположенный на выходе ИОС 5, электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения 7. Другой ускоряющий электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом на выходе ИОС, электрически соединен с источником электрического напряжения специальной формы 8. А данный источник электрически соединен с лазером и электрически соединен с зондовым датчиком тока 9, установленным в лазерной плазме на выходе пролетного канала, перед электродами ИОС.The laser ion source with an active injection system, shown in Fig. 1, consists of laser 1, the light radiation of which, incident on target 2, forms an expanding bunch of the primary laser plasma, which, in addition to the radial, has an additional initial pulse of longitudinal motion P. This the plasma drifts in the passage channel 3 to the injection system 4, designed to select charged particles from it and form an ion beam, which includes an ion-optical system (IOS) 5, which contains accelerating electrodes 6 with an ape rtury for the extraction of charged particles. In the injection system 4, an accelerating electrode located at the output of the IOS 5 is electrically connected to a constant voltage source 7. Another accelerating electrode located between the span channel and an accelerating electrode at the output of the IOS is electrically connected to a special form of voltage source 8. And this the source is electrically connected to the laser and electrically connected to a probe current sensor 9 installed in the laser plasma at the exit of the passage channel, in front of the IOS electrodes.
В процессе разлета происходит разлет имеющего, изначально, малые размеры сгустка первичной лазерной плазмы не только в радиальном направлении, но и более быстрое, за счет наличия дополнительного импульса продольного движения, его «растягивание» по аксиальной оси пролетного канала. Зона аксиальной протяженности факела разлетающейся лазерной плазмы увеличивается пропорционально разбросу аксиальных скоростей ее частиц. Величину такого разброса можно оценить, зная моменты появления t0 и момент окончания токового сигнала на зондовом датчике тока относительно импульса лазера, это иллюстрирует верхний график на рис.2. Например, при длительности лазерного излучения, порядка, сотых долей микросекунды, типичные значения длительностей такого импульса, при длине пролетного канала, порядка, одного метра, составляют десятки микросекунд, и зависят от сорта ионов [3], [4]. Для частиц лазерной плазмы характерен большой разброс импульсов продольного движения. В системе инжекции 4 лазерная плазма является эмиттером ионов, а ускоряющие электроды 6 в ИОС 5, рис.1, можно рассматривать, как выполняющих роль коллекторов. В методиках, широко применяемых при разработке инжекторов заряженных частиц, позволяющих определять положение плазменной границы относительно ускоряющих электродов ИОС. Используется принцип равенства величины импульса продольного движения Р лазерной плазмы, величине сил электрического натяжения, зависящей от электрического потенциала на ускоряющих электродах ИОС [5]. В аналогах и прототипе величина электрического напряжения на электродах в течение экстракции ионов неизменна. Импульсы продольного движения частиц в лазерной плазме, как упоминалось выше, различны. Для частиц, сместившихся в процессе разлета, к началу (голове) плазменного факела, их величина наибольшая, т.к. эти частицы обладают наибольшей продольной скоростью движения. Величина импульсов продольного движения частиц спадает к концу (хвосту) факела разлетающейся лазерной плазмы из-за уменьшения скорости ее частиц, группирующихся в этой зоне. При такой динамике изменения импульсов частиц разлетающейся лазерной плазмы, положение ее плазменной границы относительно ускоряющих электродов ИОС будет меняться в течение экстракции ионов. При неизменной величине напряженности «тормозящего» электрического поля, эта граница будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц, сосредоточенных вначале импульса, и отдаляется, по мере прихода к системе инжекции более медленных частиц «хвоста» факела лазерной плазмы.In the process of expansion, the initial laser plasma bunch, which is initially small in size, is expanded not only in the radial direction, but also more rapidly, due to the presence of an additional momentum of longitudinal motion, its “stretching” along the axial axis of the passage channel. The zone of the axial extent of the plume of an expanding laser plasma increases in proportion to the spread of the axial velocities of its particles. The magnitude of such a spread can be estimated by knowing the instants of occurrence t 0 and the instant of termination of the current signal at the probe current sensor relative to the laser pulse, this is illustrated in the upper graph in Fig. 2. For example, when the laser radiation duration is of the order of hundredths of a microsecond, the typical values of the duration of such a pulse, when the passage channel is of the order of one meter, are tens of microseconds, and depend on the type of ions [3], [4]. Particles of laser plasma are characterized by a large scatter of longitudinal motion pulses. In injection system 4, the laser plasma is an emitter of ions, and accelerating electrodes 6 in IOS 5, Fig. 1, can be considered as performing the role of collectors. In the techniques widely used in the development of charged particle injectors, which make it possible to determine the position of the plasma boundary relative to the accelerating electrodes of the IOS. The principle of equality of the magnitude of the longitudinal motion pulse P of the laser plasma is used, the magnitude of the electric tension forces, which depends on the electric potential on the accelerating electrodes of the IOS [5]. In analogues and prototype, the magnitude of the electrical voltage at the electrodes during the extraction of ions is unchanged. The momenta of the longitudinal motion of particles in a laser plasma, as mentioned above, are different. For particles displaced during the expansion process to the beginning (head) of the plasma torch, their value is the largest, since these particles have the greatest longitudinal velocity. The magnitude of the pulses of the longitudinal motion of the particles decreases towards the end (tail) of the plume of the expanding laser plasma due to a decrease in the velocity of its particles grouping in this zone. With such a dynamics of changes in the momenta of particles of an expanding laser plasma, the position of its plasma boundary relative to the accelerating electrodes of the IOS will change during the extraction of ions. With a constant value of the “inhibiting” electric field, this boundary will be located closer to the IED electrodes for faster particles concentrated at the beginning of the pulse and will move away as the slower particles of the “plasma” plume arrive at the injection system.
Известно, что изменение положения ионов относительно электродов ИОС приводит к изменению угла огибающей (угла расхождения) ионного пучка на выходе системы инжекции [5].It is known that a change in the position of ions relative to the IOS electrodes leads to a change in the envelope angle (divergence angle) of the ion beam at the output of the injection system [5].
При оценке качества пучков заряженных частиц, в ускорительной технике пользуются понятием эмиттанса пучка, который является произведением диаметра пучка заряженных частиц на величину разброса импульсов движения для каждой точки этого пучка. Принято, данный разброс выражать в угловых единицах (радианах) [5]. График эмиттанса ионного пучка, в координатах на фазовой плоскости по оси ординат которой отложен угол расхождения пучка β, а по оси абсцисс - диаметр пучка d, при стационарном положении плазменной границы, будет представлен эллипсом, рис.3, Фиг.1. При «плохой» работе ионной оптики, когда, например, положение эмитирующей ионы плазменной границы изменяется в течение их экстракции, форма эмиттанса искажается. Площадь под кривой, охватывающей такой искаженный эмиттанс, называют эффективным эмиттансом пучка [5]. Она будет по величине больше эмиттанса. На рис.3, на Фиг.2, эффективный эмиттанс пучка проиллюстрирован в виде графика эллиптической формы - Еэф.When evaluating the quality of charged particle beams, the concept of beam emittance is used in accelerator technology, which is the product of the diameter of a charged particle beam by the magnitude of the dispersion of motion pulses for each point of this beam. It is accepted that this scatter is expressed in angular units (radians) [5]. The plot of the emittance of the ion beam, in the coordinates on the phase plane along the ordinate axis of which the beam divergence angle β is plotted, and the abscissa axis shows the beam diameter d, when the plasma boundary is stationary, will be represented by an ellipse, Fig. 3, Fig. 1. In the case of “poor” operation of ion optics, when, for example, the position of the plasma-emitting plasma boundary changes during their extraction, the shape of the emittance is distorted. The area under the curve covering such a distorted emittance is called the effective emittance of the beam [5]. It will be the largest emittance. In Fig. 3, Fig. 2, the effective emittance of the beam is illustrated in the form of a graph of an elliptical shape - E eff .
При вводе пучка заряженных частиц в ускоряющий канал ускорителя, необходимо согласовывать величину аксептанса данного канала с эффективным эмиттансом пучка заряженных частиц. В тех случаях, когда последний больше аксептанса канала ускорителя, часть ионов не будет ускорена [5]. Поэтому нестационарность положения плазменной границы является одной из проблем при использовании лазерных источников ионов в ускорителях заряженных частиц.When a beam of charged particles is introduced into the accelerating channel of the accelerator, it is necessary to coordinate the acceptance value of this channel with the effective emittance of the beam of charged particles. In those cases when the latter is greater than the acceptance of the accelerator channel, part of the ions will not be accelerated [5]. Therefore, the non-stationary position of the plasma boundary is one of the problems when using laser ion sources in charged particle accelerators.
В лазерных источниках ионов при формировании границы отбора ионов, величина импульса давления налетающей лазерной плазмой, которое должно компенсироваться силами электростатического натяжения ИОС, зависит не только от продольной скорости частиц лазерной плазмы, но и от их плотности на входе ИОС в различные временные периоды инжекции ионов. Плазменное давление можно оценить из выражения p~n·k·T [5], где: k - постоянная Больцмана, n - плотность частиц в плазме, T - их температура, которая, в нашем случае, есть аналог энергии продольного движения частиц лазерной плазмы. Фактор плотности ионов в лазерной плазме, как и разброс продольной составляющей скорости ионов, также влияет на положение плазменной границы относительно электродов ИОС.In laser ion sources during the formation of the ion selection boundary, the pressure pulse of the incident laser plasma, which must be compensated by the electrostatic tension of the IOS, depends not only on the longitudinal velocity of the laser plasma particles, but also on their density at the input of the IOS during different time periods of ion injection. Plasma pressure can be estimated from the expression p ~ n · k · T [5], where: k is the Boltzmann constant, n is the density of particles in the plasma, T is their temperature, which, in our case, is an analog of the energy of the longitudinal motion of laser plasma particles . The ion density factor in a laser plasma, as well as the scatter of the longitudinal component of the ion velocity, also affects the position of the plasma boundary relative to the IOS electrodes.
В предложенном изобретении положение плазменной границы, с которой производится отбор ионов в пучок, относительно ускоряющих электродов ИОС стабилизируется путем подачи изменяющегося электрического напряжения на ускоряющий электрод, размещенный между выходом пролетного канала и ускоряющим электродом на выходе ИОС и осуществляющий экстракцию ионов из плазмы. Причем характер изменения данного электрического напряжения в любой момент времени адекватен, не только моментальному значению аксиальной скорости ионов лазерной плазмы на входе системы инжекции, но и их плотности в это время в данном месте. Что позволяет оперативно воздействовать на лазерную плазму силами, изменяющимися пропорционально импульсу ее аксиальной скорости и плотности частиц и стабилизировать положение инжектирующей ионы плазменной границы относительно электродов ИОС, способствуя уменьшению эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе ИОС.In the proposed invention, the position of the plasma boundary at which ions are taken into the beam relative to the accelerating electrodes of the IOS is stabilized by applying a varying voltage to the accelerating electrode located between the output of the span channel and the accelerating electrode at the output of the IOS and extracting ions from the plasma. Moreover, the nature of the change in this electrical voltage at any time is adequate, not only to the instantaneous value of the axial velocity of the laser plasma ions at the input of the injection system, but also their density at this time in this place. This makes it possible to quickly act on the laser plasma by forces that are proportional to the momentum of its axial velocity and particle density and to stabilize the position of the injecting plasma boundary ions relative to the IOS electrodes, helping to reduce the effective ion beam emittance at the IOS output.
Лазерный источник ионов с активной системой инжекции работает следующим образом. Лазер 1 генерирует короткий импульс светового излучения, попадающий на мишень 2, в результате чего образуется лазерная плазма, которая разлетается в пролетном канале 3, рис.1. В момент генерации этого импульса электрический сигнал с лазера 1 поступает на источник электрического напряжения специальной формы 8, который начинает вырабатывать электрическое напряжение, величина которого изменяется обратно пропорционально времени между электрическим сигналом поступившем с лазера и моментом появления импульса на зондовом датчике тока 9, рис.1. Начальную уставку величины этого сигнала, для нулевого значения времени, производят с учетом энергии продольного движения быстрых частиц лазерной плазмы, пользуясь в расчетах широко известными методами определения их потенциальной энергии. Источник электрического напряжения специальной формы может иметь различную конструкцию. Например, включать в себя генератор пилообразного напряжения ГПН, усилитель У, сумматор С, как это показано на рис.1. В момент прихода частиц переднего фронта лазерной плазмы на зондовый датчик тока 9, электрический сигнал с него поступает на усилитель У и на ГПН. При этом, на выходе ГПН возникает электрическое напряжение, величина которого зависит от длительности временного интервала между импульсом лазера и моментом появления электрического сигнала на зондовом датчике тока. Далее, ГПН переходит в режим работы, при котором величина электрического сигнала на его выходе начинает уменьшаться пропорционально времени, отсчитываемого от момента прихода на него электрического сигнала с зондового датчика тока 9, рис.1. Характер изменения электрического напряжения на выходе ГПН показан на графике, обозначенном на рис.2, как ГПН. На этом графике, t0 - момент прихода сигнала с зондового датчика. Алгоритм изменения амплитуды данного графика, после его трансформации в соответствующее электрическое напряжение, позволяет стабилизировать положение плазменной границы, которое зависит от разброса аксиальной составляющей скоростей движения частиц в лазерной плазме.A laser ion source with an active injection system operates as follows. Laser 1 generates a short pulse of light radiation incident on target 2, resulting in the formation of a laser plasma, which scatters in the passage channel 3, Fig. 1. At the time of the generation of this pulse, the electric signal from the laser 1 is supplied to a special form of voltage source 8, which starts to generate an electric voltage, the value of which changes inversely with the time between the electric signal received from the laser and the moment the pulse appears on the probe current sensor 9, Fig. 1 . The initial setting of the magnitude of this signal, for a zero time value, is made taking into account the energy of the longitudinal motion of fast particles of the laser plasma, using widely known methods for calculating their potential energy in calculations. A source of electrical voltage of a special shape can have a different design. For example, include a GPN sawtooth generator, an amplifier U, an adder C, as shown in Fig. 1. At the time of arrival of the particles of the leading edge of the laser plasma to the probe current sensor 9, the electric signal from it is fed to the amplifier U and to the GPN. At the same time, an electric voltage arises at the output of the GPN, the magnitude of which depends on the length of the time interval between the laser pulse and the moment the electric signal appears on the probe current sensor. Next, the GPN goes into operation mode, in which the value of the electric signal at its output starts to decrease in proportion to the time counted from the moment the electric signal arrives at it from the probe current sensor 9, Fig. 1. The nature of the change in the electrical voltage at the output of the GPN is shown in the graph indicated in Fig. 2 as the GPN. In this graph, t 0 is the moment of arrival of the signal from the probe sensor. The algorithm for changing the amplitude of this graph, after its transformation into the corresponding electric voltage, makes it possible to stabilize the position of the plasma boundary, which depends on the spread of the axial component of the particle velocity in the laser plasma.
Этот же электрический сигнал, с зондового датчика тока 9, поступает на вход усилителя У, находящегося в источнике электрического напряжения специальной формы 8, рис.1. Изменение его амплитуды, например такое, как показано на графике «зонд», рис.2, отражает характер изменения плотности ионов, для различных моментов времени, в лазерной плазме на входе системы инжекции. Регистрация данного алгоритма позволяет компенсировать влияние изменения плазменного давления перед электродами ИОС в результате изменения здесь плотности частиц лазерной плазмы. Сигналы с выходов ГПН и У поступают в сумматор С, где они складываются и, усилившись до необходимого уровня, с выхода источника электрического напряжения специальной формы 8, подаются на соответствующий ускоряющий электрод 6 в ИОС 5, рис.1. Возможная форма такого электрического сигнала, компенсирующего плазменное давление, вызванное как разницей в величине ее аксиальной скорости, так и соответствующей плотности ионов, в различные моменты времени в лазерной плазме на входе ИОС, проиллюстрирована графиком Сумматор «С» на рис.2.The same electrical signal, from the probe current sensor 9, is fed to the input of the amplifier U located in a special form of voltage source 8, Fig. 1. A change in its amplitude, for example, such as shown in the "probe" graph, Fig. 2, reflects the nature of the change in the ion density, for different time instants, in the laser plasma at the input of the injection system. Registration of this algorithm makes it possible to compensate for the effect of changes in plasma pressure in front of the IOS electrodes as a result of a change in the density of laser plasma particles here. The signals from the GPN and U outputs enter the adder C, where they are added and, having amplified to the required level, from the output of a special form of an electric voltage source 8, are fed to the corresponding accelerating electrode 6 in IOS 5, Fig. 1. The possible shape of such an electrical signal compensating for the plasma pressure caused by both the difference in its axial velocity and the corresponding ion density at different time points in the laser plasma at the input of the IOS is illustrated by the adder “C” in Fig. 2.
Подача такого, оперативно изменяющегося, электрического напряжения, величина которого нормирована соответствующим образом, на ускоряющий электрод ИОС, осуществляющий экстракцию ионов, позволяет стабилизировать положение плазменной границы относительно электродов ИОС и уменьшить величину эффективного эмиттанса на выходе данного изобретения.The supply of such a rapidly changing electrical voltage, the value of which is normalized accordingly, to the accelerating IOS electrode performing ion extraction allows us to stabilize the position of the plasma boundary relative to the IOS electrodes and reduce the effective emittance at the output of this invention.
В результате экстракции ионов электрическим напряжением, генерируемым источником электрического напряжения специальной формы 8, происходит увеличение разброса аксиальных скоростей ансамбля частиц в зазоре между ускоряющими электродами 6 системы инжекции, рис.1. Для торможения более быстрых частиц налетающей лазерной плазмы, находящихся в начале импульса, требуется подача большего по величине отрицательного электрического потенциала на ближайший к лазерной плазме ускоряющий электрод ИОС, чтобы эффективно затормозить движущиеся в этой области плазменные электроны, которые будут удерживать связанные с ними электростатическими силами ионы лазерной плазмы. Этот фактор способствует дополнительному ускорению в этом зазоре более «быстрых» ионов, группирующихся в начале лазерного факела. Более медленные ионы, в «хвосте» факела лазерной плазмы, получат в данном зазоре меньшее дополнительное ускорение. Так как плазма в этой области имеет меньшую аксиальную скорость и для ее торможения требуется отрицательное электрическое напряжение меньшей амплитуды.As a result of the extraction of ions by electric voltage generated by a special form of electric voltage source 8, the spread of axial velocities of the ensemble of particles in the gap between the accelerating electrodes 6 of the injection system increases, Fig. 1. To slow down the faster particles of the incident laser plasma located at the beginning of the pulse, it is necessary to supply a larger negative electric potential to the accelerating IOS electrode nearest to the laser plasma in order to effectively slow down the plasma electrons moving in this region, which will hold the ions associated with them by electrostatic forces laser plasma. This factor contributes to additional acceleration in this gap of more “faster” ions, grouped at the beginning of the laser plume. Slower ions, in the “tail” of the laser plasma torch, will receive less additional acceleration in this gap. Since the plasma in this region has a lower axial velocity and negative braking voltage of lower amplitude is required for its inhibition.
Подача на ускоряющий электрод 6, расположенный на выходе ИОС 5, постоянного электрического напряжения, соответствующего величине требуемого ускоряющего напряжения в системе инжекции 4, компенсирует возникающий в зазоре между ее ускоряющими электродами разброс скоростей. Поскольку быстрые ионы более эффективно будут тормозиться величиной электрического напряжения, возникающего в результате его мгновенного перепада в зазоре между ускоряющими электродами 6 ионно-оптической системы, а для более медленных ионов в «хвосте» факела мгновенные значения этого перепада электрического напряжения будут меньше, и такие ионы получат меньший по величине «тормозящий» импульс.The supply to the accelerating electrode 6, located at the output of the IOS 5, of a constant electric voltage corresponding to the value of the required accelerating voltage in the injection system 4, compensates for the velocity spread in the gap between its accelerating electrodes. Since fast ions will be more effectively braked by the magnitude of the electric voltage arising as a result of its instantaneous difference in the gap between the accelerating electrodes 6 of the ion-optical system, and for slower ions in the “tail” of the torch, the instantaneous values of this differential voltage will be less, and such ions receive a smaller "braking" impulse.
В результате, на выходе системы инжекции будет пучок ионов, экстрагируемых с границы лазерной плазмы, положение которой относительно ускоряющих электродов ИОС не изменяется в течение их экстракции, а ионы пучка, на выходе системы инжекции, будут обладать одинаковой энергией, соответствующей требуемому значению.As a result, at the exit of the injection system there will be a beam of ions extracted from the boundary of the laser plasma, the position of which relative to the accelerating electrodes of the IOS does not change during their extraction, and the beam ions, at the exit of the injection system, will have the same energy corresponding to the required value.
Предложенное в изобретении техническое решение приводит к уменьшению величины эффективного эмиттанса ионного пучка на выходе лазерного источника ионов с активной системой инжекции. Что будет способствовать увеличению тока ионов, ускоряемого в ускорителях заряженных частиц. Данное изобретение может быть использовано в ускорительном комплексе ИТЭФ-ТВН.The technical solution proposed in the invention leads to a decrease in the effective emittance of the ion beam at the output of a laser ion source with an active injection system. Which will contribute to an increase in the ion current accelerated in charged particle accelerators. This invention can be used in the accelerator complex ITEF-TVN.
ЛитератураLiterature
1. Yu.A. Bykovskii, A.N. Gusev, Yu.P. Kozyrev et. all. Joint Institute for Nuclear Research, Report No. P 9-86-2, Dubna, 1986.1. Yu.A. Bykovskii, A.N. Gusev, Yu.P. Kozyrev et. all. Joint Institute for Nuclear Research, Report No. P 9-86-2, Dubna, 1986.
2. Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. С.323-337. 1998.2. I. Brown. Physics and technology of ion sources. M. World. S.323-337. 1998.
3. Ю.А. Сатов, А.В. Шумшуров, Н.Н. Алексеев и др. CO2-лазер в режиме свободной генерации для сильноточного источника ионов C4+. Москва. Институт Теоретической и Экспериментальной Физики. Препринт 3-09.2009.3. Yu.A. Satov, A.V. Shumshurov, N.N. Alekseev et al. CO 2 laser in the free-running regime for a high-current source of C 4+ ions. Moscow. Institute of Theoretical and Experimental Physics. Preprint 3-09.2009.
4. S.V. Khomenko, K.N. Makarov, S.G. Nishchuk et. all. Feasibility study of Pb+4 (80-100 mks, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source. Г.Н.Ц. Р.Ф. Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Препринт 0079-А. ЦНИИАТОМИНФОРМ 2001.4. SV Khomenko, KN Makarov, SG Nishchuk et. all. Feasibility study of Pb +4 (80-100 mks, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source. G.N.Ts. R.F. Trinity Institute for Innovative and Thermonuclear Research. Preprint 0079-A. TSNIIATOMINFORM 2001.
5. А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С.23-24, 107-150, 1992.5. A.T. Forrester. Intense ion beams. M. World. S.23-24, 107-150, 1992.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138218/07A RU2494491C2 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Laser source of ions with active injection system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010138218/07A RU2494491C2 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Laser source of ions with active injection system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2010138218A RU2010138218A (en) | 2012-03-20 |
| RU2494491C2 true RU2494491C2 (en) | 2013-09-27 |
Family
ID=46029873
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010138218/07A RU2494491C2 (en) | 2010-09-15 | 2010-09-15 | Laser source of ions with active injection system |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2494491C2 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0166254A2 (en) * | 1984-05-29 | 1986-01-02 | Tektronix, Inc. | Digital image correction circuit for cathode ray tube displays |
| RU2340057C2 (en) * | 2001-08-29 | 2008-11-27 | Саймер, Инк. | Laser lithographic light source with beam transmission |
| TW201012310A (en) * | 2008-08-28 | 2010-03-16 | Varian Semiconductor Equipment | High density helicon plasma source for wide ribbon ion beam generation |
| JP2010287415A (en) * | 2009-06-11 | 2010-12-24 | Nissin Ion Equipment Co Ltd | Filament and ion source equipped therewith |
-
2010
- 2010-09-15 RU RU2010138218/07A patent/RU2494491C2/en not_active Application Discontinuation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0166254A2 (en) * | 1984-05-29 | 1986-01-02 | Tektronix, Inc. | Digital image correction circuit for cathode ray tube displays |
| RU2340057C2 (en) * | 2001-08-29 | 2008-11-27 | Саймер, Инк. | Laser lithographic light source with beam transmission |
| TW201012310A (en) * | 2008-08-28 | 2010-03-16 | Varian Semiconductor Equipment | High density helicon plasma source for wide ribbon ion beam generation |
| JP2010287415A (en) * | 2009-06-11 | 2010-12-24 | Nissin Ion Equipment Co Ltd | Filament and ion source equipped therewith |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Khomenko S.V., Makarov K.N., Nishchuk S.G. et al. Feasibility study of Pb (+4) (80-100 mks, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source. Г.Н.Ц.Р.Ф. Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований. Препринт 0079-А. ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2001. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2010138218A (en) | 2012-03-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Gurevich et al. | Observation of the avalanche of runaway electrons in air in a strong electric field | |
| JP6489240B2 (en) | Orthogonal acceleration time-of-flight mass spectrometer | |
| US10283333B2 (en) | Nanocluster production device | |
| EP2641256A1 (en) | Sub-nanosecond ion beam pulse radio frequency quadrupole (rfq) linear accelerator system | |
| Dorchies et al. | Acceleration of injected electrons in a laser wakefield experiment | |
| RU161783U1 (en) | PULSE NEUTRON GENERATOR | |
| Moxom et al. | Ejected-electron energy spectra in low energy positron-argon collisions | |
| RU2494491C2 (en) | Laser source of ions with active injection system | |
| US11000245B2 (en) | Compact tunable x-ray source based on laser-plasma driven betatron emission | |
| RU186565U1 (en) | LASER-PLASMA ION INJECTOR WITH DYNAMIC ELECTROMAGNETIC FOCUSING OF THE ION BEAM | |
| RU2658293C1 (en) | Time-of-flight plasma ion spectrometer | |
| JP2015179629A (en) | Time-of-flight type mass spectroscope | |
| Isaev et al. | Collective acceleration of laser plasma in a nonstationary and nonuniform magnetic field | |
| RU2533194C2 (en) | High-frequency accelerating structure for ion beams extracted from laser plasma | |
| KR102088824B1 (en) | Time of flight mass spectrometer and driving method thereof | |
| RU2390068C1 (en) | Laser source of multicharged ions | |
| Anders et al. | Reducing ion-beam noise of vacuum arc ion sources | |
| RU2685418C1 (en) | Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing | |
| Beloplotov et al. | ICCD-imaging of a plasma glow during the prebreakdown stage of nanosecond discharges at both polarities in nitrogen, air, and argon | |
| RU2005104467A (en) | METHOD AND DEVICE FOR DETECTING SMUGGLING | |
| Sudakov et al. | TOF systems with two-directional isochronous motion | |
| RU199475U1 (en) | PULSE ION SOURCE | |
| Prech et al. | Response of the electron energy distribution to an artificially emitted electron beam: APEX experiment | |
| RU2619081C1 (en) | Method for accelerating ions by pulsed electron flow | |
| US20050017195A1 (en) | Combinations of deflection chopping systems for minimizing energy spreads |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FA92 | Acknowledgement of application withdrawn (lack of supplementary materials submitted) |
Effective date: 20120626 |
|
| FZ9A | Application not withdrawn (correction of the notice of withdrawal) |
Effective date: 20130319 |