Nothing Special   »   [go: up one dir, main page]

RU2685418C1 - Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing - Google Patents

Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing Download PDF

Info

Publication number
RU2685418C1
RU2685418C1 RU2018124217A RU2018124217A RU2685418C1 RU 2685418 C1 RU2685418 C1 RU 2685418C1 RU 2018124217 A RU2018124217 A RU 2018124217A RU 2018124217 A RU2018124217 A RU 2018124217A RU 2685418 C1 RU2685418 C1 RU 2685418C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plasma
laser
ion
ios
electrically connected
Prior art date
Application number
RU2018124217A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Иванович Турчин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт"
Priority to RU2018124217A priority Critical patent/RU2685418C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2685418C1 publication Critical patent/RU2685418C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02Details
    • H01J37/04Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
    • H01J37/08Ion sources; Ion guns

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to laser-plasma ion generator with active system of beam electrostatic focusing. Generator includes a laser, light radiation of which, reaching the target, forms a plasma drifting in the transit channel towards the ion-optical system (IOS). Current and time parameters of the plasma are measured using a current sensor. Current sensor is electrically connected to the input of the electric voltage amplifier and is installed at the output of the span channel in front of the IOS, which extracts ions from the plasma, formation and acceleration of ion beam and characterized by constant in time value of electric voltages on electrodes. Periodic system of different-potential diaphragms is installed at the output of the IOS, consisting of five diaphragms of the same thickness with apertures in the centre. First, the third and the fifth diaphragms, considering from the IOS output, are electrically connected to a separate source of power supply and are equipotential. Second diaphragm due to the IOS output is electrically connected to the linearly varying electric voltage generator, which is electrically connected to the laser and the current sensor, the fourth diaphragm is electrically connected to the output of the electric voltage amplifier, the input of which is connected to this current sensor.EFFECT: technical result is the possibility of differentially performing dynamic focusing of the ion beam extracted from the laser plasma in different gaps between its diaphragms, compensating for the dynamics of angular divergence in the beam caused by instability in time of the position of the plasma emission boundary of the ions relative to the electrodes of the IOS, without increasing the temperature of the ions in the plasma and the effective emittance of the ion beam.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.The invention relates to ion sources intended for particle accelerators.

Системы для электростатической фокусировки пучков заряженных частиц, выполненные по принципу электростатических линз (ЭСЛ) и широко применяемые в инжекторах ионов, работают в статическом или квазистатическом электрических режимах. На их электродах сохраняются неизменные значения величин электрических потенциалов в течение всего времени инжекции ионов. Известно, что при отборе ионов в пучок из плазмы, генерируемой при помощи лазерного излучения, положение ее границы изменяется относительно электродов ионно-оптической системы (ИОС) во время экстракции ионов (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин. Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, том 4, №1, с. 66-72, 2013). Наличие такой осцилляции положения границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС приводит к соответствующему изменению во времени угла огибающего ионного пучка (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 107 - 150, 1992), что способствует увеличению эффективного эмиттанса пучка заряженных частиц (И.М. Капчинский. Теория линейных резонансных ускорителей. М. Энергоиздат. С. 74-75. 1982). Перечисленные выше факторы препятствуют фокусировке электростатическими линзами ионных пучков, экстрагированных из лазерной плазмы.Systems for electrostatic focusing of charged particle beams, made on the principle of electrostatic lenses (ECL) and widely used in ion injectors, operate in static or quasistatic electrical modes. At their electrodes, constant values of electric potentials are maintained throughout the entire time of ion injection. It is known that when selecting ions into a beam from a plasma generated by laser radiation, the position of its boundary changes relative to the electrodes of the ion-optical system (IOS) during ion extraction (V.I. Turchin, S.V. Plotnikov, S.M. Savin. Features of Extraction of Ions from Laser Plasma (Nuclear Physics and Engineering, Vol. 4, No. 1, pp. 66-72, 2013). The presence of such an oscillation of the position of the ion emission boundary relative to the IOS electrodes leads to a corresponding change in the angle of the ion beam envelope (AT Forrester. Intense ion beams. M. Mir. P. 107 - 150, 1992), which contributes to an increase in the effective emittance of the beam charged particles (IM Kapchinsky. Theory of linear resonant accelerators. M. Energoizdat. S. 74-75. 1982). The factors listed above prevent electrostatic lenses from focusing ion beams extracted from a laser plasma.

Аналогом изобретения является лазерный источник ионов (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. С. 323-337. 1998). Недостаток, слабая эффективность фокусировки ионного пучка в ЭСЛ из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС.An analogue of the invention is a laser ion source (J. Braun. Physics and technology of ion sources. M. Mir. S. 323-337. 1998). Lack of weak focusing efficiency of the ion beam in ECL due to the instability of the position of the plasma border of the ion emission relative to the IOS electrodes.

Для аналога (М. Bourgeois, G. Hall, Н. Haseroth et. all. High charge-state ion beam production from a laser ion source. CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland, LINAC 96, 1996, p. 378-380) также характерна низкая эффективность фокусировки ионного пучка из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов.For analogue (M. Bourgeois, G. Hall, N. Haseroth et. All. High-level ion-beam ion beam production from a laser ion source. CERN, CH-1211 Geneva 23, Switzerland, LINAC 96, 1996, p. 378- 380) is also characterized by low efficiency of focusing the ion beam due to the instability of the position of the plasma border of ion emission.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является лазерный источник ионов с активной системой инжекции, позволяющей стабилизировать положение плазменной границы эмиссии относительно электродов ИОС. Он состоит: из лазера, мишени, пролетного канала, ионно-оптической системы, в которой ускоряющий электрод установлен на выходе ионно-оптической системы и электрически соединен с источником постоянного электрического напряжения, а электрод, расположенный между пролетным каналом и ускоряющим электродом электрически соединен с источником импульсного электрического напряжения, который электрически соединен с лазером и зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала перед электродами ионно-оптической системы (С.М. Савин, А.В. Турчин, В.И. Турчин. Лазерный источник ионов с активной системой инжекции. Патент на изобретение №2494491, дата публикации 27.09.2013).The closest analogue chosen for the prototype is a laser ion source with an active injection system, which allows stabilizing the position of the plasma emission boundary relative to the IOS electrodes. It consists of a laser, a target, a span channel, an ion-optical system in which an accelerating electrode is installed at the output of the ion-optical system and electrically connected to a source of constant electrical voltage, and the electrode located between the flying channel and the accelerating electrode is electrically connected to a source pulsed electrical voltage, which is electrically connected to a laser and a probe current sensor installed at the exit of the span channel in front of the electrodes of the ion-optical system (SM Savin , AV Turchin, VI Turchin. Laser source of ions with an active injection system. Patent for invention No. 2494491, published on September 27, 2013).

Техническая проблема заключается в слабой эффективности фокусировки ионного пучка из-за большой температуры экстрагируемых из лазерной плазмы ионов. Рост которой обусловлен увеличением температуры лазерной плазмы в результате действия на нее переменного электрического поля, создаваемого электродами ИОС в области экстракции ионов. Динамика изменения величины этого поля приводит к развитию плазменных нестабильностей, увеличению ионно-звукового шума и к росту температуры заряженных частиц, составляющих лазерную плазму.The technical problem is the low efficiency of focusing the ion beam due to the high temperature of the ions extracted from the laser plasma. The growth of which is due to the increase in the temperature of the laser plasma as a result of the action of an alternating electric field on it created by the IOS electrodes in the region of ion extraction. The dynamics of changes in the magnitude of this field leads to the development of plasma instabilities, an increase in the ion-acoustic noise, and an increase in the temperature of the charged particles that make up the laser plasma.

Техническим результатом является увеличение эффективности фокусировки ионного пучка, экстрагированного из лазерной плазмы без увеличения температуры ионов в плазме и эффективного эмиттанса ионного пучка.The technical result is an increase in the efficiency of focusing the ion beam extracted from the laser plasma without increasing the temperature of the ions in the plasma and the effective emittance of the ion beam.

Физическая сущность предложенного изобретения, обеспечивающая достижение заявленного технического результата, заключается в непрерывной компенсации углового расхождения ионного пучка, вызванного нестабильностью положения границы эмиссии ионов, методом поэтапной его фокусировки на выходе предлагаемого изобретения системой разнесенных в пространстве переменных электрических полей, величина которых связана с соответствующими параметрами лазерной плазмы в области отбора ионов. Для ее реализации на выходе лазерно-плазменного генератора ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка установлена диафрагмированная периодическая разнопотенциальная электростатическая система, аналогичная описанной в (С.И. Молоковский, А.Д. Сушков. Интенсивные электронные и ионные пучки. М. Энергоиздат. С. 233. 1991), но по сравнению с известной модифицированная в настоящей заявке таким способом, что на ее определенных участках пучок ионов фокусируется при помощи изменяющихся по заданному закону импульсов электрического напряжения. В настоящем изобретении предложено осуществлять подачу данных импульсов на соответствующие электроды от источников электропитания таким образом, что характер изменения их амплитуды на соответствующих электродах связан с положением плазменной границы эмиссии относительно электродов ИОС. Это позволяет непрерывно осуществлять динамическую регулировку фокусирующей силы в зазорах между диафрагмами в данной периодической разнопотенциальной электростатической системе, уменьшая величину углового расхождения ионного пучка для каждого отдельно взятого момента времени. Таким образом, в предложенном изобретении нестабильность углового расхождения ионного пучка, вызванная нестационарностью положения плазменной границы эмиссии, компенсируется соответствующим изменением фокусирующей силы в зазорах между диафрагмами внутри периодической системы разнопотенциальных диафрагм. При этом, фокусирующее электрическое поле действует только на ионы в пучке, и не оказывает влияние на состояние и температуру лазерной плазмы в области экстракции ионов.The physical nature of the proposed invention, ensuring the achievement of the claimed technical result, consists in continuous compensation of the angular divergence of the ion beam caused by the instability of the position of the ion emission boundary, by gradually focusing it on the output of the proposed invention by a system of spatially varying electrical fields plasma in the field of selection of ions. To implement it, at the output of a laser-plasma ion generator with an active electrostatic beam focusing system, a diaphragm-periodic periodic-potential electrostatic system, similar to that described in (SI Molokovsky, AD Sushkov. Intensive electron and ion beams, was installed. M. Energoizdat. C 233. 1991), but compared to the known, modified in this application in such a way that the ion beam is focused on certain parts of it by means of pulses that change according to a given law on voltage. In the present invention, it is proposed to apply these pulses to the corresponding electrodes from the power sources in such a way that the nature of the change in their amplitude at the respective electrodes is related to the position of the plasma emission boundary relative to the IOS electrodes. This allows continuous adjustment of the focusing force in the gaps between the diaphragms in a given periodic multi-potential electrostatic system, reducing the magnitude of the angular divergence of the ion beam for each individual point in time. Thus, in the proposed invention, the instability of the angular divergence of the ion beam, caused by the nonstationarity of the position of the plasma emission boundary, is compensated by a corresponding change in the focusing force in the gaps between the diaphragms inside the periodic system of different potential diaphragms. In this case, the focusing electric field acts only on the ions in the beam, and does not affect the state and temperature of the laser plasma in the region of ion extraction.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, состоящего из: лазера, мишени, пролетного канала, ионно-оптической системы, на выходе которой установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины, первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ионно-оптической системы, электрически соединены с отдельным источником электропитания и эквипотенциальны, вторая по счету диафрагма электрически соединена с генератором линейно изменяющегося электрического напряжения, который электрически соединен с лазером и датчиком тока, установленным в плазме на выходе пролетного канала, четвертая по счету диафрагма электрически соединена с усилителем электрического напряжения, электрически соединенным с этим датчиком тока.The achievement of the stated technical result is ensured by the fact that in a laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic beam focusing consisting of: a laser, a target, a transit channel, an ion-optical system, the output of which has a periodic system of different potential diaphragms consisting of five diaphragms of the same thickness, the first, third and fifth aperture of which, counting from the output of the ion-optical system, is electrically connected to a separate power source and equipotential, the second diaphragm is electrically connected to a generator of linearly varying electrical voltage, which is electrically connected to a laser and a current sensor installed in the plasma at the exit of the transit channel, the fourth diaphragm is electrically connected to an electric voltage amplifier electrically connected to this current sensor.

В отличие от аналогов и прототипа, в лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, в результате предложенных конструктивных изменений, установки на выходе ИОС последовательности разнесенных в пространстве системы электродов, соединенных с источниками электропитания предложенного типа, которые соединены электрически с лазером и датчиком тока в пролетном канале предложенным в заявке способом, возникает новое физическое свойство. Появляется возможность непрерывной фокусировки пучка ионов на выходе предлагаемого устройства динамически изменяющимися во времени электрическими полями, величина которых зависит от соответствующих параметров лазерной плазмы в области экстракции ионов не вызывая роста температуры плазмы в зоне отборе из нее ионов и формировании ионного пучка. Возникновение нового физического свойства, проявленного в результате предложенных конструкционных изменений, позволяет считать заявку соответствующей критерию изобретения.In contrast to the analogs and the prototype, in a laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic focusing of the beam, as a result of the proposed design changes, a sequence of spaced apart electrodes connected to power sources of the proposed type, electrically connected to a laser and the current sensor in the span channel proposed in the application of the method, there is a new physical property. It becomes possible to continuously focus the ion beam at the output of the proposed device by dynamically varying electric fields in time, the magnitude of which depends on the corresponding parameters of the laser plasma in the region of ion extraction without causing the plasma temperature to rise in the ion selection zone and the formation of an ion beam. The emergence of a new physical property, manifested as a result of the proposed structural changes, makes it possible to consider an application that meets the criteria of the invention.

Краткое описание чертежей:Brief Description of the Drawings:

На рис. 1 приведена схема лазерно-плазменного генератора ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка.In fig. 1 shows a diagram of a laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic beam focusing.

Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, показанный на рис. 1, состоит из: лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует лазерную плазму из элементов материала мишени, дрейфующую в пролетном канале 3 в сторону ионно-оптической системы 5. Токовые и временные параметры этой плазмы измеряются при помощи датчика тока 4, который электрически связан с входом усилителя электрического напряжения «У» и установлен на выходе пролетного канала 3 перед ИОС 5, осуществляющей отбор ионов в пучок, формирование и дальнейшее его ускорение. На выходе ИОС 5 установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм 6, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины с апертурами в центре. Ее первая, третья и пятая диафрагмы, считая от выхода ИОС 5, электрически подключены к источнику электропитания «ИП» и эквипотенциальны. Вторая, по счету от выхода ИОС 5, диафрагма электрически подключена к генератору линейно изменяющегося электрического напряжения «ГЛН», входы которого электрически соединены с лазером 1 и датчиком тока 4. Четвертая, по счету, диафрагма электрически соединена с выходом усилителя электрического напряжения «У», вход которого электрически соединен с датчиком тока 4, рис. 1.Laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic beam focusing, shown in Fig. 1, consists of: laser 1, the light radiation of which, falling on the target 2, forms a laser plasma from the elements of the target material, drifting in the passage channel 3 towards the ion-optical system 5. The current and time parameters of this plasma are measured using a current sensor 4 which is electrically connected to the input of an electric voltage amplifier “Y” and is installed at the exit of the passage channel 3 in front of IOS 5, which selects ions into the beam, forms it and further accelerates it. At the output of IOS 5, a periodic system of diaphragms of different potential 6 is installed, consisting of five diaphragms of equal thickness with apertures in the center. Its first, third and fifth diaphragms, counting from the output of IOS 5, are electrically connected to the “IP” power source and are equipotential. The second, on account of the output of IOS 5, the diaphragm is electrically connected to the generator of linearly varying electrical voltage "GLN", the inputs of which are electrically connected to the laser 1 and the current sensor 4. The fourth, in a row, diaphragm is electrically connected to the output of the voltage amplifier "U" whose input is electrically connected to the current sensor 4, Fig. one.

На рис. 2 показан вид импульсов электрического напряжения: (а) - на выходе ГЛН и (в) - на выходе усилителя «У».In fig. 2 shows the type of voltage pulses: (a) - at the output of the HL and (at) - at the output of the amplifier "U".

Известно, что стабилизация положения плазменной границы эмиссии заряженных частиц относительно ускоряющих электродов ИОС возникает при равенстве величины сил плазменного давления величине компенсирующей их силы электростатического натяжения, создаваемой электрическими потенциалами на электродах ИОС (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 23-24, 1992).It is known that the stabilization of the position of the plasma boundary of the emission of charged particles relative to the accelerating electrodes of the IOS occurs when the plasma pressure forces are equal and the electrostatic tension force compensating them generated by the electrical potentials on the IOS electrodes (AT Forrester. Intense ion beams. M. Mir. C 23-24, 1992).

Величина плазменного давления на электрическое поле ИОС в зоне формирования ионного пучка обусловлена несколькими факторами, а именно, на характер разлета первичного плазменного сгустка от мишени, после облучения ее лазером, влияет суперпозиция различных импульсов движения. Например, импульсов, зависящих от температуры плазмы и приводящих к изотропности направлений разлета ее частиц, и импульса продольного движения, получаемого частицами плазмы при их выходе из мишени, действие которого направлено перпендикулярно плоскости поверхности мишени (Я. Браун, Физика и технология источников ионов. М. Мир. С. 323-337. 1998). Суммарное действие упомянутых выше импульсов движения на частицы плазмы приводит к растягиванию первоначального плазменного сгустка в пролетном канале в виде расширяющейся плазменной струи. Диапазон значений аксиальных скоростей заряженных частиц плазмы, дрейфующей в пролетном канале, можно оценить, зная времена появления to и окончания токового сигнала на зондовом датчике тока относительно импульса лазера, рис. 2. Поскольку, длительность импульса лазерного излучения мала (как правило, не превосходит единиц или десятков наносекунд) ею в оценках можно пренебречь. Характер изменения во времени t, кинетической энергии продольного движения U плазмы по оси пролетного канала 3, рис. 1, иллюстрирован верхним графиком (а), рис. 2. Как следует из этого графика, частицы, в начале (голове) плазменной струи обладают наибольшей скоростью продольного движения. Скорость их дрейфа уменьшается в конце плазменной струи. Подобное распределение продольных скоростей заряженных частиц в дрейфующей лазерной плазме приводит к тому, что положение плазменной границы эмиссии ионов относительно ускоряющих электродов ИОС будет изменяться соответствующим образом. При неизменной величине напряженности электрического поля в ИОС, граница плазмы будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц в начале импульса, и отдаляется от ИОС, по мере прихода в зону экстракции более медленных частиц в «хвосте» струи лазерной плазмы. Поскольку в пролетном канале отсутствует диссипация энергии и лазерная плазма находится в состоянии свободного дрейфа, расстояние границы эмиссии ионов от электродов ИОС будет изменяться во времени по линейному закону.The magnitude of the plasma pressure on the electric field of the IOS in the zone of formation of the ion beam is due to several factors, namely, the nature of the expansion of the primary plasma bunch from the target, after irradiating it with a laser, is influenced by the superposition of various motion pulses. For example, impulses that depend on plasma temperature and lead to isotropy of the direction of scattering of its particles, and the impulse of longitudinal motion produced by plasma particles when they exit the target, which is directed perpendicular to the plane of the target surface (J. Braun, Physics and technology of ion sources. M Peace. Pp. 323-337. 1998). The cumulative effect of the above-mentioned motion pulses on plasma particles leads to the stretching of the original plasma bunch in the transit channel in the form of an expanding plasma jet. The range of axial velocities of charged plasma particles drifting in the transit channel can be estimated if we know the times of appearance and to the end of the current signal on the probe current sensor relative to the laser pulse, Fig. 2. Since the laser pulse duration is small (as a rule, does not exceed a few or tens of nanoseconds), it can be neglected in the estimates. The nature of the change in time t, the kinetic energy of the longitudinal motion U of the plasma along the axis of the transit channel 3, Fig. 1, is illustrated by the upper graph (a), fig. 2. As follows from this graph, the particles at the beginning (head) of the plasma jet have the highest speed of longitudinal movement. The speed of their drift decreases at the end of the plasma jet. Such a distribution of the longitudinal velocities of charged particles in a drifting laser plasma causes the position of the plasma border of ion emission relative to the accelerating electrodes of the IOS to change accordingly. With a constant value of the electric field strength in the IOS, the plasma boundary will be located closer to the IOS electrodes for faster particles at the beginning of the pulse, and moves away from the IOS as the slower particles in the “tail” of the laser plasma come into the extraction zone. Since there is no energy dissipation in the span channel and the laser plasma is in a state of free drift, the distance of the ion emission boundary from the IOS electrodes will vary linearly with time.

При формировании плазменной границы отбора ионов величина плазменного давления зависит не только от продольной скорости частиц в лазерной плазме. Она связана с плотностью зарядов в области эмиссии ионов в различные моменты времени. Расстояние d между плазменной границей эмиссии ионов и электродами ИОС, можно рассчитать, пользуясь уравнением баланса сил давления лазерной плазмы силам электростатического натяжения, создаваемых электрическим полем ИОС согласно (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир. С. 23-24, 1992) по формулеDuring the formation of the plasma boundary for the selection of ions, the magnitude of the plasma pressure depends not only on the longitudinal velocity of the particles in the laser plasma. It is related to the charge density in the region of ion emission at different points in time. The distance d between the plasma ion emission boundary and the IOS electrodes can be calculated using the pressure balance equation of a laser plasma to electrostatic tension forces generated by an IOS electric field according to (A.T. Forrester. Intense ion beams. M. Mir. P. 23-24 , 1992) according to the formula

ε0⋅ U2/2d2=n⋅k⋅T,ε 0 ⋅ U 2 / 2d 2 = n⋅k⋅T,

где: ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума, U - величина электрического потенциала на электроде экстракции в ИОС, d - расстояние между этим электродом и плазменной границей эмиссии ионов, n - плотность заряженных частиц в плазме, k - постоянная Больцмана, Т - их температура, которую в данных расчетах следует ассоциировать с энергией продольного дрейфа частиц в лазерной плазме. Изменение во времени плотности «n» частиц в такой плазме характеризуется изменением величины амплитуды импульса тока на датчике тока 4, рис. 1, иллюстрируемым нижним графиком (в) на рис. 2.where: ε 0 is the dielectric constant of the vacuum, U is the magnitude of the electric potential at the extraction electrode in the IOS, d is the distance between this electrode and the plasma border of ion emission, n is the density of charged particles in the plasma, k is the Boltzmann constant, T is their temperature, which, in these calculations, should be associated with the energy of the longitudinal drift of particles in a laser plasma. The change in time of the density of "n" particles in such a plasma is characterized by a change in the magnitude of the amplitude of the current pulse at the current sensor 4, Fig. 1, illustrated by the lower graph (c) in Fig. 2

В прототипе влияние перечисленных выше факторов на угловое расхождение ионного пучка компенсируется соответствующим изменением величины электрического поля, создаваемого ИОС. Действие такого поля на зарядовые компоненты плазмы приводит к нарастанию различного вида плазменных неустойчивостей (токовой, Бунеманова-Будкера, желобковой и т.п.), способствующих росту амплитуды плазменных колебаний, увеличению ионно-звукового шума и росту температуры ионов в лазерной плазме.In the prototype, the influence of the factors listed above on the angular divergence of the ion beam is compensated for by a corresponding change in the magnitude of the electric field created by the IOS. The effect of such a field on the charge components of the plasma leads to an increase in various types of plasma instabilities (current, Bunemanov-Budker, flute, etc.), contributing to the growth of the amplitude of plasma oscillations, an increase in the ion-acoustic noise and an increase in the temperature of the ions in the laser plasma.

Для повышения эффективности захвата ионов в режим ускорения высокочастотными (ВЧ) структурами ускорителя, пучки ионов на входе ускоряющих структур требуют дополнительной фокусировки. Увеличение температуры ионов в пучке приводит к росту его фазового объема, что препятствует захвату ионного пучка в режим ускорения и эффективности его фокусировки.To increase the efficiency of ion capture in the acceleration mode by high-frequency (HF) accelerator structures, ion beams at the input of accelerating structures require additional focusing. An increase in the temperature of the ions in the beam leads to an increase in its phase volume, which prevents the capture of the ion beam in the acceleration mode and the efficiency of its focusing.

В предложенном лазерно-плазменном генераторе ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, включающем в себя: лазер, световое излучение которого, попадая на мишень, образует плазму, дрейфующую в пролетном канале. Токовые и временные параметры которой измеряются при помощи датчика тока, электрически связанного со входом усилителя электрического напряжения и установленного на выходе пролетного канала перед ИОС, осуществляющей отбор ионов из плазмы, формирование и ускорение ионного пучка и характеризующейся неизменной во времени величиной электрических напряжений на электродах. На выходе этой ИОС установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины с апертурами в центре. Первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ИОС, электрически подключены к отдельному источнику электропитания и эквипотенциальны. Вторая по счету от выхода ИОС диафрагма электрически подключена к генератору линейно изменяющегося электрического напряжения, электрически связанному с лазером и датчиком тока, четвертая по счету диафрагма электрически связана с выходом усилителя электрического напряжения, вход которого электрически связан с датчиком тока.In the proposed laser-plasma ion generator with an active electrostatic beam focusing system, which includes: a laser whose light emission, falling on a target, forms a plasma drifting in the transit channel. The current and time parameters of which are measured using a current sensor electrically connected to the input of an electrical voltage amplifier and installed at the exit of the span channel in front of the IOS, which selects ions from the plasma, forms and accelerates the ion beam, and is characterized by an electrical voltage constant over time at the electrodes. At the output of this IOS, a periodic system of diaphragms of different potential is established, consisting of five diaphragms of equal thickness with apertures in the center. The first, third and fifth diaphragms of which, counting from the IOS output, are electrically connected to a separate power supply and are equipotential. The second diaphragm from the IOS output is electrically connected to a generator of linearly varying electrical voltage, electrically connected to a laser and a current sensor, the fourth diaphragm to be electrically connected to the output of an electrical voltage amplifier, whose input is electrically connected to a current sensor.

Таким образом, в настоящей заявке реализуется возможность динамической фокусировки экстрагированного из лазерной плазмы ионного пучка в разнесенных в пространстве зазорах между диафрагмами предложенной периодической системы, позволяющая компенсировать угловое расхождение пучка ионов, вызванное нестабильностью положения плазменной границы их эмиссии, без увеличения температуры плазмы и эмиттанса ионного пучка.Thus, in this application, the possibility of dynamic focusing of an ion beam extracted from a laser plasma in spatially separated gaps between the orifices of the proposed periodic system is realized, which makes it possible to compensate for the angular divergence of the ion beam caused by the instability of the plasma boundary of their emission without increasing the plasma temperature and the ion beam emittance .

Пример технической реализации.An example of technical implementation.

Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка работает следующим образом. Импульс лазерного излучения малой длительности (порядка единиц или десятков наносекунд), генерируемый лазером 1, попадает на мишень 2, установленную в пролетном канале 3 и образует первичный плазменный сгусток, состоящий из элементов материала мишени. В процессе разлета этого сгустка, его плазма, диффундируя в пролетном канале 3 в сторону ИОС 5, образует вблизи электродов ИОС 5 границу, с которой производится отбор ионов в пучок, рис. 1. В предложенной конструкции использована трехэлектродная ИОС 5 с постоянной величиной электрических напряжений на электродах, работающая в типовом режиме ускорение-замедление. При помощи указанной ИОС осуществляется отбор ионов, формирование и ускорение ионного пучка. Датчик тока 4 выполнен по принципу зонда Ленгмюра и установлен на выходе пролетного канала 3, рис. 1. Он предназначен для регистрации величины изменения во времени плотности заряженных частиц в плазме и времени пролета составляющих лазерную плазму элементов от мишени до ИОС. При отборе ионов в пучок из лазерной плазмы при помощи ИОС с постоянным электрическим полем было выявлено изменение положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС в течение времени их экстракции, в зависимости от величины продольной скорости ионов и значений их плотности в области эмиссии, что привело к соответствующему изменению углового расхождения ионного пучка на выходе ИОС в процессе экстракции. Данное явление способствует увеличению эффективного эмиттанса ионного пучка, затрудняя его фокусировку и препятствуя захвату ионов ВЧ-ускоряющми структурами в режим ускорения. Как показали эксперименты, одним из факторов, влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов, является эффект изменения продольной скорости ионов в зависимости от их нахождения в дрейфующей плазме. Ее характер, с учетом фактора линейности изменения в недиссипативной системе сил величины этой скорости, можно оценить, зная времена появления и окончания электрического сигнала на датчике тока 4, рис. 1, пользуясь данными верхнего графика (а), на рис. 2. Значения амплитуды в начальной части импульса на этом графике соответствуют энергии продольного движения наиболее быстрых ионов (точка to на рис. 2 (а) и (в)). По времени окончания данного импульса тока на графике, можно оценить кинетическую энергию продольного движения ионов в конце плазменной струи.Laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic focusing of the beam works as follows. A short duration laser pulse (of the order of units or tens of nanoseconds), generated by laser 1, hits a target 2 installed in the passageway 3 and forms a primary plasma bunch consisting of elements of the target material. In the process of scattering of this clot, its plasma, diffusing in the passage channel 3 towards IOS 5, forms near the IOS 5 electrodes the boundary from which ions are taken into the beam, fig. 1. In the proposed design, a three-electrode IOS 5 with a constant value of electrical voltages on the electrodes, operating in a typical acceleration-deceleration mode, is used. With the help of the specified IOS, ions are selected, the ion beam is formed and accelerated. The current sensor 4 is made according to the principle of the Langmuir probe and is installed at the exit of the span channel 3, fig. 1. It is intended to register the magnitude of the change in time of the density of charged particles in the plasma and the time of flight of the elements constituting the laser plasma from the target to the IOS. When selecting ions into a beam from a laser plasma using an IOS with a constant electric field, a change was found in the position of the plasma border of the ion emission relative to the IOS electrodes during the time of their extraction, depending on the value of the longitudinal velocity of the ions and their density values in the emission region, which led to a corresponding change in the angular divergence of the ion beam at the output of the IOS in the extraction process. This phenomenon contributes to an increase in the effective emittance of the ion beam, making it difficult to focus and preventing the RF acceleration structures from trapping ions into the acceleration mode. Experiments have shown that one of the factors affecting the position of the plasma border of ion emission is the effect of a change in the longitudinal velocity of the ions, depending on their location in the drifting plasma. Its character, taking into account the linearity factor of the change in the nondissipative force system of the magnitude of this velocity, can be estimated if we know the times of appearance and end of the electrical signal on the current sensor 4, Fig. 1, using data from the upper graph (a), in Fig. 2. The amplitude values in the initial part of the pulse on this graph correspond to the energy of the longitudinal movement of the fastest ions (point to in Fig. 2 (a) and (c)). By the end of the current pulse on the graph, it is possible to estimate the kinetic energy of the longitudinal movement of ions at the end of the plasma jet.

На выходе ИОС 5 установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм 6, осуществляющая фокусировку ионного пучка и состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины (порядка, 1-2 мм). Первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ИОС 5, эквипотенциальны и электрически подключены к отдельному источнику электропитания «ИП», рис. 1. Вторая по счету диафрагма электрически подключена к выходу генератору линейно изменяющегося электрического напряжения «ГЛН», один из входов которого запускается электрическим сигналом в момент генерации светового излучения лазером 1. Второй вход «ГЛН», связан с датчиком тока 4, рис. 1. Это позволяет, в зависимости от времени появления и исчезновения тока на нем, формировать на выходе «ГЛН» систему пилообразных импульсов с линейно изменяющимся по величине электрическим напряжением таким образом, чтобы величина этого напряжения в любой отдельный момент времени соответствовала значению кинетической энергии продольного движения заряженных частиц в области экстракции ионов лазерной плазмы. Это позволяет компенсировать действие данных факторов, негативно влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов. С выхода «ГЛН», рис. 1, линейно изменяющееся по амплитуде электрическое напряжение, характер изменения которого иллюстрируется верхним графиком (а) на рис. 2, подается на вторую диафрагму периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, рис. 1. Регулируя таким способом характер изменения амплитуд электрического напряжения в зазорах между первой, второй и третьей диафрагмами данной периодической системы, можно изменять жесткость фокусировки в этих областях, компенсируя угловое расхождение ионного пучка, вызванное фактором разброса продольных скоростей частиц в лазерной плазме.At the output of IOS 5, a periodic system of different potential diaphragms 6 is installed, which focuses the ion beam and consists of five diaphragms of equal thickness (on the order of 1–2 mm). The first, third and fifth diaphragms of which, counting from the output of IOS 5, are equipotential and electrically connected to a separate power source “IP”, fig. 1. The second diaphragm is electrically connected to the output of the generator of a linearly varying electrical voltage "GLN", one of the inputs of which is triggered by an electrical signal at the time of generation of light by the laser 1. The second input "GLN" is connected to the current sensor 4, Fig. 1. This allows, depending on the time of occurrence and disappearance of the current on it, to form at the output of the “GLN” a system of sawtooth pulses with a linearly varying electric voltage so that the value of this voltage at any particular point in time corresponds to the value of the kinetic energy of the longitudinal movement charged particles in the field of laser plasma ion extraction. This allows you to compensate for the effect of these factors that negatively affect the position of the plasma border of ion emission. With the release of "GLN", Fig. 1, a voltage that varies linearly in amplitude, the nature of which is illustrated by the upper graph (a) in Fig. 2, is fed to the second diaphragm of the periodic system of different-potential diaphragms 6, fig. 1. By adjusting in this way the nature of the variation of the voltage amplitudes in the gaps between the first, second and third diaphragms of a given periodic system, you can change the focusing rigidity in these areas, compensating for the angular divergence of the ion beam caused by the factor of the variation of the longitudinal particle velocities in the laser plasma.

Влияние другого фактора, связанного с изменением плазменного давления, зависящего от плотности зарядов на различных участках плазменной струи, компенсируется с учетом изменения во времени величины амплитуды электрического импульса, снимаемого с датчика тока 4 и поступающего на вход усилителя электрического напряжения «У», рис. 1. Данный импульс, характер изменения амплитуды которого во времени иллюстрируется нижним графиком (в), рис. 2, усиливается в усилителе «У» и с его выхода поступает на четвертую по счету диафрагму периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, рис. 1. Возникающее изменение во времени величины фокусирующей силы в зазорах между третьей и четвертой диафрагмами в данной периодической системе позволяет компенсировать угловое расхождение ионного пучка, вызванное изменением плотности заряженных частиц лазерной плазмы на границе эмиссии ионов.The influence of another factor associated with a change in plasma pressure, depending on the charge density in different parts of the plasma jet, is compensated for the time variation of the amplitude of the electric pulse taken from current sensor 4 and entering the amplifier’s electrical voltage “U”, fig. 1. This impulse, the nature of the change in amplitude of which in time is illustrated by the lower graph (c), fig. 2, is amplified in the amplifier “U” and from its output enters the fourth diaphragm of the periodic system of different potential diaphragms 6, fig. 1. The arising time variation of the focusing force in the gaps between the third and fourth diaphragms in this periodic system makes it possible to compensate for the angular divergence of the ion beam caused by the change in the density of charged particles of a laser plasma at the ion emission boundary.

Регулировкой величины выходного электрического напряжения на ИП (рис. 1), устанавливают требуемый угол огибающего ионного пучка.By adjusting the magnitude of the output electrical voltage on the PI (Fig. 1), set the required angle of the envelope of the ion beam.

Предложенная в данном изобретении динамическая фокусировка ионного пучка, разнесенная в пространстве между диафрагмами периодической системы разнопотенциальных диафрагм 6, и зависящая от параметров плазмы в области отбора ионов в пучок, позволяет осуществлять эффективную фокусировку ионного пучка вне зависимости от положения плазменной границы эмиссии ионов. Такой способ фокусировки не вызывает развитие дополнительных плазменных неустойчивостей, приводящих к увеличению температуры ионов в плазме и росту эффективного эмиттанса в инжектируемом ионном пучке, позволяя увеличить эффективность фокусировки пучка ионов и обеспечивая достижение заявленного технического результата.The proposed in this invention dynamic focusing of the ion beam, separated in the space between the diaphragms of the periodic system of different potential diaphragms 6, and depending on the plasma parameters in the region of the ion selection in the beam, allows for effective focusing of the ion beam, regardless of the position of the plasma ion emission. This method of focusing does not cause the development of additional plasma instabilities leading to an increase in the temperature of the ions in the plasma and an increase in the effective emittance in the injected ion beam, making it possible to increase the efficiency of the ion beam focusing and ensuring the achievement of the stated technical result.

Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка отличается простотой конструкции, надежностью работы и малой себестоимостью.A laser-plasma ion generator with an active electrostatic beam focusing system is characterized by simplicity of design, reliable operation and low cost.

Claims (1)

Лазерно-плазменный генератор ионов с активной системой электростатической фокусировки пучка, состоящий из лазера, мишени, пролетного канала, ионно-оптической системы, отличающийся тем, что на выходе ионно-оптической системы установлена периодическая система разнопотенциальных диафрагм, состоящая из пяти диафрагм одинаковой толщины, первая, третья и пятая диафрагмы которой, считая от выхода ионно-оптической системы, электрически соединены с отдельным источником электропитания и эквипотенциальны, вторая по счету диафрагма электрически соединена с генератором линейно изменяющегося электрического напряжения, который электрически соединен с лазером и датчиком тока, установленным в плазме на выходе пролетного канала, четвертая по счету диафрагма электрически соединена с усилителем электрического напряжения, который электрически соединен с этим же датчиком тока.A laser-plasma ion generator with an active system of electrostatic beam focusing, consisting of a laser, a target, a transit channel, an ion-optical system, characterized in that a periodic system of different potential apertures is installed at the output of the ion-optical system, consisting of five apertures of the same thickness, the first , the third and fifth diaphragms of which, counting from the output of the ion-optical system, are electrically connected to a separate power supply and are equipotential, the second diaphragm is electrically and connected to a generator of linearly varying electrical voltage, which is electrically connected to a laser and a current sensor installed in the plasma at the exit of the span channel, the fourth diaphragm in series is electrically connected to an electrical voltage amplifier that is electrically connected to the same current sensor.
RU2018124217A 2018-07-03 2018-07-03 Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing RU2685418C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124217A RU2685418C1 (en) 2018-07-03 2018-07-03 Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018124217A RU2685418C1 (en) 2018-07-03 2018-07-03 Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2685418C1 true RU2685418C1 (en) 2019-04-18

Family

ID=66168241

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018124217A RU2685418C1 (en) 2018-07-03 2018-07-03 Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2685418C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785079C1 (en) * 2022-02-14 2022-12-02 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Laser accelerator of charged particles for testing electronic component base

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6294790B1 (en) * 1997-09-23 2001-09-25 Ciphergen Biosystems, Inc. Secondary ion generator detector for time-of-flight mass spectrometry
US20090205782A1 (en) * 1999-05-26 2009-08-20 Tadahiro Ohmi Plasma processing apparatus
RU2484549C2 (en) * 2010-10-25 2013-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Laser-plasma generator of multicharged ions
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

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6294790B1 (en) * 1997-09-23 2001-09-25 Ciphergen Biosystems, Inc. Secondary ion generator detector for time-of-flight mass spectrometry
US20090205782A1 (en) * 1999-05-26 2009-08-20 Tadahiro Ohmi Plasma processing apparatus
RU2484549C2 (en) * 2010-10-25 2013-06-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Laser-plasma generator of multicharged ions
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

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2785079C1 (en) * 2022-02-14 2022-12-02 Акционерное Общество "Наука И Инновации" Laser accelerator of charged particles for testing electronic component base

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Glinec et al. Direct observation of betatron oscillations in a laser-plasma electron accelerator
US4912327A (en) Pulsed microfocused ion beams
Egorov et al. Formation and nonlinear dynamics of the squeezed state of a helical electron beam with additional deceleration
KR20160049425A (en) RF electron gun, linear Accelerator system and method for emitting pulse electron-beam
RU168025U1 (en) PULSE NEUTRON GENERATOR
RU2685418C1 (en) Laser-plasma ion generator with active system of electrostatic beam focusing
Kornilov et al. On the beam parameters of an electron gun with a plasma emitter
WO2014158479A1 (en) Ion source having negatively biased extractor
RU186565U1 (en) LASER-PLASMA ION INJECTOR WITH DYNAMIC ELECTROMAGNETIC FOCUSING OF THE ION BEAM
US11000245B2 (en) Compact tunable x-ray source based on laser-plasma driven betatron emission
JP2012099221A (en) Gas cluster ion beam gun, surface analysis device and surface analytical method
Doroshkevich et al. Efficiency of electron beam extraction to the atmosphere in an accelerator based on ion-electron emission
Viktorov et al. An experimental setup for studying the interaction of dense supersonic plasma flows with an arched magnetic field
Miura et al. Stable generation of quasi-monoenergetic electron beams with laser-driven plasma-based acceleration by suppressing nanosecond prepulse
Persaud et al. Staging of RF-accelerating units in a MEMS-based ion accelerator
CN108024439B (en) Ion RF accelerating structure and ion implanter applying same
RU2552518C2 (en) Method of generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range
RU176087U1 (en) ION GUN WITH VARIABLE PULSE RATE
Kozhevnikov et al. On the Physical Nature of “Anomalous” High Energy Electrons in Vacuum Diodes
Astrelin et al. Generation of a submillisecond electron beam with a high-density current in a plasma-emitter diode under the conditions of open plasma boundary emission
Sakaue et al. Laser-Compton scattering X-ray source based on normal conducting linac and optical enhancement cavity
Anders et al. Reducing ion-beam noise of vacuum arc ion sources
Burdovitsin et al. Generation of large cross-sectional area electron beams by a fore-vacuum-pressure plasma electron source based on the arc discharge
Kondrashev et al. Features of ion generation by a picosecond laser in the range of 1011–1013 W cm− 2 power densities
RU2494491C2 (en) Laser source of ions with active injection system