RU186565U1

RU186565U1 - LASER-PLASMA ION INJECTOR WITH DYNAMIC ELECTROMAGNETIC FOCUSING OF THE ION BEAM

Info

Publication number: RU186565U1
Application number: RU2018138283U
Authority: RU
Inventors: Владимир Иванович Турчин
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2019-01-24

Abstract

Предложен лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящий из: лазера, световое излучение которого, попадая на мишень, образует плазму, дрейфующую в пролетном канале, мишени, пролетного канала, на выходе которого установлен датчик тока для измерения токовых и временных параметров плазмы и ионно-оптической системы (ИОС), на электродах которой существуют неизменяющиеся по величине электрические потенциалы. При этом на выходе ИОС установлена периодическая линзовая система, состоящая из трех расположенных вдоль продольной оси ионного пучка собирающих магнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. Первый соленоид, считая от ИОС, электрически подключен к генератору импульсов тока линейно изменяющейся величины, который электрически связан с лазером и датчиком тока. Датчик тока установлен в плазме на выходе пролетного канала и электрически связан с входом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины и установлен на выходе пролетного канала перед ИОС, которая осуществляет отбор ионов из плазмы, формирование и дальнейшее ускорение ионного пучка. Второй соленоид, считая от ИОС, электрически подключен к усилителю тока «У», который электрически связан с тем же датчиком тока. Третий, по счету от ИОС, соленоид установлен на выходе периодической линзовой системы и электрически подключен к отдельному источнику электропитания. Этот соленоид позволяет задавать требуемый угол наклона огибающей ионного пучка после компенсации его углового расхождения, связанного с нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов. Предложенная конструкция позволяет непрерывно осуществлять поэтапную динамическую фокусировку экстрагированного из лазерной плазмы ионного пучка, обладающего большой кинетической энергией движения, при помощи системы отдельно взятых фокусирующих линз. Жесткость фокусировки в первых двух линзах поставлена в зависимость от скорости движения лазерной плазмы в пролетном канале и от изменения ее плотности в зоне отбора ионов в пучок. Такой способ фокусировки ускоренных до высокой энергии ионных пучков, экстрагированных из лазерной плазмы, позволяет непрерывно корректировать их угловое расхождение, вызванное нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС и не приводит к увеличению температуры ионов в плазме и росту эффективного эмиттанса ионного пучка. 2 ил.A laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam is proposed, consisting of: a laser, the light of which, incident on the target, forms a plasma drifting in the transit channel, the target, the passage channel, at the output of which a current sensor for measuring current and time plasma parameters and the ion-optical system (IOS), on the electrodes of which there are electric potentials that are unchanged in magnitude. At the same time, a periodic lens system is installed at the IOS output, consisting of three collecting magnetic lenses arranged along the longitudinal axis of the ion beam, made in the form of solenoids with screens. The first solenoid, counting from the IOS, is electrically connected to a linearly varying current pulse generator, which is electrically connected to the laser and the current sensor. A current sensor is installed in the plasma at the output of the passage channel and is electrically connected to the input of the current pulse generator of a linearly varying magnitude and installed at the output of the passage channel in front of the IOS, which selects ions from the plasma, generates and further accelerates the ion beam. The second solenoid, counting from the IOS, is electrically connected to the current amplifier "U", which is electrically connected to the same current sensor. The third, according to the account from the IOS, the solenoid is installed at the output of the periodic lens system and is electrically connected to a separate power source. This solenoid allows you to set the required angle of inclination of the envelope of the ion beam after compensating for its angular divergence associated with the instability of the position of the plasma ion emission boundary. The proposed design makes it possible to continuously stage-by-stage dynamic focusing of an ion beam extracted from a laser plasma with a high kinetic energy of motion using a system of separately taken focusing lenses. The focusing rigidity in the first two lenses is made dependent on the velocity of the laser plasma in the passage channel and on the change in its density in the zone of selection of ions into the beam. This method of focusing ionized beams accelerated to high energy extracted from a laser plasma makes it possible to continuously correct their angular divergence caused by the instability of the position of the plasma boundary of the ion emission relative to the IOS electrodes and does not increase the temperature of the ions in the plasma and increase the effective emittance of the ion beam. 2 ill.

Description

Полезная модель относится к источникам ионов, предназначенным для ускорителей заряженных частиц.The utility model relates to ion sources for charged particle accelerators.

Фокусировка электростатическими (ЭСЛ) линзами ускоренного до большой энергии пучка ионов ограничена рядом технических проблем. Для эффективной фокусировки в электростатических линзах заряженных частиц с высокой скоростью, при которой величина отношения их скорости к скорости света в вакууме β>0,1, где β - известный релятивистский фактор, необходима большая напряженность электрических полей. Это приводит к возникновению электрических пробоев между электродами линз. Поскольку, с ростом энергии ионного пучка действие данного негативного фактора только усиливается, возникает необходимость применения для фокусировки ионных пучков с большой энергией магнитных или электромагнитных фокусирующих линз (ЭМЛ). В большинстве таких линз используется постоянное магнитное поле, создаваемое при помощи электромагнитных катушек или постоянными магнитами.Focusing by electrostatic (ESL) lenses of an ion beam accelerated to high energy is limited by a number of technical problems. For efficient focusing of charged particles in electrostatic lenses at a high speed, at which the ratio of their speed to the speed of light in vacuum β> 0.1, where β is a known relativistic factor, a large electric field is needed. This leads to electrical breakdowns between the lens electrodes. Since, with increasing ion beam energy, the effect of this negative factor only intensifies, it becomes necessary to use magnetic or electromagnetic focusing lenses (EML) for focusing ion beams with high energy. Most of these lenses use a constant magnetic field created by electromagnetic coils or permanent magnets.

При экстракции ионов из лазерной плазмы, генерируемой электромагнитным излучением лазера путем облучения мишени, изменяется положение плазменной границы, с которого производится отбор ионов в пучок, относительно электродов ионно-оптической системы (ИОС). Как следствие, изменяется и угол огибающей ионного пучка, что препятствует его эффективной фокусировке (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин, Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, №1, с. 66-72).When ions are extracted from a laser plasma generated by laser electromagnetic radiation by irradiating a target, the position of the plasma boundary from which ions are taken into the beam is changed relative to the electrodes of the ion-optical system (IOS). As a result, the angle of the envelope of the ion beam also changes, which prevents its effective focusing (V.I. Turchin, S.V. Plotnikov, S.M. Savin, Features of the extraction of ions from laser plasma. Nuclear Physics and Engineering, 2013, Volume 4 , No. 1, pp. 66-72).

Аналогом полезной модели является источник ионов с ЭМЛ фокусирующей линзой (Я. Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир. 1998, С. 323-337). Недостатком является низкая эффективность фокусировки ионного пучка из-за нестабильности положения плазменной границы эмиссии ионов.An analogue of the utility model is an ion source with an EML focusing lens (J. Brown. Physics and technology of ion sources. M. Mir. 1998, S. 323-337). The disadvantage is the low focusing efficiency of the ion beam due to the instability of the position of the plasma boundary of ion emission.

Известна фокусирующая периодическая линзовая система для пучков заряженных частиц с большой энергией, состоящая из последовательности собирающих магнитных линз, выполненных на базе электромагнитных соленоидов с экранами и расположенных вдоль оси пучка (С.И. Молоковский, А.Д. Сушков, Интенсивные электронные и ионные пучки. Москва. Энергоатомиздат, 1991, С. 213-214). Недостаток ее заключается в слабой эффективности фокусировки пучка из-за отсутствия связи фокусирующей силы этих линз с параметрами плазмы в области экстракции ионов вследствие применения лазерно-плазменных инжекторов ионов.A known focusing periodic lens system for beams of charged particles with high energy, consisting of a sequence of collecting magnetic lenses made on the basis of electromagnetic solenoids with screens and located along the axis of the beam (S.I. Molokovsky, A.D. Sushkov, Intense electron and ion beams Moscow, Energoatomizdat, 1991, S. 213-214). Its disadvantage lies in the low efficiency of beam focusing due to the lack of connection between the focusing force of these lenses and the plasma parameters in the ion extraction region due to the use of laser-plasma ion injectors.

Наиболее близким техническим аналогом, выбранным за прототип, является лазерный источник ионов с активной системой инжекции, состоящий 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, в свою очередь, электрически соединен с лазером и зондовым датчиком тока, установленным на выходе пролетного канала перед электродами ионно-оптической системы (В.И. Турчин, С.В. Плотников, С.М. Савин. Особенности экстракции ионов из лазерной плазмы. Ядерная физика и инжиниринг, 2013, том 4, №1, с. 66-72).The closest technical analogue selected for the prototype is a laser ion source with an active injection system, consisting of a laser, target, span channel, ion-optical system, in which the accelerating electrode is installed at the output of the ion-optical system and is electrically connected to a constant electrical source voltage, and the electrode located between the passage channel and the accelerating electrode is electrically connected to a pulse voltage source, which, in turn, is electrically connected to a laser and a probe current sensor installed at the output of the passage channel in front of the electrodes of the ion-optical system (V.I. Turchin, S.V. Plotnikov, S.M. Savin. Features of the extraction of ions from laser plasma. Nuclear physics and engineering, 2013, vol. 4, No. 1, pp. 66-72).

Техническая проблема заключается в низкой эффективности фокусировки ионного пучка из-за большой температуры ионов, экстрагируемых из лазерной плазмы. В ближайшем аналоге увеличение температуры ионов в пучке обусловлено ростом температуры лазерной плазмы, вызванного действием переменного электрического поля, создаваемого ИОС, в области экстракции ионов из этой плазмы. Сложная динамика изменения величины напряженности такого поля приводит к развитию различного вида плазменных нестабильностей: увеличению ионно-звукового шума, токовым неустойчивостям и к росту температуры заряженных частиц, составляющих лазерную плазму. Эти факторы способствуют увеличению фазового объема (эмиттанса) ионного пучка и затрудняют его фокусировку.The technical problem is the low focusing efficiency of the ion beam due to the high temperature of the ions extracted from the laser plasma. In the closest analogue, an increase in the temperature of ions in the beam is caused by an increase in the temperature of the laser plasma caused by the action of an alternating electric field created by the IOS in the region of extraction of ions from this plasma. The complex dynamics of changes in the intensity of such a field leads to the development of various types of plasma instabilities: an increase in ion-acoustic noise, current instabilities, and an increase in the temperature of the charged particles that make up the laser plasma. These factors contribute to an increase in the phase volume (emittance) of the ion beam and make it difficult to focus.

Техническим результатом предложенной полезной модели является увеличение эффективности фокусировки ионных пучков с большой энергией, экстрагированных из лазерной плазмы, без увеличения температуры ионов в плазме и роста эффективного эмиттанса ионного пучка.The technical result of the proposed utility model is to increase the focusing efficiency of high-energy ion beams extracted from a laser plasma without increasing the temperature of the ions in the plasma and increasing the effective emittance of the ion beam.

Физическая сущность предложенной полезной модели, обеспечивающая достижение заявленного технического результата - увеличение эффективности фокусировки ионных пучков с высокой скоростью движения (β>0,1), заключается в возможности непрерывной коррекции их углового расхождения на выходе инжектора ионов путем поэтапной и непрерывной фокусировки разнесенными в пространстве и изменяющимися во времени заданным образом магнитными полями. Полями, которые формируются в предложенной конструкции из системы электромагнитных линз таким образом, что величина магнитного поля в соответствующей электромагнитной линзе связана с определенным параметром лазерной плазмы в области отбора ионов в пучок и динамично регулируется при помощи предложенных в заявке источников тока и датчика тока, электрически соединенных предложенным способом. Применение такого физического решения исключает эффект дополнительного увеличения температуры лазерной плазмы, связанный с влиянием динамики электрического поля ИОС на ее заряды.The physical nature of the proposed utility model, which ensures the achievement of the claimed technical result — an increase in the focusing efficiency of ion beams with a high speed of movement (β> 0.1), consists in the possibility of continuous correction of their angular divergence at the exit of the ion injector by phased and continuous focusing spaced in space and time-varying magnetic fields. The fields that are formed in the proposed design from a system of electromagnetic lenses in such a way that the magnetic field in the corresponding electromagnetic lens is associated with a certain parameter of the laser plasma in the field of ion extraction into the beam and is dynamically controlled using the current sources and current sensors proposed in the application, electrically connected the proposed method. The use of such a physical solution eliminates the effect of an additional increase in the temperature of the laser plasma associated with the influence of the dynamics of the electric field of the IOS on its charges.

Достижение заявленного технического результата обеспечивается тем, что в лазерно-плазменном инжекторе ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящего из: лазера, мишени, пролетного канала, на выходе которого установлен датчик тока и ионно-оптической системы, на выходе ионно-оптической системы установлена периодическая линзовая система из трех расположенных вдоль оси ионного пучка собирающих магнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами, первый соленоид в которой, считая от ИОС, электрически соединен с выходом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины, входы которого электрически соединены с лазером и датчиком тока, второй, по счету от ИОС, соленоид электрически соединен с выходом усилителя тока, вход которого электрически соединен с датчиком тока, третий, по счету от ИОС, соленоид, установленный на выходе данной периодической линзовой системы, электрически соединен с отдельным источником электропитания.The achievement of the claimed technical result is ensured by the fact that in the laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam, consisting of: a laser, a target, a span channel, at the output of which a current sensor and an ion-optical system are installed, the output of the ion-optical system is installed a periodic lens system of three collecting magnetic lenses arranged along the axis of the ion beam, made in the form of solenoids with screens, the first solenoid in which, counting from the IOS, is electrically dinene with the output of a linearly varying current pulse generator, the inputs of which are electrically connected to the laser and the current sensor, the second, according to the IOS, the solenoid is electrically connected to the output of the current amplifier, the input of which is electrically connected to the current sensor, the third, from the IOS, the solenoid mounted at the output of this periodic lens system is electrically connected to a separate power source.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

На рис. 1 приведена схема лазерно-плазменного инжектора ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, где:In fig. 1 shows a diagram of a laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam, where:

1 - лазер,1 - laser

2 - мишень,2 - target

3- выход пролетного канала,3 - span channel output,

4 - датчик тока,4 - current sensor,

5 - ионно-оптическая система,5 - ion-optical system

6 - периодическая линзовая система,6 - periodic lens system,

7 - первый от ИОС соленоид линзовой системы,7 - the first from the IOS solenoid of the lens system,

8 - второй от ИОС соленоид линзовой системы,8 - the second from the IOS solenoid of the lens system,

9 - третий от ИОС соленоид линзовой системы,9 - the third from the IOS solenoid of the lens system,

«У» - усилитель электрического тока,"U" is an electric current amplifier,

«ИП» - источник электропитания и"IP" is a power source and

- генератор импульсов тока линейно изменяющейся величины.

- a pulse generator of a current of linearly varying magnitude.

Рис. 2 - вид импульсов электрического тока:Fig. 2 - type of pulses of electric current:

(а) - на выходе

(верхний график) и(a) - at the exit

(upper graph) and

(в) - на выходе усилителя тока «У» (нижний график).(c) - at the output of the current amplifier "U" (bottom graph).

Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, представленный на рис. 1, состоит из лазера 1, световое излучение которого, попадая на мишень 2, образует лазерную плазму, дрейфующую от мишени к выходу пролетного канала 3. Изменение ее временных и токовых параметров осуществляется при помощи датчика тока 4, который электрически связан с входами усилителя электрического тока «У» и генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины

. Датчик тока установлен на выходе пролетного канала 3 перед ионно-оптической системой 5, осуществляющей отбор ионов в пучок из лазерной плазмы, его формирование и ускорение. На выходе ИОС 5 установлена периодическая линзовая система 6, состоящая из трех расположенных вдоль оси пучка собирающих электромагнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. В данной линзовой системе, первый по счету от ИОС 5, соленоид 7 электрически подключен к выходу генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины

, один из входов которого электрически связан с лазером 1, а другой вход, с датчиком тока 4. Второй, по счету от ИОС 5, соленоид 8 электрически подключен к выходу усилителя тока «У», вход которого электрически связан с датчиком тока 4. Третий по счету от ИОС 5 соленоид 9, установленный на выходе периодической линзовой системы 6, электрически подключен к отдельному источнику электропитания ИП (рис. 1).The laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam, shown in Fig. 1, consists of a laser 1, the light radiation of which, incident on the target 2, forms a laser plasma drifting from the target to the output of the span channel 3. Its time and current parameters are changed using a current sensor 4, which is electrically connected to the inputs of the electric current amplifier "U" and a current pulse generator of linearly varying magnitude

. A current sensor is installed at the output of the passage channel 3 in front of the ion-optical system 5, which carries out the selection of ions into the beam from the laser plasma, its formation and acceleration. At the output of IOS 5, a periodic lens system 6 is installed, consisting of three collecting electromagnetic lenses arranged along the axis of the beam, made in the form of solenoids with screens. In this lens system, the first one from IOS 5, the solenoid 7 is electrically connected to the output of a linearly varying current pulse generator

, one of the inputs of which is electrically connected to the laser 1, and the other input, with a current sensor 4. The second, according to the IOS 5, solenoid 8 is electrically connected to the output of the current amplifier "U", the input of which is electrically connected to the current sensor 4. Third according to the account from IOS 5, the solenoid 9, installed at the output of the periodic lens system 6, is electrically connected to a separate power supply unit IP (Fig. 1).

При облучении мишени лазером, вблизи ее поверхности формируется первичный плазменный сгусток малого диаметра ~ 1-2 мм, который разлетается в пространстве. На характер его разлета влияют два фактора: тепловая диффузия и гидродинамический импульс. Тепловая диффузия, которая обусловлена наличием температуры в лазерной плазме, приводит к изотропности направлений разлета ее частиц. Гидродинамический импульс сообщает упорядоченное движение всем элементам лазерной плазмы. Это движение направлено перпендикулярно плоскости поверхности мишени (Браун. Физика и технология источников ионов. М. Мир, 1998, С. 323 - 337). Мишень 2 установлена в пролетном канале 3 таким образом, что плоскость ее поверхности, облучаемая лазером 1, перпендикулярна центральной продольной оси пролетного канала (рис. 1). Суммарное действие этих факторов приводит к «растягиванию» первоначального плазменного сгустка вдоль продольной оси пролетного канала. Таким образом, его профиль принимает вид расширяющейся в сторону ИОС плазменной струи.When a target is irradiated with a laser, a primary plasma bunch of small diameter ~ 1-2 mm is formed near its surface, which scatters in space. Two factors influence the nature of its expansion: thermal diffusion and hydrodynamic momentum. Thermal diffusion, which is due to the presence of temperature in the laser plasma, leads to the isotropy of the directions of expansion of its particles. The hydrodynamic pulse imparts an ordered motion to all elements of the laser plasma. This motion is directed perpendicular to the plane of the target surface (Brown. Physics and technology of ion sources. M. Mir, 1998, S. 323 - 337). Target 2 is installed in the passage channel 3 in such a way that the plane of its surface irradiated by laser 1 is perpendicular to the central longitudinal axis of the passage channel (Fig. 1). The combined effect of these factors leads to “stretching” of the initial plasma bunch along the longitudinal axis of the passage channel. Thus, its profile takes the form of a plasma jet expanding towards IOS.

Величину разброса аксиальных скоростей движения заряженных частиц лазерной плазмы, дрейфующей в пролетном канале, можно оценивать по времени появления и окончания сигнала на датчике тока относительно импульса лазера (I) - временного интервала на оси абсцисс (t) от ее начала до точки t₀, показанного на графиках на рис. 2. Характер изменения во времени кинетической энергии движения плазменной струи вдоль аксиальной оси пролетного канала 3 на рис. 1 иллюстрируется графиком (а) на рис. 2. Частицы плазмы в начальной части импульса тока, вблизи to, обладают наибольшей скоростью продольного движения. Их скорость уменьшается к концу плазменной струи. Подобное распределение продольных скоростей заряженных частиц в струе лазерной плазмы приводит к тому, что положение плазменной границы эмиссии ионов относительно ускоряющих электродов ИОС будет изменяться в процессе экстракции ионов, поскольку меняется давление налетающей плазмы на электрическое поле ИОС 5. При неизменной величине напряженности «тормозящего» разлет плазмы электрического поля в ИОС плазменная граница экстракции ионов будет располагаться ближе к электродам ИОС для более быстрых частиц, сосредоточенных вначале импульса. И, отдаляться от ее электродов по мере прихода в зону экстракции более медленных ионов в «хвосте» струи лазерной плазмы. Под действием продольного разброса скоростей смещение границы эмиссии ионов во времени происходит по линейному закону, поскольку величины этих скоростей в лазерной плазме, свободно дрейфующей в пространстве, где нет диссипации энергии, инвариантны.The scatter of the axial velocities of the charged particles of the laser plasma drifting in the passage channel can be estimated from the time the signal at the current sensor appears and ends relative to the laser pulse (I) - the time interval on the abscissa axis (t) from its beginning to point t ₀ shown in the graphs in fig. 2. The nature of the change in time of the kinetic energy of the plasma jet along the axial axis of the passage channel 3 in Fig. 1 is illustrated by graph (a) in Fig. 2. Plasma particles in the initial part of the current pulse, near to, have the highest longitudinal motion velocity. Their speed decreases toward the end of the plasma jet. Such a distribution of the longitudinal velocities of charged particles in a laser plasma jet leads to the fact that the position of the plasma boundary of the ion emission relative to the accelerating electrodes of the IOS will change during the extraction of ions, since the pressure of the incident plasma on the electric field of the IOS 5 changes. At a constant value of the “braking” expansion of the plasma of the electric field in the IOS, the plasma boundary of the extraction of ions will be closer to the electrodes of the IOS for faster particles, initially concentrated bca. And, move away from its electrodes as slower ions arrive in the extraction zone in the “tail” of the laser plasma jet. Under the action of the longitudinal velocity spread, the shift of the ion emission boundary in time occurs according to a linear law, since the values of these velocities in a laser plasma, freely drifting in a space where there is no energy dissipation, are invariant.

Величина плазменного давления на электрическое поле ИОС зависит и от плотности зарядов в зоне их экстракции в различные моменты времени. Расстояние d между плазменной границей эмиссии (экстракции) и электродом экстракции ИОС можно оценить исходя из равенства сил плазменного давления силам электростатического натяжения, создаваемым ИОС (А.Т. Форрестер. Интенсивные ионные пучки. М. Мир, 1992 С. 23-24) по формуле:The magnitude of the plasma pressure on the electric field of the IOS depends on the density of charges in the zone of their extraction at different points in time. The distance d between the plasma boundary of the emission (extraction) and the extraction electrode of the IOS can be estimated based on the equality of the plasma pressure forces to the forces of electrostatic tension created by the IOS (A.T. Forrester. Intense ion beams. M. Mir, 1992, pp. 23-24) 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, k - постоянная Больцмана, n -плотность заряженных частиц в плазме, Т - энергия продольного движения частиц в лазерной плазме в процессе экстракции. Графически, характер изменения этой величины иллюстрируется кривой (а) на рис. 2.where: ε ₀ is the dielectric constant of the vacuum, U is the electric potential at the extraction electrode in the IOS, k is the Boltzmann constant, n is the density of charged particles in the plasma, T is the energy of the longitudinal motion of particles in the laser plasma during the extraction process. Graphically, the nature of the change in this quantity is illustrated by curve (a) in Fig. 2.

Изменение во времени величины плотности п частиц в лазерной плазме отслеживается путем изменения амплитуды импульса тока на датчике тока 4, рис. 1. Характер изменения плотности зарядов n в лазерной плазме иллюстрирует нижняя кривая, график (в) на рис. 2.The change in time of the density of particles n in a laser plasma is monitored by changing the amplitude of the current pulse at current sensor 4, Fig. 1. The nature of the change in the charge density n in a laser plasma is illustrated by the lower curve, graph (c) in Fig. 2.

В настоящей полезной модели учитывается действие всех перечисленных выше факторов на положение границы эмиссии ионов и угловое расхождение ионного пучка при помощи формирования источниками электропитания амплитуд и форм токовых импульсов, поступающих на электромагнитные катушки соответствующих фокусирующих линз в периодической линзовой системе.This useful model takes into account the effect of all of the above factors on the position of the ion emission boundary and the angular divergence of the ion beam by forming the amplitudes and shapes of current pulses supplied to the electromagnetic coils of the corresponding focusing lenses in a periodic lens system by power sources.

В лазерно-плазменном инжекторе ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящего из лазера, световое излучение которого, попадая на мишень, образует плазму, дрейфующую в пролетном канале. Токовые и временные параметры плазмы измеряются при помощи датчика тока. Датчик тока электрически связан с входом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины и установлен на выходе пролетного канала перед ионно-оптической системой, которая осуществляет отбор ионов из плазмы, формирование и дальнейшее ускорение ионного пучка. На электродах ИОС существуют постоянные по величине электрические потенциалы. На выходе ИОС установлена периодическая линзовая система, состоящая из трех расположенных вдоль продольной оси пучка собирающих электромагнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. Первый соленоид в которой, считая от ИОС, электрически подключен к генератору импульсов тока линейно изменяющейся величины, который электрически связан с лазером и датчиком тока. Датчик тока установлен в плазме на выходе пролетного канала. Второй соленоид, считая от ИОС, электрически подключен к усилителю тока «У», который электрически связан с тем же датчиком тока. Третий, по счету от ИОС, соленоид установлен на выходе периодической линзовой системы и электрически подключен к отдельному источнику электропитания. Он предназначен для формирования требуемого угла наклона огибающей ионного пучка после компенсации его углового расхождения, вызванного нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов.In a laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of an ion beam consisting of a laser, the light radiation of which, reaching the target, forms a plasma drifting in the passage channel. Current and time plasma parameters are measured using a current sensor. The current sensor is electrically connected to the input of a linearly varying current pulse generator and is installed at the output of the span channel in front of the ion-optical system, which carries out the selection of ions from the plasma, the formation and further acceleration of the ion beam. At the IOS electrodes there are constant in magnitude electrical potentials. At the output of the IOS, a periodic lens system is installed, consisting of three collecting electromagnetic lenses located along the longitudinal axis of the beam, made in the form of solenoids with screens. The first solenoid in which, counting from the IOS, is electrically connected to a linearly varying current pulse generator, which is electrically connected to the laser and the current sensor. A current sensor is installed in the plasma at the exit of the passage channel. The second solenoid, counting from the IOS, is electrically connected to the current amplifier "U", which is electrically connected to the same current sensor. The third, according to the account from the IOS, the solenoid is installed at the output of the periodic lens system and is electrically connected to a separate power source. It is designed to form the required angle of inclination of the envelope of the ion beam after compensating for its angular divergence caused by the instability of the position of the plasma ion emission boundary.

Предложенная в данной полезной модели конструкция позволяет непрерывно осуществлять поэтапную динамическую фокусировку экстрагированного из лазерной плазмы ионного пучка с большой энергией при помощи системы отдельно взятых фокусирующих линз. Жесткость фокусировки в первых двух линзах зависит как от скорости движения лазерной плазмы в пролетном канале, так и от изменения ее плотности в зоне отбора ионов в пучок. Такой способ фокусировки ускоренных до высокой энергии ионных пучков, экстрагированных из лазерной плазмы, позволяет эффективно в непрерывном режиме корректировать их угловое расхождение, связанное с нестабильностью положения плазменной границы эмиссии ионов относительно электродов ИОС и не приводит к увеличению температуры ионов в плазме и росту эффективного эмиттанса ионного пучка.The design proposed in this utility model makes it possible to continuously stage-by-stage dynamic focusing of a high-energy ion beam extracted from a laser plasma using a system of individual focusing lenses. The focusing rigidity in the first two lenses depends both on the velocity of the laser plasma in the passage channel and on the change in its density in the zone of selection of ions into the beam. This method of focusing ionized beams accelerated to high energy extracted from a laser plasma makes it possible to continuously correct their angular divergence due to the instability of the position of the plasma boundary of ion emission relative to the IOS electrodes and does not increase the temperature of the ions in the plasma and increase the effective ion emittance beam.

Пример технической реализацииTechnical implementation example

Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической системой электромагнитной фокусировки пучка работает следующим образом. Импульс лазерного излучения малой длительности (порядка единиц наносекунд), генерируемый лазером 1, в данной конструкции был использован СО₂ лазер, попадает на мишень 2, установленную в пролетном канале 3 и образует плазменный сгусток диаметром приблизительно 1-2 мм, состоящий из элементов материала мишени. Кинетическая энергия продольного движения составляющих этой плазмы вдоль оси пролетного канала соответствует величине (3-5)⋅10² КэВ. В процессе дрейфа лазерная плазма, диффундируя в пролетном канале 3 в сторону ИОС 5, образует вблизи ее электродов границу, с которой происходит отбор ионов в пучок - экстракция ионов (рис. 1). Была использована ионно-оптическая система 5 с постоянной величиной электрических потенциалов на электродах, работающая в типовом режиме ускорение - замедление - доускорение. С ее помощью осуществляется отбор ионов из лазерной плазмы в пучок, формирование и дальнейшее ускорение ионов. Конструкция датчика тока 4 выполнена по принципу цилиндра Фарадея. Он установлен на выходе пролетного канала 3, рис. 1 и предназначен как для регистрации изменений плотности заряженных частиц лазерной плазмы в процессе экстракции ионов, так и для фиксации времени начала возникновения и окончания токового импульса (точка t₀, рис. 2). Этот параметр позволяет определять скорость дрейфа ионов лазерной плазмы в пролетном канале при известной длине канала.Laser-plasma ion injector with a dynamic system of electromagnetic beam focusing works as follows. Laser radiation pulse of short duration (of the order of nanoseconds) generated by the laser 1, in this construction was used a CO ₂ laser strikes the target 2 mounted in the transit channel 3 and forms a plasma clot a diameter of about 1-2 mm, consisting of elements of the target material . The kinetic energy of the longitudinal motion of the components of this plasma along the axis of the passage channel corresponds to a value of (3-5) ⋅10 ² KeV. In the process of drift, the laser plasma, diffusing in the passage channel 3 towards IOS 5, forms a boundary near its electrodes at which ions are taken into the beam — ion extraction (Fig. 1). We used an ion-optical system 5 with a constant value of electric potentials on the electrodes, operating in the typical mode of acceleration - deceleration - acceleration. With its help, the selection of ions from the laser plasma into the beam, the formation and further acceleration of ions is carried out. The design of the current sensor 4 is made on the principle of a Faraday cup. It is installed at the exit of the passage channel 3, Fig. 1 and is intended both for recording changes in the density of charged particles of a laser plasma during ion extraction and for fixing the time of the onset and end of a current pulse (point t ₀ , Fig. 2). This parameter makes it possible to determine the drift velocity of laser plasma ions in the passage channel at a known channel length.

Применение ИОС 5 с постоянной величиной электрических потенциалов на электродах для экстракции ионов из лазерной плазмы приводит к дрейфу положения плазменной границы экстракции ионов относительно электродов ИОС в процессе их экстракции. Положение этой границы зависит как от скорости ионов лазерной плазмы, так и от их плотности в зоне формирования ионного пучка в каждом моменте экстракции ионов. Такое изменение положения границы экстракции ионов приводит к изменению угла расхождения ионного пучка на выходе ИОС 5 и увеличению его эффективного эмиттанса, что затрудняет фокусировку пучка и препятствует захвату ионов ускорителем в режим ускорения. Одним из факторов, влияющих на положение плазменной границы эмиссии ионов, при постоянной величине напряжения экстракции на электродах ИОС 5, является изменение продольной скорости ионов в дрейфующей плазме. Величина изменения этой скорости для недиссипативной системы сил в пролетном канале 3 определяется по времени появления и окончания электрического сигнала на датчике тока 4, рис. 1. Скорость продольного движения частиц в пространстве такой плазменной струи изменяется линейно. Характер ее изменения во времени иллюстрирует график (а) на рис. 2. Время начала импульса на этом графике, точка to, соответствует движению наиболее быстрых ионов с большей энергией в начале плазменной струи. По времени появления и окончания импульса тока на данном графике определяют энергию продольного движения ионов плазмы в различные моменты их экстракции.The use of IOS 5 with a constant value of electric potentials on the electrodes for the extraction of ions from a laser plasma leads to a drift in the position of the plasma boundary of the extraction of ions relative to the electrodes of the IOS during their extraction. The position of this boundary depends both on the speed of the ions of the laser plasma and on their density in the zone of formation of the ion beam at each moment of ion extraction. Such a change in the position of the ion extraction boundary leads to a change in the angle of divergence of the ion beam at the output of the IOS 5 and an increase in its effective emittance, which makes it difficult to focus the beam and prevents the accelerator from capturing ions by the accelerator. One of the factors affecting the position of the plasma boundary of ion emission, with a constant value of the extraction voltage at the electrodes of IOS 5, is the change in the longitudinal velocity of ions in a drifting plasma. The magnitude of the change in this velocity for a non-dissipative system of forces in the passage channel 3 is determined by the time of appearance and termination of the electric signal on the current sensor 4, Fig. 1. The velocity of the longitudinal motion of particles in the space of such a plasma jet varies linearly. The nature of its change over time is illustrated in graph (a) in Fig. 2. The start time of the pulse on this graph, the point to, corresponds to the movement of the fastest ions with higher energy at the beginning of the plasma jet. The time of the appearance and end of the current pulse on this graph determines the energy of the longitudinal motion of plasma ions at various moments of their extraction.

Так, для импульса СО₂ лазера длительностью менее 10 не и мишени из углерода, их энергия продольного движения не превосходит 500 КэВ.So, for a CO ₂ laser pulse with a duration of less than 10 nsec and a carbon target, their longitudinal motion energy does not exceed 500 KeV.

На выходе ИОС 5 установлена периодическая линзовая система 6, состоящая из трех расположенных вдоль оси пучка собирающих магнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами. Первый соленоид 7, считая от выхода ИОС 5, электрически подключен к выходу линейно изменяющегося по величине генератора тока

. Входы этого генератора, соответствующим образом, электрически связаны с лазером 1 и датчиком тока 4, установленным на выходе пролетного канала 3, рис. 1. Что позволяет данной электромагнитной линзе осуществлять компенсацию углового расхождения ионного пучка, связанную с разбросом продольных скоростей ионов в потоке лазерной плазмы.At the output of IOS 5, a periodic lens system 6 is installed, consisting of three collecting magnetic lenses arranged along the axis of the beam, made in the form of solenoids with screens. The first solenoid 7, counting from the output of the IOS 5, is electrically connected to the output of a current generator linearly varying in magnitude

. The inputs of this generator, respectively, are electrically connected to the laser 1 and the current sensor 4 installed at the output of the passage channel 3, Fig. 1. What allows this electromagnetic lens to compensate for the angular divergence of the ion beam associated with the spread of the longitudinal velocities of ions in the laser plasma stream.

Угловое расхождение ионного пучка и рост его эффективного эмиттанса, связанные с изменением плазменного давления, вызванного изменением величины плотности зарядов в различных участках плазменной струи, компенсируется при помощи изменяющейся соответствующим образом фокусирующей силы, создаваемой электромагнитной линзой 8 на рис. 1. Характер изменения величины тока, протекающего через электромагнитную катушку этой фокусирующей линзы, задается током на выходе усилителя тока «У». Амплитуда токового импульса на выходе данного усилителя формируется в зависимости от параметров электрических сигналов, снимаемых с датчика тока 4 и поступающих на вход усилителя тока «У» на рис. 1. Регулировкой коэффициента усиления в усилителе тока «У» минимизируется величина углового расхождения ионного пучка на выходе периодической линзовой системы 6 на рис. 1.The angular divergence of the ion beam and the increase in its effective emittance, associated with a change in plasma pressure caused by a change in the charge density in different parts of the plasma jet, are compensated by the correspondingly varying focusing force created by the electromagnetic lens 8 in Fig. 1. The nature of the change in the magnitude of the current flowing through the electromagnetic coil of this focusing lens is set by the current at the output of the current amplifier “U”. The amplitude of the current pulse at the output of this amplifier is formed depending on the parameters of the electrical signals taken from the current sensor 4 and fed to the input of the current amplifier "U" in Fig. 1. By adjusting the gain in the current amplifier “U”, the angular divergence of the ion beam at the output of the periodic lens system 6 in Fig. one.

Таким образом, совместное действие фокусирующих сил, создаваемых электромагнитными линзами 7 и 8 (рис. 1), позволяет в динамическом режиме оперативно компенсировать угловое расхождение ионного пучка, вызванное нестабильностью положения во времени плазменной границы эмиссии ионов. Предложенный способ фокусировки ионного пучка не оказывает влияние на состояние лазерной плазмы в пролетном канале 3, рис. 1 и не приводит к увеличению ее температуры. Регулировкой величины тока на выходе источника электропитания «ИП», протекающего через электрически связанную с ним электромагнитную катушку фокусирующей линзы 9 на рис. 1, задается необходимый угол фокусировки ионного пучка на входе в ВЧ-ускоряющую структуру ускорителя.Thus, the combined action of the focusing forces created by the electromagnetic lenses 7 and 8 (Fig. 1) makes it possible in the dynamic mode to quickly compensate for the angular divergence of the ion beam caused by the instability of the plasma ion emission boundary in time. The proposed method for focusing the ion beam does not affect the state of the laser plasma in the passage channel 3, Fig. 1 and does not increase its temperature. By adjusting the magnitude of the current at the output of the IP power supply, flowing through the electromagnetically connected electromagnetic coil of the focusing lens 9 in Fig. 1, the required focusing angle of the ion beam at the entrance to the RF accelerating structure of the accelerator is set.

Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, позволяющий фокусировать пучки ионов, ускоренных до высокой энергии, отличается простотой конструкции, надежностью работы и относительно малой себестоимостью.The laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam, which makes it possible to focus ion beams accelerated to high energy, is distinguished by its simplicity of design, reliable operation and relatively low cost.

Claims

Лазерно-плазменный инжектор ионов с динамической электромагнитной фокусировкой ионного пучка, состоящий из: лазера, мишени, пролетного канала, на выходе которого установлен датчик тока и ионно-оптической системы, отличающийся тем, что на выходе ионно-оптической системы установлена периодическая линзовая система, состоящая из трех расположенных вдоль продольной оси ионного пучка собирающих магнитных линз, выполненных в виде соленоидов с экранами, первый соленоид в которой, считая от ионно-оптической системы, электрически соединен с выходом генератора импульсов тока линейно изменяющейся величины, входы которого электрически соединены с лазером и датчиком тока, второй, по счету от ионно-оптической системы, соленоид электрически соединен с выходом усилителя тока, вход которого электрически соединен с датчиком тока, третий, по счету от ионно-оптической системы, соленоид, установленный на выходе данной периодической линзовой системы, электрически соединен с отдельным источником электропитания.A laser-plasma ion injector with dynamic electromagnetic focusing of the ion beam, consisting of: a laser, a target, a passage channel, at the output of which a current sensor and an ion-optical system are installed, characterized in that a periodic lens system is installed at the output of the ion-optical system, consisting of of three collecting magnetic lenses arranged along the longitudinal axis of the ion beam, made in the form of solenoids with screens, the first solenoid in which, counting from the ion-optical system, is electrically connected to the output the generator of current pulses of a linearly varying magnitude, the inputs of which are electrically connected to a laser and a current sensor, the second, according to the ion-optical system, the solenoid is electrically connected to the output of the current amplifier, the input of which is electrically connected to the current sensor, the third, according to the ion optical system, the solenoid mounted at the output of this periodic lens system is electrically connected to a separate power source.