RU2449514C1 - Method of accelerating ions and apparatus for realising said method - Google Patents

Method of accelerating ions and apparatus for realising said method Download PDF

Info

Publication number
RU2449514C1
RU2449514C1 RU2010135474/07A RU2010135474A RU2449514C1 RU 2449514 C1 RU2449514 C1 RU 2449514C1 RU 2010135474/07 A RU2010135474/07 A RU 2010135474/07A RU 2010135474 A RU2010135474 A RU 2010135474A RU 2449514 C1 RU2449514 C1 RU 2449514C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
target
range
ions
relativistic
contrast
Prior art date
Application number
RU2010135474/07A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2010135474A (en
Inventor
Вадим Северианович Беляев (RU)
Вадим Северианович Беляев
Эдуард Махмутович Юлдашев (RU)
Эдуард Махмутович Юлдашев
Анатолий Петрович Матафонов (RU)
Анатолий Петрович Матафонов
Original Assignee
Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
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 унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) filed Critical Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш)
Priority to RU2010135474/07A priority Critical patent/RU2449514C1/en
Publication of RU2010135474A publication Critical patent/RU2010135474A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2449514C1 publication Critical patent/RU2449514C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Particle Accelerators (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: method of accelerating ions is based on generating ions from ionisable material from the backside of a target whose front surface is exposed to a high-contrast laser beam with relativistic intensity and ultra-short duration to pick up the beam of ions directed orthogonal to the back surface of the target and accelerating ions as they move to the receiver.
EFFECT: use of the invention enables to conduct research in the field of initiating nuclear synthesis reactions, for which there are no special radiation safety requirements.

Description

Изобретение относится к ядерной и лазерной физике и технике и может быть использовано как инструмент исследования и как технологическое средство ускорения частиц в лазерной физике для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза (см. Ядерный синтез с инерционным удержанием. Современное состояние и перспективы для энергетики. / Под ред. Б.Ю.Ширкова. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. - 264 с.). Особенно перспективно использование изобретения для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями (см. Беляев B.C. и др. Генерация быстрых заряженных частиц и сверхсильных магнитных полей при взаимодействии сверхкоротких интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. // Успехи физических наук, т.178, №8 с.823-843, 2008).The invention relates to nuclear and laser physics and technology and can be used as a research tool and as a technological means of particle acceleration in laser physics to solve the problems of direct ignition of inertial fusion targets (see Nuclear fusion with inertial confinement. Current status and prospects for energy. / Under the editorship of B.Yu. Shirkov. - M .: FIZMATLIT, 2005 .-- 264 p.). Particularly promising is the use of the invention to initiate promising nuclear fusion reactions in the interaction of intense laser pulses with solid targets (see Belyaev BC et al. Generation of fast charged particles and superstrong magnetic fields in the interaction of ultrashort intense laser pulses with solid targets. // Uspekhi Fizicheskikh Nauk, t. 178, No. 8 p. 823-843, 2008).

Известны способ генерации и ускорения ионов и устройство для его осуществления, предложенные в патенте Англии, МКИ H05h, H01j (H1D) №1138212, заявленном 23.05.1966. Это техническое решение предназначено для формирования пучков ионов с энергиями не менее нескольких миллионов электрон-вольт (МэВ) при токах в несколько сотен ампер, который согласуется с требованиями для решения задач прямого зажигания мишеней инерциального термоядерного синтеза и пригоден для этих целей.A known method of generating and accelerating ions and a device for its implementation, proposed in the patent of England, MKI H05h, H01j (H1D) No. 1138212, claimed 05.23.1966. This technical solution is intended for the formation of ion beams with energies of at least several million electron-volts (MeV) at currents of several hundred amperes, which is consistent with the requirements for solving direct ignition problems of inertial fusion targets and is suitable for these purposes.

Способ генерации и ускорения ионов в патенте Англии №1138212 основан на формировании пучков ионов путем генерации ионов с использованием концентрации луча света лазера на поверхности расположенной на пути светового луча лазера мишени из ионизируемого материала с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы.The method of generation and acceleration of ions in England patent No. 1138212 is based on the formation of ion beams by generating ions using the concentration of a laser light beam on a surface located on the path of a laser beam of a target from an ionizable material in order to bombard the target surface with an energy sufficient to ionize the target material and receiving plasma.

Способ генерации и ускорения ионов, предложенный в патенте Англии №1138212, по технической сущности может быть выбран в качестве первого аналога заявляемого способа ускорения ионов.The method of generation and acceleration of ions proposed in the patent of England No. 1138212, by technical essence, can be selected as the first analogue of the proposed method of accelerating ions.

Недостатком способа ускорения ионов в патенте Англии №1138212-аналоге является низкая эффективность генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность используемых технологических процессов и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.The disadvantage of the ion acceleration method in England patent No. 1138212-analogue is the low generation efficiency and ion acceleration for initiating promising nuclear fusion reactions, as well as the complexity of the technological processes used and the bulkiness of the involved equipment for creating and implementing the method.

Известен также другой аналог, который в значительной мере лишен указанных недостатков и обеспечивает повышение эффективности способа ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями. Второй аналог - изобретение по патенту РФ №2364979 с приоритетом 20 ноября 2007 года с названием «Способ ускорения ионов и устройство для его осуществление» - более близок по технической сущности заявляемому изобретению и может быть выбран в качестве его прототипа.Another analogue is also known, which is largely devoid of these drawbacks and provides an increase in the efficiency of the ion acceleration method when intense laser pulses interact with solid-state targets. The second analogue is the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2364979 with a priority of November 20, 2007 with the name "Method of ion acceleration and a device for its implementation" - is more similar in technical essence to the claimed invention and can be selected as its prototype.

В патенте РФ №2364979 - прототипе формируют высококонтрастный луч лазера релятивистской интенсивности (~1018-1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (~1·10-12 с), который направляют на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности для генерации быстропеременного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического энергетического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования и пучка ионов и их ускорением к приемнику ионов. В указанном способе ускорения ионов формирование пучка ионов осуществляют в приповерхностном слое на тыльной поверхности мишени с использованием установленной в вакууме мишени из электропроводного материала (меди) при контролируемом воздействии на фронтальную поверхность мишени луча лазера релятивистской интенсивности.In the patent of the Russian Federation No. 2364979 - the prototype form a high-contrast laser beam of relativistic intensity (~ 10 18 -10 19 W / cm 2 ) ultra-short duration (~ 1 · 10 -12 s), which is sent to the frontal surface of the target to excite the electron vortex structure and formation eddy current of relativistic electrons in the skin layer of the front surface to generate a rapidly varying magnetic field and to carry out energetic induction and electromechanical energy effects on the layer of the back surface of the target with the formation of plasma formation and an ion beam in this layer and their acceleration to the ion receiver. In the indicated method of ion acceleration, the formation of an ion beam is carried out in the near-surface layer on the back surface of the target using a vacuum-mounted target of electrically conductive material (copper) under controlled exposure to the front surface of the target of a laser beam of relativistic intensity.

Недостатком способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 и устройства для его осуществления является недостаточная эффективность при генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза из-за нерационального выбора материала мишени и технологии ускорения.The disadvantage of the method of ion acceleration in the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2364979 and a device for its implementation is the lack of efficiency in the generation and acceleration of ions to initiate promising nuclear fusion reactions due to the irrational choice of target material and acceleration technology.

Задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности генерации и ускорении ионов с обеспечением технического результата-инициирования перспективных ядерных реакций синтезаThe task of the invention is to increase the efficiency of generation and acceleration of ions with the provision of a technical result, the initiation of promising nuclear fusion reactions

Указанный технический результат - обеспечение инициирования перспективных ядерных реакций синтеза достигается тем, что в способе ускорения ионов, основанном на генерации ионов из ионизируемого материала с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности мишени при их движении к приемнику, в качестве основной мишени выбирают дейтерированный полиэтилен толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм и обеспечивают воздействие на ее фронтальную поверхность высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈1018 Вт/см2÷1020 Вт/см2 с энергией Е в диапазоне E÷10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈108÷1010, при этом обеспечивают с тыльной поверхности мишени генерацию ионов дейтерия, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от основной мишени, при этом движущиеся к вторичной мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами в толще l2 и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→3He+n+3,27 МэВ с получением изотопов гелия 3He и нейтронов n.The specified technical result - ensuring the initiation of promising nuclear fusion reactions is achieved by the fact that in the method of ion acceleration, based on the generation of ions from the ionized material from its rear side under the influence of a high-contrast laser beam of relativistic intensity and ultra-short duration on the front surface with the acceleration of ions orthogonal to the back surface target on their way to the receiver, as the main target is selected deuterated polyethylene in a thickness of 1 l Range 1 l ≈1 mm ÷ 10 mm and provided at its frontal impact surface of a high-intensity laser beam relativistic I≈10 I in the range 18 W / cm 2 ÷ 10 20 W / cm 2 with an energy in the range E E ÷ 10 ÷ 500 J. J and of ultrashort duration t in the range t≈100 fs ÷ 1 ps with a contrast k in the range k≈10 8 ÷ 10 10 , they provide generation of deuterium ions from the rear surface of the target, and a second activated by accelerated deuterium ions is used as a receiver of deuterium ions target of the same material with a thickness l 2 in the range l 2 ≈100 μm ÷ 1 mm, which is located at a distance L in the range L≈10 mm ÷ 50 mm from the main target, while the deuterium ions moving toward the secondary target are accelerated to an energy sufficient to overcome the Coulomb barrier between colliding ions in the thickness l 2 and ensure promising nuclear fusion reaction D + D → 3 He + n + 3.27 MeV to produce helium isotopes 3 He and neutrons n.

Для осуществления способа известно устройство ускорения ионов, предложенное в патенте Англии №1138212, заявленном 23.05.1966 г., МКИ H05h, H01j (H1D). Источник и ускоритель ионов в патенте Англии №1138212 по технической сущности близки заявляемому устройству осуществления способа ускорения ионов и могут быть выбраны в качестве первого аналога устройства для осуществления способа.To implement the method, an ion acceleration device is known, proposed in England patent No. 1138212, claimed 05.23.1966, MKI H05h, H01j (H1D). The source and ion accelerator in England patent No. 1138212 are technically close to the claimed device for implementing the ion acceleration method and can be selected as the first analogue of the device for implementing the method.

Первый аналог устройства осуществления способа в патенте Англии №1138212 содержит мишень из ионизируемого материала, расположенную на пути светового луча лазера. Луч света в патенте Англии №1138212 концентрируется специальным устройством с целью бомбардировки поверхности мишени с энергией, достаточной для ионизации материала мишени и получения плазмы. Имеются электроды для извлечения нужных ионов из плазмы, созданной лазерным лучом, падающим на мишень. Электростатический ускоритель предназначен для образования электрического поля, ускоряющего ионы.The first analogue of the device for implementing the method in England patent No. 1138212 contains a target of ionizable material located in the path of the light beam of the laser. A ray of light in England patent No. 1138212 is concentrated by a special device to bombard the target surface with an energy sufficient to ionize the target material and produce a plasma. There are electrodes for extracting the desired ions from the plasma created by the laser beam incident on the target. An electrostatic accelerator is designed to form an electric field that accelerates ions.

Недостатком аналога устройства для осуществления способа ускорения ионов является его низкая эффективность при генерации и ускорении ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза, а также сложность и громоздкость привлекаемого оборудования для создания и осуществления способа.The disadvantage of an analog device for implementing the ion acceleration method is its low efficiency in the generation and acceleration of ions to initiate promising nuclear fusion reactions, as well as the complexity and cumbersomeness of the equipment involved to create and implement the method.

Также известно устройство ускорения ионов при взаимодействии интенсивных лазерных импульсов с твердотельными мишенями, которое обеспечивает эффекты устройства для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по указанному выше патенту РФ №2364979, который наиболее близок к заявляемому устройству и выбран в качестве прототипа для устройства.It is also known a device for accelerating ions in the interaction of intense laser pulses with solid targets, which provides the effects of a device for implementing the method of accelerating ions in the invention according to the above patent of the Russian Federation No. 2364979, which is closest to the claimed device and is selected as a prototype for the device.

Устройство для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 - прототип содержит концентратор энергии, мишень и приемник, расположенные в вакуумной камере, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени, высококонтрастный луч лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I~(1018 Вт/см2÷1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (t~1·10-12 с) которого направлен на фронтальную поверхность мишени для возбуждения вихревой структуры электронов и формирования вихревого тока релятивистских электронов в скин-слое фронтальной поверхности мишени для генерации быстропеременного магнитного поля и осуществления энергетического индукционного и электромеханического энергетического воздействия на слой тыльной поверхности мишени с обеспечением формирования в этом слое плазменного образования (ПО).A device for implementing the ion acceleration method in the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2364979 - the prototype contains an energy concentrator, a target and a receiver located in a vacuum chamber, and outside the chamber there is a pulsed laser with parameters of relativistic intensity I of ultrashort duration t and high contrast k oriented through a concentrator on the front surface of the target, high-intensity laser beam relativistic I in the range of I ~ (10 18 W / cm 2 ÷ 10 19 W / cm 2) ultrashort duration (t ~ 1 × 10 -12 s) which is aimed at the target’s surface to excite the vortex structure of electrons and to generate the eddy current of relativistic electrons in the skin layer of the frontal surface of the target to generate a rapidly varying magnetic field and to carry out energetic induction and electromechanical energetic effects on the layer of the back surface of the target with the formation of a plasma formation in this layer (PO) .

Недостатком устройства для осуществления способа ускорения ионов в изобретении по патенту РФ №2364979 - прототипе является низкая эффективность генерации и ускорение ионов для инициирования перспективных ядерных реакций синтеза из-за нерационального выбора материала мишени и технологии ускорения.The disadvantage of the device for implementing the method of ion acceleration in the invention according to the patent of the Russian Federation No. 2364979 - the prototype is the low generation efficiency and ion acceleration to initiate promising nuclear fusion reactions due to the irrational choice of target material and acceleration technology.

Задачей заявляемого, устройства для осуществления способа ускорения является повышение эффективности генерации и ускорения ионов. При этом технический результат, который обеспечивается изобретением, заключается в обеспечении инициирования перспективных ядерных реакций синтеза.The objective of the claimed device for implementing the acceleration method is to increase the efficiency of generation and acceleration of ions. Moreover, the technical result, which is provided by the invention, is to ensure the initiation of promising nuclear fusion reactions.

Для обеспечения инициирования указанных перспективных ядерных реакций синтеза устройство для осуществления способа ускорения ионов содержит расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени. Основная мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от первичной мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм в качестве приемника ускоренных ионов установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм. При этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈1018÷1020 Вт/см2, энергию E в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈108÷1010, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми и/или нейтронными счетчиками.To ensure the initiation of these promising nuclear fusion reactions, the device for implementing the ion acceleration method contains an energy concentrator located in a vacuum chamber, a target and a receiver of accelerated ions, and a pulsed laser with parameters of relativistic intensity I of ultrashort duration t and high contrast k oriented through a hub on the frontal surface of the target. The main target is made of solid-state deuterated polyethylene (CD 2 ) n with a thickness l 1 in the range l 1 ≈1 μm ÷ 10 μm, and at a distance L from the primary target in the range L≈10 mm ÷ 50 mm, a second target is installed as a receiver of accelerated ions of the same material with a thickness l 2 in the range l 2 ≈100 μm ÷ 1 mm. In this case, a pulsed laser has a relativistic intensity I in the range I≈10 18 ÷ 10 20 W / cm 2 , energy E in the range E≈10 J ÷ 500 J, ultrashort duration t in the range t≈100 fs ÷ 1 ps and contrast k in the range k≈10 8 ÷ 10 10 , and detectors with helium and / or neutron counters are installed at the neutron registration sites of a promising nuclear fusion reaction.

Способ ускорения ионов иллюстрируют временная диаграмма на фиг.1 различных типов фонового излучения, возникающих при усилении релятивистского сверхкороткого лазерного импульса, и блок-схема на фиг.2 устройства для осуществления способа ускорения ионов.The ion acceleration method is illustrated by the timing diagram in FIG. 1 of various types of background radiation arising from amplification of a relativistic ultrashort laser pulse, and the block diagram in FIG. 2 of a device for implementing the ion acceleration method.

Согласно фиг.1 на временной диаграмме различных типов фонового излучения представлены:According to figure 1 on the timing diagram of various types of background radiation are presented:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);1 - superluminescence (duration - hundreds of microseconds);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~ 10 нс);2 - residual pulses of the master oscillator (repetition interval ~ 10 ns);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10-100 пс);3 - pulses arising from reflections from the surfaces of optical elements (10-100 ps);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10-100 пс);4 - residual pulses of the master laser, which made a complete round-trip through the resonator of the regenerative amplifier (10-100 ps);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).5 - prepulses resulting from distortion of the spectrum and incomplete compensation of the modulation phase of the amplified radiation (units of picoseconds).

На блок-схеме устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2 изображены:On the block diagram of a device for implementing the ion acceleration method in figure 2 shows:

- импульсный лазер 6, выход которого ориентирован на концентратор;- a pulsed laser 6, the output of which is focused on the hub;

- лазерный луч 7, направленный через иллюминатор на концентратор;- a laser beam 7 directed through the porthole to the hub;

- иллюминатор 8;- porthole 8;

- вакуумная камера 9 с установленной внутри камеры мишенью;- a vacuum chamber 9 with a target mounted inside the chamber;

- фронтальная поверхность 10 мишени;- frontal surface 10 of the target;

- мишень 11;- target 11;

- тыльная поверхность 12 мишени;- back surface 12 of the target;

- плазменное образование (ПО) 13 на тыльной поверхности мишени;- plasma formation (PO) 13 on the back surface of the target;

- тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 внутри ПО;- toroidal plasma current sheet (TPTS) 14 inside the software;

- вторая мишень 15 внутри вакуумной камеры;- the second target 15 inside the vacuum chamber;

- концентратор энергии 16 внутри вакуумной камеры;- energy concentrator 16 inside the vacuum chamber;

- счетчики нейтронов 17;- neutron counters 17;

- плазменный токовый слой (ТПТС) 18 в подлете ко второй мишени;- plasma current sheet (TPTS) 18 in approach to the second target;

- активированный слой 19 на приемной поверхности второй мишени.- activated layer 19 on the receiving surface of the second target.

При функционировании устройства для осуществления способа ускорения ионов на тыльной поверхности 12 мишени формируется ПО 13, а внутри ПО 13 формируется тороидальный плазменный токовый слой (ТПТС) 14 с включенными в него ионами (см. п.14 на фиг.2).During operation of the device for implementing the method of ion acceleration, PO 13 is formed on the back surface 12 of the target, and inside the PO 13 a toroidal plasma current sheet (TPTS) 14 is formed with ions included in it (see paragraph 14 in FIG. 2).

При этом между основной и второй мишенями ионы показаны в плазменном токовом слое (ТПТС) 18 на этапе подлета ко второй мишени, а на этапе их внедрения в поверхностный слой второй мишени 19 в приемной мишени ускоренных ионов 15 показано овальное расплытие ускоренных ионов дейтерия в поверхностном слое второй мишени 15 с образованием активированного слоя овальной формы 19 (см. п.19 на фиг.2).In this case, between the main and second targets, ions are shown in the plasma current sheet (TPTS) 18 at the stage of approaching the second target, and at the stage of their introduction into the surface layer of the second target 19 in the receiving target of accelerated ions 15, oval spreading of accelerated deuterium ions in the surface layer is shown the second target 15 with the formation of the activated layer of oval shape 19 (see paragraph 19 in figure 2).

Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза D+D→3He+n+3,27 МэВ с получением гелия 3He и нейтронов n в результате столкновения налетающих и внедренных во вторую мишень ионов в активационном поверхностном слое 19 сигнализирует детектор гелия и/или счетчик нейтронов 17.The implementation of a promising nuclear reaction for the synthesis of D + D → 3 He + n + 3.27 MeV to produce helium 3 He and neutrons n as a result of a collision of ions incident and introduced into the second target in the activation surface layer 19 is signaled by a helium detector and / or neutron counter 17.

При этом способ ускорения ионов в устройстве для его осуществления реализуется следующим образом. Согласно блок-схеме устройства для осуществления способа ускорения ионов на фиг.2 на входе вакуумной камеры 9 устанавливают импульсный лазер 6, лазерный луч 7 которого на выходе при функционировании ориентируют через иллюминатор 8 и концентратором энергии 16 на фронтальную поверхность 10 мишени 11, установленной на координатной платформе (не показана) в вакуумной камере 9.In this case, the ion acceleration method in the device for its implementation is implemented as follows. According to the block diagram of the device for implementing the ion acceleration method in Fig. 2, a pulsed laser 6 is installed at the inlet of the vacuum chamber 9, the laser beam 7 of which is guided at the exit through the window 8 and the energy concentrator 16 on the front surface 10 of the target 11 mounted on the coordinate a platform (not shown) in the vacuum chamber 9.

После откачки камеры приступают к работам по обеспечению контролируемого воздействия на фронтальную поверхность 10 мишени 11 луча лазера 7 релятивистской интенсивности. При этом формируют безпредымпульсный луч лазера релятивистской интенсивности (~1018 Вт/см2-1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности (~1·10-12 с), который с фокусировкой направляют на фронтальную поверхность мишени 10 и приступают к настройке импульсного лазера 6.After pumping out the chamber, they begin work on providing a controlled effect on the frontal surface 10 of the target 11 of the laser beam 7 of relativistic intensity. In this case, a pulseless laser beam of a relativistic intensity (~ 10 18 W / cm 2 -10 19 W / cm 2 ) of ultrashort duration (~ 1 · 10 -12 s) is formed, which is focused on the frontal surface of the target 10 and set to pulse laser 6.

При функционировании импульсного лазера 6 релятивистской интенсивности существуют несколько причин возникновения фонового излучения, по-разному проявляющегося на разных временных интервалах функционирования. Наиболее типичные случаи изображены на фиг.1:When a pulsed laser 6 of relativistic intensity operates, there are several reasons for the appearance of background radiation, which manifests itself differently at different time intervals of functioning. The most typical cases are shown in figure 1:

1 - суперлюминесценция (длительность - сотни микросекунд);1 - superluminescence (duration - hundreds of microseconds);

2 - остаточные импульсы задающего генератора (интервал следования ~10 нс);2 - residual pulses of the master oscillator (repetition interval ~ 10 ns);

3 - импульсы, возникающие при отражениях от поверхностей оптических элементов (10 пс-100 пс);3 - pulses arising from reflections from the surfaces of optical elements (10 ps-100 ps);

4 - остаточные импульсы задающего лазера, совершившие полный обход по резонатору регенеративного усилителя (10 пс-100 пс);4 - residual pulses of the master laser, which made a complete round-trip through the resonator of the regenerative amplifier (10 ps-100 ps);

5 - предымпульсы, возникающие в результате искажения спектра и неполной компенсации модуляции фазы усиливаемого излучения (единицы пикосекунд).5 - prepulses resulting from distortion of the spectrum and incomplete compensation of the modulation phase of the amplified radiation (units of picoseconds).

В микросекундном диапазоне основным источником шумов является суперлюминесценция в активной среде усилительных каскадов. Для типичных твердотельных активных сред, таких как неодимовое стекло или сапфир с титаном, мощность усиленного спонтанного излучения обычно не превышает нескольких сотен ватт. Оно имеет высокую угловую расходимость и достаточно эффективно подавляется пространственными фильтрами.In the microsecond range, the main source of noise is superluminescence in the active medium of amplification stages. For typical solid state active media, such as neodymium glass or sapphire with titanium, the power of amplified spontaneous emission usually does not exceed several hundred watts. It has a high angular divergence and is quite effectively suppressed by spatial filters.

Шумовое излучение другого типа связано с периодическим характером генерации сверхкороткого импульса и его последующего усиления в регенеративном усилителе (РУ). Внутрирезонаторное излучение твердотельных лазеров, генерирующих сверхкороткие импульсы, как правило, представляет собой цуг импульсов, следующих с интервалом ~10 нc. При выделении одиночного импульса в результате конечного пропускания электрооптического затвора и других элементов оптической селекции возможно неполное подавление соседних импульсов цуга. На выходе из РУ могут возникнуть аналогичные остаточные импульсы с периодом следования, кратным времени обхода излучением резонатора усилителя.Another type of noise radiation is associated with the periodic nature of the generation of an ultrashort pulse and its subsequent amplification in a regenerative amplifier (RU). The intracavity radiation of solid-state lasers generating ultrashort pulses, as a rule, is a train of pulses following with an interval of ~ 10 ns. When a single pulse is allocated as a result of the finite transmission of an electro-optical shutter and other elements of optical selection, incomplete suppression of neighboring train pulses is possible. At the exit from the switchgear, similar residual pulses may arise with a repetition period that is a multiple of the time by which radiation passes through the amplifier cavity.

Помимо импульсов, следующих с наносекундным временным интервалом, могут возникнуть импульсы с интервалом следования в единицы и десятки пикосекунд, в частности в результате отражения от поверхностей оптических элементов. Существует и другая возможность появления фонового излучения в этом интервале - в результате усиления не полностью подавленных импульсов цуга задающего генератора, опережающих основной импульс. При включении добротности РУ к моменту прихода выделенного импульса большой интенсивности предшествующий остаточный импульс цуга успевает совершить полный обход резонатора РУ и начинает эффективно усиливаться вместе с основным импульсом. Временной интервал между основным и остаточным импульсами указанного типа определяется рассогласованием длин резонаторов генератора и усилителя. Поскольку резонаторы РУ и задающего лазера имеют близкие длины, характерные времена следования таких импульсов находятся в диапазоне десятков пикосекунд.In addition to pulses following a nanosecond time interval, pulses can occur with a repetition interval of units and tens of picoseconds, in particular as a result of reflection from the surfaces of optical elements. There is another possibility of the appearance of background radiation in this interval - as a result of amplification of incompletely suppressed pulses of a train of a master oscillator, ahead of the main pulse. When the Q factor of Q is turned on at the moment of arrival of a high-intensity pulse, the preceding residual pulse of the train manages to complete a complete round-trip of the RU resonator and starts to amplify along with the main pulse. The time interval between the main and residual pulses of this type is determined by the mismatch of the lengths of the resonators of the generator and amplifier. Since the resonators of the switchgear and the master laser have similar lengths, the characteristic repetition times of such pulses are in the range of tens of picoseconds.

Ухудшение контраста излучения может происходить также в результате искажения спектра и самомодуляции излучения в процессе усиления. Для подавления самовоздействия обычно используется режим усиления линейно-чирпированного импульса, получаемого из исходного спектрально-ограниченного импульса путем принудительной квадратичной модуляции фазы излучения с помощью стретчера, обеспечивающего линейную положительную дисперсию. Однако даже в этом случае при достижении достаточно большой мощности импульс может приобрести дополнительный чирп в процессе усиления. Если приобретаемый чирп имеет нелинейный характер, полностью компенсировать его компрессором на дифракционных решетках, обеспечивающих отрицательную линейную дисперсию групповой скорости, не удается. Модуляция спектра и неполная компенсация нелинейного чирпа могут привести к появлению импульса-предвестника, опережающего основной импульс на времена, сравнимые с длительностью последнего.A decrease in the contrast of radiation can also occur as a result of distortion of the spectrum and self-modulation of the radiation during amplification. To suppress self-action, the linearly chirped pulse amplification mode is usually used, obtained from the initial spectrally-limited pulse by forced quadratic modulation of the radiation phase using a stretcher that provides linear positive dispersion. However, even in this case, when a sufficiently large power is reached, the pulse can acquire an additional chirp in the amplification process. If the acquired chirp is nonlinear in nature, it is not possible to completely compensate for it with a compressor on diffraction gratings providing a negative linear dispersion of the group velocity. Spectrum modulation and incomplete compensation of a nonlinear chirp can lead to the appearance of a precursor pulse ahead of the main pulse by times comparable to the duration of the latter.

Для того чтобы повысить контраст и свести к минимуму влияние шумового излучения, необходимо обеспечить надежный контроль временных и энергетических характеристик излучения в большом динамическом диапазоне. Измерения параметров фонового излучения в микро- и наносекундном временных диапазонах осуществляются обычными средствами лазерной фотометрии (с помощью быстродействующих фотоприемников и скоростных осциллографов). Для контроля формы сверхкороткого импульса на интервалах, сравнимых с его длительностью, разработаны достаточно эффективные методики с использованием нелинейно-оптических процессов второго и третьего порядков, основанные на измерении динамических спектрограмм автокорреляционной функции излучения. Такие методы позволяют довольно точно восстановить временную форму исследуемого пико- или фемтосекундного импульса.In order to increase contrast and minimize the effect of noise radiation, it is necessary to provide reliable control of the temporal and energy characteristics of radiation in a large dynamic range. Measurements of background radiation parameters in the micro- and nanosecond time ranges are carried out by conventional laser photometry (using high-speed photodetectors and high-speed oscilloscopes). To control the shape of an ultrashort pulse at intervals comparable to its duration, sufficiently effective methods have been developed using nonlinear optical processes of the second and third orders based on measuring dynamic spectrograms of the autocorrelation function of radiation. Such methods make it possible to fairly accurately reconstruct the temporal shape of the investigated pico- or femtosecond pulse.

Наибольшую сложность представляют измерения характеристик импульсов фонового излучения, имеющих промежуточную задержку в десятки и сотни пикосекунд. Для прямой регистрации таких импульсов быстродействия и динамического диапазона существующих электронных устройств, как правило, недостаточно. Нелинейно-оптические методы измерений позволяют, в принципе, решить указанную задачу, но слишком сложны для оперативного контроля параметров излучения непосредственно в ходе эксперимента, в частности для измерений во временном интервале ~100 пс за одну лазерную вспышку (что особенно актуально для систем с низкой частотой повторения). Более подробно разработка и экспериментальная реализация достаточно простого и эффективного метода диагностики при контроле выходных параметров мощных пикосекундных лазерных комплексов в субнаносекундном временном диапазоне приведена в работе авторов изобретения B.C.Беляева, А.П.Матафонова и др. «Измерение параметров излучения сверхкороткой длительности методом спектральной интерферометрии чирпированных импульсов».// Квантовая электроника. 2000. Т.30, №3, с.229. В методе, основанном на применении спектральной интерферометрии чирпированных импульсов, используется тот факт, что в пико- и фемтосекундных лазерных системах для снижения влияния самовоздеиствия применяется усиление чирпированных импульсов, получаемых из спектрально-ограниченного исходного импульса путем его принудительного удлинения до ~0.5 нс в дисперсионном стретчере. Измерение спектрального состава излучения с интерферометрической точностью непосредственно на выходе усилительных каскадов позволяет получить информацию о контрасте и временной задержке фоновых импульсов, которых можно ожидать после компенсации фазовой модуляции при прохождении временного компрессора.The greatest difficulty is the measurement of the characteristics of background radiation pulses having an intermediate delay of tens or hundreds of picoseconds. For the direct registration of such speed pulses and the dynamic range of existing electronic devices, as a rule, it is not enough. Nonlinear optical measurement methods allow, in principle, solving the indicated problem, but are too complicated for the operational control of radiation parameters directly during the experiment, in particular for measurements in the time interval of ~ 100 ps per laser flash (which is especially important for systems with a low frequency repetition). In more detail, the development and experimental implementation of a fairly simple and effective diagnostic method for monitoring the output parameters of high-power picosecond laser complexes in the subnanosecond time range is given in the work of the inventors BC Belyaev, AP Matafonova and others. "Measurement of ultra-short-duration radiation parameters by chirped spectral interferometry pulses ”.// Quantum Electronics. 2000. Vol. 30, No. 3, p. 229. The method based on the use of spectral interferometry of chirped pulses uses the fact that in picosecond and femtosecond laser systems, to reduce the influence of self-influence, amplification of chirped pulses obtained from a spectrally-limited initial pulse by forcing it to elongate to ~ 0.5 ns in a dispersion stretcher is used . Measurement of the spectral composition of the radiation with interferometric accuracy directly at the output of the amplifier stages provides information on the contrast and time delay of the background pulses, which can be expected after phase modulation is compensated by passing the time compressor.

Об осуществлении перспективной ядерной реакции синтеза (см. фиг.2) D+D→3He+n+3,27 МэВ при столкновении налетающих (см. п.18) и внедренных (см. п.19) ионов дейтерия во вторую мишень 15 с использованием концентратора 16 для получения энергии релятивистского лазерного излучения с интенсивностью (~1018 Вт/см2-1019 Вт/см2) сверхкороткой длительности с обеспечением получения гелия 3He и нейтронов n при столкновении налетающих и внедренных во вторую мишень ионов в активационном поверхностном слое сигнализирует детектор гелия 17.On the implementation of a promising nuclear fusion reaction (see Fig. 2) D + D → 3 He + n + 3.27 MeV in a collision of incident (see p. 18) and embedded (see p. 19) deuterium ions in the second target 15 using a concentrator 16 to obtain the energy of relativistic laser radiation with an intensity (~ 10 18 W / cm 2 -10 19 W / cm 2 ) of ultrashort duration, ensuring the production of helium 3 He and neutrons n in the collision of ions incident on and introduced into the second target in the activation surface layer is signaled by a helium detector 17.

Claims (2)

1. Способ ускорения ионов, основанный на генерации ионов из ионизируемого материала мишени с ее тыльной стороны под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности и сверхкороткой длительности с обеспечением ускорения ионов ортогонально тыльной поверхности мишени при их движении к приемнику, отличающийся тем, что в качестве материала основной мишени выбирают дейтерированный полиэтилен (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм ÷10 мкм и под воздействием на фронтальную поверхность мишени высококонтрастного луча лазера релятивистской интенсивности I в диапазоне I≈1018÷1020 Вт/см2 с энергией Е в диапазоне Е≈10 Дж÷500 Дж и сверхкороткой длительности t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс с контрастом k в диапазоне k≈108÷1010 обеспечивают с тыльной поверхности мишени генерацию ионов дейтерия, а в качестве приемника ионов дейтерия используют вторую активируемую ускоренными ионами дейтерия мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм, которую располагают на расстоянии L в диапазоне L≈10 мм÷50 мм от основной мишени, при этом движущиеся к второй мишени ионы дейтерия ускоряют до энергии, достаточной для преодоления кулоновского барьера между сталкивающимися ионами и обеспечения осуществления перспективной ядерной реакции синтеза D+D→3He+n+3,27 МэВ с получением гелия 3Hе и нейтронов n.1. The method of ion acceleration, based on the generation of ions from the ionized target material from its rear side under the influence of a high-contrast laser beam of relativistic intensity and ultrashort duration on the frontal surface of the target with the acceleration of ions orthogonal to the rear surface of the target when they move to the receiver, characterized in that as primary target material selected polyethylene deuterated (CD 2) n thickness in the range of 1 l 1 l ≈1 mm ÷ 10 mm and exposed at the front surfaces relativistic target high contrast intensity I of the laser beam in the range of 18 ÷ I≈10 October 20 W / cm 2 with an energy E in the range 500 ÷ E≈10 J. J. and ultrashort duration t t≈100 fs in the range of 1 ps ÷ k with contrast range k≈10 8 ÷ 10 10 provide the generation of deuterium ions from the rear surface of the target, and a second target of the same material activated by accelerated deuterium ions of thickness l 2 in the range l 2 ≈100 μm ÷ 1 mm, which is located on distance L in the range L≈10 mm ÷ 50 mm from the main target, pr In this case, deuterium ions moving toward the second target are accelerated to an energy sufficient to overcome the Coulomb barrier between colliding ions and ensure the implementation of a promising nuclear fusion reaction D + D → 3 He + n + 3.27 MeV to produce helium 3 He and neutrons n. 2. Устройство для осуществления способа ускорения ионов, содержащее расположенные в вакуумной камере концентратор энергии, мишень и приемник ускоренных ионов, а вне камеры - импульсный лазер с параметрами релятивистской интенсивности I сверхкороткой длительности t и высокой контрастности k, ориентированный через концентратор на фронтальную поверхность мишени, отличающееся тем, что мишень выполнена из твердотельного дейтерированного полиэтилена (CD2)n толщиной l1 в диапазоне l1≈1 мкм÷10 мкм, а на расстоянии L от этой мишени в диапазоне L≈10 мм÷50 мм в качестве приемника ускоренных ионов установлена вторая мишень из такого же материала толщиной l2 в диапазоне l2≈100 мкм÷1 мм, при этом импульсный лазер имеет релятивистскую интенсивность I в диапазоне I≈1018÷1020 Вт/см2, энергию Е в диапазоне E≈10 Дж÷500 Дж, сверхкороткую длительность t в диапазоне t≈100 фс÷1 пс и контрастность k в диапазоне k≈108÷1010, а в местах регистрации нейтронов перспективной ядерной реакции синтеза установлены детекторы с гелиевыми счетчиками и/или нейтронными счетчиками. 2. A device for implementing the ion acceleration method, comprising an energy concentrator, a target and a receiver of accelerated ions located in a vacuum chamber, and a pulsed laser with parameters of relativistic intensity I of ultrashort duration t and high contrast k oriented through the concentrator to the frontal surface of the target, located outside the chamber; characterized in that the target is made of solid polyethylene deuterated (CD 2) n thickness in the range of 1 l 1 l ≈1 mm ÷ 10 mm, and a distance l from the target in this range L≈10 m ÷ 50 mm as a receiver accelerated ions second target set of the same material thickness in the range of l 2 l 2 ≈100 mm ÷ 1 mm, wherein the pulse laser has a relativistic intensity I in the range of 18 ÷ I≈10 October 20 W / cm 2 , energy E in the range E≈10 J ÷ 500 J, ultrashort duration t in the range t≈100 fs ÷ 1 ps and contrast k in the range k≈10 8 ÷ 10 10 , and detectors are installed in the neutron detection sites of the promising nuclear fusion reaction with helium counters and / or neutron counters.
RU2010135474/07A 2010-08-24 2010-08-24 Method of accelerating ions and apparatus for realising said method RU2449514C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010135474/07A RU2449514C1 (en) 2010-08-24 2010-08-24 Method of accelerating ions and apparatus for realising said method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010135474/07A RU2449514C1 (en) 2010-08-24 2010-08-24 Method of accelerating ions and apparatus for realising said method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2010135474A RU2010135474A (en) 2012-02-27
RU2449514C1 true RU2449514C1 (en) 2012-04-27

Family

ID=45851849

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010135474/07A RU2449514C1 (en) 2010-08-24 2010-08-24 Method of accelerating ions and apparatus for realising said method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2449514C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534507C1 (en) * 2013-04-01 2014-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4692627A (en) * 1985-10-01 1987-09-08 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Ion beam generator
RU2364979C1 (en) * 2007-11-20 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of ions acceleration and device for its realization

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4692627A (en) * 1985-10-01 1987-09-08 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Ion beam generator
RU2364979C1 (en) * 2007-11-20 2009-08-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of ions acceleration and device for its realization

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2010 г., Т.36, №8; XXXVI Международная (Звенигородская) конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2009 г. АКУНЕЦ А.А. и др. ГЕНЕРАЦИЯ НЕЙТРОНОВ В ПЕРЕТЯЖКЕ Z-ПИНЧА ИЗ МАЛОПЛОТНОГО ДЕЙТЕРИРОВАННОГО ПОЛИЭТИЛЕНА. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2534507C1 (en) * 2013-04-01 2014-11-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor

Also Published As

Publication number Publication date
RU2010135474A (en) 2012-02-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zeil et al. The scaling of proton energies in ultrashort pulse laser plasma acceleration
Maksimchuk et al. Forward ion acceleration in thin films driven by a high-intensity laser
Mikhailova et al. Isolated attosecond pulses from laser-driven synchrotron radiation
Helle et al. Laser-accelerated ions from a shock-compressed gas foil
Cousens et al. Temporal structure of attosecond pulses from laser-driven coherent synchrotron emission
Pfotenhauer et al. A cascaded laser acceleration scheme for the generation of spectrally controlled proton beams
NL2015226A (en) Radiation Source.
KR20090035617A (en) A method for generating a pulsed flux of energetic particles, and a particle source operating accordingly
Gonoskov et al. Multicascade Proton Acceleration by a Superintense Laser Pulse in the Regime<? format?> of Relativistically Induced Slab Transparency
Baumann et al. Influence of e− e+ creation on the radiative trapping in ultraintense fields of colliding laser pulses
Maier et al. Brilliant light sources driven by laser-plasma accelerators
RU2449514C1 (en) Method of accelerating ions and apparatus for realising said method
US11000245B2 (en) Compact tunable x-ray source based on laser-plasma driven betatron emission
Nie et al. Highly spin-polarized multi-GeV electron beams generated by single-species plasma photocathodes
Kienberger et al. Sub-femtosecond X-ray pulse generation and measurement
RU2364979C1 (en) Method of ions acceleration and device for its realization
RU2534507C1 (en) Method of initiating nuclear fusion reaction and apparatus therefor
Zhang et al. High-order harmonic generation in an electron-positron-ion plasma
RU2562831C1 (en) Generator of electromagnetic pulses
Uggerhøj Relativistic ps− and ps
Culfa et al. Plasma scale length and quantum electrodynamics effects on particle acceleration at extreme laser plasmas
Curcio et al. Resonant interaction between laser and electrons undergoing betatron oscillations in the bubble regime
Baiwen et al. Acceleration of high-quality, well-collimated return beam of relativistic electrons by intense laser pulse in a low-density plasma
Ivanov et al. Novel photonuclear techniques based on femtosecond lasers
Bagchi et al. Micrometer-sized negative-ion accelerator based on ultrashort laser pulse interaction with transparent solids

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner