Введение к работе
, ";Актуальность темы. С появлением.линейных индукционных ускори-елей, способных пропускать токи до нескольких кА, повысился инте-ее к интенсивным источникам ионов с полным током до 10 А. Извле-ение из лазерной плазмы и ускорение как можно большего числа ионов еобходиыо таюхе в случаях создания лазерных источников ионов для онной имплантации и для генерации импульсных потоков нейтронов. В тих случаях нарушение квазинейтральности ("разрыв") лазерно-лазыенного огустка необходимо осуществлять на минимально возможных асстояниях от мишени.
Значительное развитие получили источники (в том числе и лазерне) кластерных ионов. Такие источники широко применяются в исслэ-овзниях физико-химических свойств кластеров, при вакуумном напыле-ии тонких пленок высокого качества, а также для получения ускоренных пучков клзстерных ионов с помощью линейных ускорителей в целях зучения особенностей взаимодействия кластеров с веществом. Интерес . созданию интенсивного источника молекулярных (или кластерных) онов значительно возрос в связи с высказываемой в последнее время деей "нелиувилиевской ишеекции" ионов в накопительные кольца, редаодагается, что при таком способе 'заполнения кольца ионами дастся получить мощные ионные импульсы с длительностью всего не-колько наносекунд. Существующие источники позволяет получать пучки ластерных ионов некоторых элементов и сое;зшений, в которых число томов (молекул) в кластере достигает величины 10+10 , однако, ин-енсивность таких пучков невелика и не превышает, как правило,1 ыА.
ДЛЯ ИЗУЧеНИЯ ВОЗМОЗЗЮСТИ СОЗДаНИЯ ИНТеНСИВНЫХ ИСТОЧ}ОІКОВ мно-
оззрядных и кластерных (молекулярных) ионов представляет интерес сследование ионной эмиссии при воздействии лазерного излучения на нод вакуумного диодз. Такой интерес обусловлен как особенностями
лазерного разложения мишеней, состоящих из целого ряда элементов соеданеккй, при припороговых плотностях потока, когда в нейтральн и ионном компонентах лазерной плазмы в большом количестве присутс вуют кластерные и молекулярные фрагменты, так и особенностями обр, зевания и разлета лазерной плазыы во внесшей -электрическом пол когда ыозет происходить не только нарушение квазинейтральности л; F.3~:3.^-rL3is^eHHoro сгустка нз минимальных расстояниях от шппени, ] ~ значительная дополнительная ионизация нейтрального компонент сервируемым при "разрыве" потоком электронов. Цедяж настоящей работы являются:
- изучение временных, зарядовых и массовых характеристик иоі
*
ной эмиссии при воздействии лазерного излучения в широком диапазої плотностей потока на анод вакуумного диода;
получение интенсивных пучков многозарядных и кластерных иої ов углерода и определение фазовых характеристик пучка кластернк вонов углерода;
разработка способа получения интенсивных пучков кластерных молекулярных ионов различных элементов и соединений.
Научная новизна:
- Впервые исследованы временные, зарядовые и массовые хзракте
ристики ионной эмиссии при воздействии лазерного излучения с плот
гостью потока 10*10 Бт/см^ на анод из углерода вакуумного диода.
- Осуществлено разделение электронной и ионной компонен
("разрыв") лазерной плазмы на минимальных расстояниях от мишек
(для напряженности внешнего электрического поля в области мшен
»10 В/см) при минимальнах рекомбкнационных потерях многозарядны'.
ионов в диапазоне плотностей потока лазерного излучения Чпор
* 109 Вт/см2. Показано, что при "разрыве" лазерной плазмы в диоде ( лазерно-плазменным анодом формируется пучок, в котором число много-
зарядных ионов максимально по отношению к традиционный схемам "разрыва" лазерной плазин на расстояниях ^ to см от мишени.
В допробойнои режиме вакуумного диода при воздействии лазерного излучения с допороговой плоткость0 потока на анод из углерода получен пучок ионов с полным током « 100 иА при длительности импульса $ 30 мкс. Полное число ионов в пучке составляет величину „ 1013 част/имп. При этом на долю кластерных ионов углерода С^ и Сд приходится 60 % от^общего числа ионов в пучке.
Изучены зависимости амплитуда и длительности тока, а также характер изменения диаметра пучка кластерных ионов углерода на выходе вакуумного* диода от диаметра пятна фокусировки и плотности потока лазерного излучения на аноде.
- На основании проведенных исследований предложен механизм
возбуждения анода вакумного диода лазерный излучениел с допороговой
плотностью потока, приводящий к формированию интенсивного пучка
кластерных ионов углерода и состоящий в том, что создание внешнего
электрического поля в области, непосредственно прилегающей к мише
ни, приводит к нарушению квазинейтральности лазерно-плазмеиного
сгустка, который при допороговых плотностях потока лазерного излу
чения содержит значительное число кластеров, снятию рекоибинацион-
ных процессов и формированию ионного пучка, причем извлекаемый ион
ный ток ограничен объемным зарядом, так что граница ионоотбора пе
ремещается в сторону катода до тех пор, пока все ионы не будут из
влечены из плазменного сгустка.
- Экспериментально показано, что максимальная плотность тока в
пучке кластерних ионов углерода на выходе из диода достигает
3 нА/см^, а поперечішй фазовый объем полученного пучка не превышает
10" см-рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазово
му объему инжектируемых пучков со стороны ускорителей различного
типа.
Практическая ценнрсть работы. Созданный интенсивный лазерньв источник кластерных донов углерода может быть использован для получения ускоренных пучков кластеров на ускорителях различного типа Разработанный в результате проведенных исследований способ получения пучков кластерных и молекулярных ионов различных элементов і соединений позволяет создать интенсивные источники таких ионов.
На основании полученных результатов может быть повышена дох1 шюгозаряднах ионов в пучках,получаемых от лазерно-пдазменных источников при умеренных моздаостях используемых лазерных систем. Положения, выносимые ка защиту:
1. Впервые исследованы временные, зарядовые и массовые харак
теристики пучка ионов, получаемого при воздействии излучения С(Х> -
лазера с плотностью потока 10 + 1 0s Вт/сы^ на анод из углерода ва
куумного диода. Обнаружено существование пороговосо значения- плот
ности потока лазерного излучения на-анод** ( ~ 10 Ът/сяг), 'прі
переходе через которое качественно меняются зарядовый и массовые
составы получаемого пучка: при плотностях потока выше пороговое
получаемый пучок состоит преимущественно из мкогозарядных ионов уг
лерода и обладает средним" зарядом в 1,5 + 2 раза выше по сравнении
с ионном пучком, формируемым из лазерной плазмы на расстояниях
-: 100 см от мишени; при плотностях потока ниже пороговой получаемый
пучок состоит из кластерных ионов углерода.
2. На основании экспериментально обнаруженных временной к
энергетической структур иокко-плазменного потока, получаемого ш
выходе вакуумного диода при плотностях потока лазерного излучения
выше пороговой, дано объяснение особенностям зарядового состава по
лучаемого ионного пучка, состоящее в том, что при образовании у
разлете лазерной плазмы во внешней злектрическоы поле с напряжен-
(
HOCTbD ~ 10 В/см происходит нарушение квазинейтральности лазерно-плазменного сгустка и преииущественное извлечение из плазыы в пучок ионов наибольших кратностей иойизации, представленных в плазменном сгустке на расстояниях „ 1 си от шшени, которые распространяются в "головной" части лазерно-плазменного сгустка.
-
При плотностях потока лазерного излучения на аноде ниже пороговой получен пучок, состоящий в основном из кластерных ионов углерода С2+и С3+. с полным током „, 10 иД при длительности импульса ~ 10 икс с полным числом частиц „ fo част/имп и поперечным фазо-вьш объемом, не превышающим 10 см-рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазовому объему инжектируемых пучков со сто-роны ускорителей различного типа.
-
Проведенные исследования позволяют предложить механизм возбуждения анода вакумного диода лазерным излучением с допорогозой плотностью потока, приводящий к формированию интенсивного пучка кластерных ионов углерода и состоящий в том,что создание внешнего электрического поля в области, непосредственно прилегающей к милена, приводит к нарушению' квазинейтральности лазерно-плазменного сгустка, который при допороговых плотностях потока лазерного излучения содержит значительное число кластеров, снятию рексмбинацион-ных процессов и формированию ионного пучка, причем извлекаемый ионный ток ограничен объемным зарядом так, что граница ионоотбора перемещается в сторону катода до тех пор, пока все ионы не будут извлечены из плазменного сгустка.
-
Предложенная и реализованная процедура оптимизации по плот-кости потока и диаметру пятна фокусировки лазерного излучения на аноде в допробойном реяиме вакуумного диода,- отличавшимся высокой стабильностью получаемого ибнного пучка, позволила достигнуть.следующих параметров пучка кластерных ионов углерода: полный ток
« 100 иА. длительность шшулься « 30 ыкс, полное ЧИСЛО ионов *» 10 w част/инп, плотность тока на выходе из диода 3 мА/сн".При этом на долю кластерных ионов углерода С2+ и С3+ приходится 60 % от общего числа ионов в пучке.
6. На основании проведенных исследований предложен новий способ получения пучков кластерных и молекулярных ионов различных эле-иентов н соединений при помощи возбуждения анода вакуумного диода лазерним излучением с допороговой плотностью потока, заключающийся в той, что с целью достижения наибольшей интенсивности и высокой с" "5ильности получаемого пучка выбираются значения допороговой плотности потока и диаметра пятна фокусировки лазерного излучения на мишени, а также ее высоковольтного потенциала так, чтобы осуществить допробойный ревш вакуумного промежутка, образованного мишенью-анодом и сеткой, находящейся под нулевым потенциалом.
Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на І н II Всесоюзных семинарах по физике быстропротекающих плазменных процессов (г.Гродно 1986,1983 г.г.) V Всесоюзной конференции по взаимодействию электромагнитного излучения с плазмой (г.Ташкент 1989 г.), III Совещании по спектроскопии многозарядных ионов в плазме (г.Ткибули, 1989 г.), XI Всесоюзном семинаре по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (г.Киев, 1991 г.).
Публикации. По результатам работы имеется 7 публикаций в открытой печати.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объем диссертации 152 страница, материал иллюстр:фован 34 рисунками и 6 таблицами, список литературы содержит 103 наименований.
