Взаимодействие лазерной плазмы с импульсным магнитным

Взаимодействие лазерной плазмы с импульсным магнитным полем
И.Ю. КОНЮХОВ, В.Д. ПЕКЛЕНКОВ
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛАЗЕРНОЙ ПЛАЗМЫ
С ИМПУЛЬСНЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ
Представлены экспериментальные результаты исследования влияния импульсного квазистационарного аксиально-симетричного магнитного поля величиной до 2 Тл на количественные и пространственные характеристики ионной
компоненты лазерной плазмы для различных материалов мишени. Показано, что наложение импульсного магнитного
поля на область плазмообразования приводит к увеличению количества извлекаемых ионов по крайней мере в два раза
по сравнению со свободным разлетом, а для тяжелых элементов – к увеличению доли высокоэнергетичных ионов с
энергией порядка 10 кэВ.
Лазерный источник ионов был разработан еще в 1968 г. [1], но и до настоящего времени не
потерял своей актуальности. Широкое применение лазерного источника многозарядных ионов
(МЗИ) в таких областях, как ядерная физика, ускорительная техника, модификация материалов и
др., ставит вопрос о дальнейшей оптимизации его параметров.
Оптимизация лазерного источника МЗИ прежде всего связана с повышением количества и
кратности ионизации МЗИ. Существует два традиционных пути решения этой проблемы: улучшение характеристик используемых лазеров или поиск методов, позволяющих существенно повысить количество МЗИ в лазерной плазме, уменьшить скорость разлета ионов при неизменной
плотности потока лазерного излучения [2]. Не менее важной является проблема транспортировки
ионного пучка с минимальными потерями на большие расстояния, возникающая при применении
лазерного источника на некоторых типах ускорителей. Одним из возможных путей решения данной проблемы является использование соленоидального магнитного поля.
Схема экспериментальной установки для изучения влияния магнитного поля на ионный
компонент лазерной плазмы приведена на рис. 1.
4
3
5
2
9
6
11
7
1
α=15°
13
10
V 19
16
+
20-
V
8
12
14-
+
15
17
V
18
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 – лазер; 2 – лазерное излучение; 3 – фотодиод; 4 – отражающее зеркало; 5 – входное окно; 6 – фокусирующая линза; 7 – мишень; 8 – вакуумная камера; 9 – патрубок
вакуумной камеры; 10 – соленоид; 11 – измерительный зонд; 12 – RC-цепочка магнитного зонда; 13 – коллектор; 14 – источник питания Б5-49; 15 – система регистрации ионов; 16 – генератор импульсов Г5-82; 17 –
генератор импульсов Г5-15; 18 – четырехлучевой осциллограф TDS2024B; 19 – тиристорная схема для получения импульсного магнитного поля; 20 – источник питания БНВ3-05
В экспериментах использовался лазер на неодимовом стекле с энергией излучения 1300 мДж
и длительностью импульса 10 нс. Вакуум в системе поддерживался не хуже 105 мм рт. ст. Для
исследования характеристик ионной компоненты лазерной плазмы использовалась коллекторная
Взаимодействие лазерной плазмы с импульсным магнитным полем
методика, причем положение коллектора могло меняться от 0 до 15º с шагом 5º от оси разлета лазерной плазмы при неизменном расстоянии (38 см) до точки плазмообразования. В качестве материалов мишени были выбраны элементы с массами от 12 до 207: углерод, титан, медь, цирконий,
тантал, свинец.
Магнитное поле, наложенное на область плазмообразования, с длительностью порядка
100 мкс и величиной до 2 Тл создавалось соленоидом с малой индуктивностью и постоянно контролировалось в процессе эксперимента с помощью зонда.
В эксперименте было проведено исследование влияния на лазерную плазму импульсного
магнитного поля (от В = 0 до 1,9 Тл) для различных материалов мишени. Коллектор находился на
оси разлета лазерной плазмы. На рис. 1, 2 приведены характерные осциллограммы ионного тока
для углерода и тантала.
Во второй части эксперимента проведено исследование углового распределения ионного
компонента лазерной плазмы для тантала при воздействии магнитного поля величиной 1,9 Тл при
различных положениях коллектора. На рис. 3 приведены осциллограммы ионного тока для тантала.
На осциллограммах: верхняя линия СН1 – сигнал с фотодиода, совпадающий по времени с
импульсом лазера; средняя линия СН2 – сигнал с магнитного зонда; нижняя линия СН3 – сигнал с
коллектора.
а
б
в
Рис. 2. Осциллограммы ионного тока с коллектора для углерода при различных величин магнитного поля:
а – В = 0 Тл; б – В = 1,15 Тл; в – В = 1,9 Тл
а
б
в
Рис. 3. Осциллограммы ионного тока с коллектора для тантала при различных величин магнитного поля:
а – В = 0 Тл; б – В = 1,15 Тл; в – В = 1,9 Тл
Как видно из приведенных осциллограмм, наложение магнитного поля на область плазмообразования приводит к увеличению ионного тока вне зависимости от материала мишени. Возможным объяснением полученных результатов является то, что в магнитном поле происходит изменение траектории разлета ионов по сравнению со свободным разлетом и подтверждает ранее
полученные результаты [3].
Взаимодействие лазерной плазмы с импульсным магнитным полем
а
б
в
Рис. 4. Осциллограммы ионного тока с коллектора для тантала в импульсном магнитном поле 1,9 Тл
при различных углах положения коллектора: а – 5; б – 10; в – 15
Магнитное поле должно приводить к замедлению скорости всего ионного пакета, поэтому
появление на переднем фронте пика (рис. 3, 4), соответствующего ионам с очень высокой энергией (порядка 10 кэВ), а значит, с высокой зарядностью (причем только для элементов с массой более 100) является необычным и требующим дальнейшего исследования явлением. Одним из возможных объяснений этого факта может быть то, что лазерная плазма, кроме газодинамического
расширения (медленный пик), испытывает ускорение в самосогласованном электрическом поле
(первый и средний пики). В плазме всякое разделение зарядов, вызванное смещением группы
электронов относительно группы ионов, приводит к созданию электрических полей, стремящихся
уничтожить смещение, в результате чего и происходит это увеличение скорости ионов.
С другой стороны, при наложении магнитного поля величина рекомбинационных потерь на
границе лазерной плазмы должна увеличиваться из-за более медленного спада плотности, т.е.
должна уменьшаться доля многозарядных ионов (МЗИ), однако этого не происходит. Наиболее
вероятным объяснением сохранения МЗИ в продольном магнитном поле может служить известный эффект, наблюдаемый при транспортировке плазменных сгустков в транзитивных плазмооптических системах. В условиях свободного разлета квазинейтральный плазменный сгусток приобретает положительный заряд из-за ухода электронов на стенки вакуумной камеры. Под действием
возникшего электрического поля ионы будут ускоряться в направлении, перпендикулярном оси
транспортировки, причем наиболее сильно под действием этого поля будут искажаться траектории
многозарядных ионов вследствие большой величины Z и малой плотности плазмы на передней
границе. При наложении продольного магнитного поля, ввиду того, что re  rt , rp (где re – радиус
вращения электрона; rp – характерный радиус плазмы), такое электрическое поле не возникает, что
и способствует сохранению многозарядных высокоэнергетичных ионов на передней границе
плазмы.
Приведенные выше экспериментальные результаты могут позволить существенно улучшить
характеристики лазерно-плазменного источника многозарядных ионов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
Быковский Ю.А. и др. // Авт. свид. СССР № 324938. Опубл. в Б.И. 1974. № 7.
2.
Clark D.J. // IEEE. Transaction on Nuclear Science. 1977. V. NS-24. № 3. P. 1063.
3.
Быковский Ю.А., Конюхов И.Ю., Пекленков В.Д. и др. // Инженерная физика. 2000.
№ 2. С.47.