Ионная эмиссия при воздействии лазерного излучения на анод вакуумного диода тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

0 1- В'I'

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

на правах рукописи

КОЦДРАШЕВ Сергей Анатольевич

ИОННАЯ ЭМИССИЯ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА АНОД ВАКУУМНОГО ДИОДА

01.04.08 - Физика и хотя плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор: ¿^^¡Г^

Москва - 1992

Работа выполнена в Институте Теоретической и Эксперименталык Физики, г.Москва.

Научные руководители - доктор физико-математических наук, профессс Быковский Ю.А.,

доктор физико - математических наук Коакарев Д.Г.

Официальные оппоненты:

Склизков Г.В. - доктор физико-математических наук,

профессор (ОИАН), Сироткин А.А. - кандидат физико-математических наук (ИОФАН)

Ведущая организация - Институт атомной энергии, г.Москва.

Завдта диссертации состоится " /6" 1992 г.

з час. шш. на заседании специализированного совета К - 053.03.08. по запрете диссертаций на соискание ученой степей доктора наук при Московском инженерно-физическом институте п адресу: 115409, г.Москва, Каширское о., 31. Тел.324-84-98. С диссертацией ысошо ознакомиться в библиотеке МИФИ. Автореферат разослан июИ^-Х 1992 г.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью организации.

Ученый секретарь специализированного совета ''о'Сл^г С.Т.Корнилов

Подп. к .печ. 2 (М Заказ Тираж 80

Типография 1И, Каширское шоссе, д.31

о

• ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. С появлением, линейных индукционных ускори-елей, способных пропускать токи до нескольким кА, повысился инте-

•5

ее к интенсивным источникам ионов с полным током до 10 А. Извле-ение из лазерной плазмы и ускорение как можно большего числа ионов еобходимо такяе 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 лазер-ые) кластерных ионов. Такие источники широко применяются в иссле-ованиях физико-химических свойств кластеров, при вакуумном напыле-ии тонких пленок высокого качества, а также для получения ускорев-ых пучков клзстернах 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 инжекции" ионов в накопительные кольца, редполагается, что при таком способе 'заполнения кольца ионами дастся получить мощные ионные импульсы с длительностью всего не-колько наносекунд. Существующие источники позволяют получать пучки ластерных'ионов некоторых элементов и соединений, в которых число томов (молекул) в кластере достигает величины 103+104, однако, ин-енсивность таких пучков невелика и не превышает, как правило,1 ыА.

Для изучения возмоззюсти создания ютенсившх источников цно-■оззрядных и кластерных (молекулярных) ионов представляет интерес сследование ионной эмиссии при воздействии лазерного излучения на нод вакуумного Диода. Такой интерес обусловлен как особенностям!

лазерного разложения мишеней, состоящих из целого ряда элементов соединений, при припороговых плотностях потока, когда в нейтральн и ионном компонентах лазерной плазыы в большой количестве присутс вухт кластерные л молекулярные фрагменты, так и особенностями обр зевания и разлета лазерной плазыы во внесшей 'электрическом по® когда ыозет происходить не только нарушение квазикейтр.альности л; г. т--•>--^загнггаро сгустка на минимальных расстояниях от шппени, ] ~ значительная дополнительная ионизация нейтрального компонент ■Лорнируемым при "разрыве" потоком электронов.

Целяж настоящей работы являются:

- изучение врекенных, зарядовых и кассовых характеристик лк ной эмиссии при воздействии лазерного излучения в широком даапазо! плотностей потока на анод вакуумного диода;

- получение интенсивных пучков многозарядных и кластерных йог ов углерода и определение фазовых характеристик пучка кластерны вонов углерода;

- разработка способа получения интенсивных пучков кластерных молекулярных ионов различных элементов и соединений.

Научная новизна:

- Впервые исследованы временные, зарядовые и кассовые характе ристики ионной эмиссии при воздействии лазерного излучения с плот гостью потока Ю^-ИО9 Вт/си2 на анод из углерода вакуумного диода.

- Осуществлено разделение электронной и ионной кошюнен ("разрыв") лазерной плазыы на минимальных расстояниях от мишек (для напряженности внешнего электрического поля в области шшен ~ 104 В/см) при минимальных рекомбинационных 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 плазмы на расстояниях ? 10 си от мишени.

- В допробойнои режиме вакуумного диода при воздействии лазерного излучения с допороговой плотностью потока на анод из углерода получен пучок ионов с полным током « 100 мА при длительности импульса $ 30 икс. Полное число ионов в пучке составляет величину „ ю13 част/имп. При этой на долю кластерных ионов углерода С^ и Сд приходится 60 % от^общего числа ионов в пучке.

- Изучена 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 излучением 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 мишени, приводит к нарушению квазинейтральности лазерно-плазмеиного сгустка, который при допороговых плотностях потока лазерного излучения содержит значительное число кластеров, снятию рекомбинацион-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.

- Экспериментально показано, что максимальная плотность тока в пучке кластерных ионов углерода на выходе из диода достигает 3 мА/см2, а поперечный фазовый объем полученного пучка не превышает Ю-5 см-рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазовому объему инжектируемых пучков со стороны ускорителей различного

с

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 1 соединений позволяет создать интенсивные источники таких ионов.

На основании полученных результатов может быть повышена дох1 ююгозарядшх ионов в пучках,получаемых от лазерно-плазменных источников при умеренных мощностях используемых лазерных систем.

Положения, выносимые ка защиту:

1. Впервые исследованы временные, зарядовые и массовые характеристики пучка ионов, получаемого при воздействии излучения СС^ -лазера с плотностью потока 107 4 1 о5 Вт/см2 на анод из углерода вакуумного диода. Обнаружено существование пороговосо значения- плотности потока лазерного излучения на-анод'5 ( ~ 108 Вт/сы2), 'пр! переходе через которое качественно меняются зарядовый и ыассовьй составы получаемого пучка: при плотностях потока выше пороговой получаемый пучок состоит преимущественно из многозарядных ионов углерода и обладает средним" зарядом в 1,5 2 раза выше по сравнении с ионном пучком, формируемым из лазерной плазмы на расстояниям

100 си от шшени; при плотностях потока ниже пороговой получаемый пучок состоит из кластерных ионов углерода.

2. На основании экспериментально обнаруженных временной I энергетической структур иокко-плазыенного потока, получаемого ш выходе вакуумного диода при плотностях потока лазерного излучени* выше пороговой, дано объяснение особенностям зарядового состава получаемого ионного пучка, состоящее в том, что при образовании у

разлете лазерной плазмы во внешней электрическом поле с налряжен-

(■

ностью ~ 104 В/см происходит нарушение квазинейтральности лазерно-плазменного сгустка и преимущественное извлечение из плазш в пучок ионов наибольших кратностей иойизации, представленных в плазменном сгустке на расстояниях ~ 1 си от юшени, которые распространяются в "головной" части лазерно-плазменного сгустка.

3. При плотностях потока лазерного излучения на аноде нияе пороговой получен пучок, состоящий в основном из кластерных ионов углерода С2+и Сд+. с полным током ~ 10 иД при длительности импульса ~ 10 икс с полным числом частиц ~ част/имп и поперечным фазовым объемом, не превышающим 10 см-рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазовому объему инжектируемых пучков со стороны ускорителей различного типа.

4. Проведенные исследования пЪзволявт предложить механизм возбуждения анода вакумного диода лазерным излучением 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 мипе-ни, 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 сгустуа.

5. Предложенная■и реализованная процедура оптимизации по плотности потока и диаметру пятна фокусировки лазерного излучения на аноде в допробойном регжие вакуумного диода,- отличающимся высокой стабильностью получаемого ибнного пучка, позволила достигнуть, следующих параметров пучка кластерных ионов углерода: полный ток

" 100 мА, длительность иипулься « 30 мкс, полное число ионов

1 '4 ' О

*» 10 w част/имп, плотность тока на выходе из диода 3 мА/см".При этом на долю кластерных ионов углерода С2+ и С3+ приходится 60 % от общего числа ионов в пучке.

6. На основании проведенных исследований предложен новый способ получения пучков кластерных и молекулярных ионов различных элементов и соединений при помощи возбуждения анода вакуумного диода лазерным излучением с допороговой плотностью потока, заключающийся в том, что с целью достижения наибольшей интенсивности и высокой с" 'ильноети 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 I и 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 иногозарядных 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 страницы, материал иллюстрирован 34 рисунками и 6 таблицами, список литературы содержит 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

• В начале работы определена тема диссертации, ее актуальность, сформулированы цели работы, приводится краткое содержание диссертации по главам.

В перзой главе на основе данных, пьющихся в литературе, про-зеден анализ основных характеристик лазерной плазмы как источника гонов. Рассматриваются ионизационные и рекомбинационные процессы, дотекающие в лазерной плазме, образованной излучением С02-лазера за твердотельную шсшень в вакууме. Отмечается, что тройная рекомби-гация является основным рекомбинационнш процессом при разлете лазерной плазмы на большие расстояния от мишени.

Приводятся характеристики пучков ионов, формируемых из лазер-гой плазмы при ее "разрыве" на больших (1 г0, где г0 - диаметр штна фокусировки лазерного излучения) расстояниях от мишени. Отнесется, что при помощи диода с лазерно-плазыенным анодом можно по-тучать ионные пучки с полным током, достигающим нескольких кА.

Далее рассматриваются особенности массового состава нейтраль-юго и ионного компонентов лазерной плазмы при воздействии лазерного излучения с плотностями потока, близкими к пороговой, на целый 5яд элементов и соединений. Отмечается существование трех областей ю плотности потока лазерного излучения на мишени, которые характе-жзуются порогам? регистрации в дальней зоне разлета тепловых ато-юв, рекомбинационных атомов и ионов лазерно-плазменного сгустка юответственно. Отмечается такта, что при воздействии лазерного из-1учения с припопороговой плотностью потока на твердотельные мишени, ¡остоящие из целого ряда элементов и соединений, образуется большое ' :оличество разнообразных кластерных и молекулярных фрагментов как в гонном, так и в нейтральном компонентах, причем число таких частиц

в нейтральном компоненте значительно больше-, чем в ионном. Рассма^ риваются способы получения пучков и потоков кластерных и молекуля] ных ионов. Отмечается, что существующие способы позволяют получат пучки кластерных ионов с большими массами, однако, интенсивное] таких пучков невелика.

Далее рассматриваются основные закономерности и механизмы вте ричной электронной эмиссии, ваяние при количественной интерпритацк результатов, получаемых с использованием вторично-электронных уынс кителей. Обсуждаются принцип аддитивности для коэффициента вторпч ной электронной эмиссии и "эффект порога" со стороны больших мае при регистрации кластерных ионов углерода с помощью вторично электронных умножителей.

В заключение первой главы сформулирована постановка задач данной работы.

Во второй главе содержится описание экспериментальной установ ки с регистрирующей аппаратурой и примененных методов диагностик ионных пучков сложного массового состава.

Основными узлами экспериментальной установки являются: С0£-лазер с поперечным разрядом, обеспечивающий в импульсе плотность по-

7 9 2

тока лазерного излучения на ыишени в диапазоне 10 -И 0 Вт/см ; вакуумная камера с высоковольтным вводом, обеспечивающим уровеш электрической изоляции до 80 кВ, в которой размещались два последовательно расположенных диодных промежутка, позволявших проводин изучение и сравнение характеристик ионных пучков, формируемых и; лазерной плазмы на различных расстояниях от мишени: первый даодтй промеяуток (ДП 1), образованный мишенью-анодом и сетчатым катодом, и второй диодный промежуток (ДП 2), образованный двумя плоско-параллелькыми сетчатыми электродами и расположенный на расстояниг. 90 см от шнпеня; система высоковольтного электропитания установки,

юстоящая из высоковольтного источника, обеспечивающего на Еыходе ютенциал до +100 кВ, и резистивно-еыкостного делителя, задающего ^определение потенциала на электродах двух последовательно распо-юженных диодных промеяутков; масс-спектрограф Томсона с регастри->ухяцей системой на основе микроканальных пластин (МКП), позволяющий шализировать импульсный, ионный поток в одном "выстреле" лазера; ¡истема коллекторной диагностики ионных пучков; электростатический жерго-ыасс-анализатор цилиндрического типа; двухколлекторная сис-'еыа, позволяющая определять время формирования ионного пучка с ши-юкими диапазона)® масс и энергий; ионно-оптический преобразователь [а основе микроканальной пластины (ШОП) для регистрации про-¡транственно распределеных потоков ионов.

с

Вакуум в системе поддергивался на уровне 3• 10 мм.рт.ст.

В третьей главе приводятся характеристики ионной эмиссии из щода с лазерно-плазменным анодом в диапазоне * плотностей потока 1злучения С02-лазера ЧПОр41°9 Вт/см2, где qПOp - пороговая плот-гость потока для мишени из углерода, определяемая по регистрации [онного компонента лазерной плазмы в дальней зоне разлета ^потз -

о 2

'10 Вт/см ). Оценивается величина внешнего электрического поля 5р, необходимого для существенного нарушения квазинейтральности ла-$ерно-плазменного сгустка в объеме вакуумного диода (ЕрИО5 В/см).

Коллекторные измерения, проведенные непосредственно за" вторым рюдным промежутком на расстоянии 1 м от мишени, показали, что при >бразовании и разлете лазерной плазмы во внешнем электрическом поле хаблюдается нарушение квазинейтральности ("разрыв") части лазерно-1лазменного сгустка, вследствие чего регистрируемый ионный поток состоит из двух групп ионов, разделенных по времени прихода на ци-шндр Фарадея. Первая группа ионов формируется при "разрыве" лазер-юй плазш в объеме вакуумного диода, а вторая - покидает вакуумный

и

диод без нарушения квазинейтральности. Представлено изменение амп литуд токов, длительностей импульсов на полувысоте и полного числ, частиц в первой и второй группах ионов, измеряемых на расстоянии • м от мишени в апертуру диаметром 4 см в зависимости от плотност1 потока лазерного излучения для мишеней из углерода в виде стержга диаметром 500 ыкм и плоской пластины. Максимальная величина токг ионов первой группы, измеренная на расстоянии 1 и от штеки, достигает 30 мА, что не меньше тока ионного пучка, формируемого из лазерной плазмы на расстоянии 90 см от мшени во всем исследованном диапазоне плотностей потока излучения С02-лазера в том случае, когда в ■ качестве мишени использовался углеродный стеркень диаметром 500 ыкм.

Зарядовый и энергетический составы пучка ионов, формируемого при образовании и разлете лазерной плазмы во внешнем электрическом поле определялись при помощи спектрографа Томсона с регистрирующей системой на основе МКП. Подача напряжения одновременно на оба диодных промежутка (ДП 1 и ДП 2) позволяла анализировать в одном "выстреле" лазера не только иошшй пучок, формируемый в ДП 1, но и ионы, покидающие ДП 1 в составе плазменного сгустка без нарушения квазинейтральности. Анализ полученных спектрограмм показывает, что в ДП 1 происходит практически полное извлечение в пучок из лазерной плазмы ионов с Ъ=1 , где - максимальный заряд ионов, пред-

1<1иА 111а л

ставленный в плазменном сгустке на расстояниях ~ 1 см от мишени. Зарегистрированные энергии ионов леяат в диапазоне (60-Н20) % от Ъ'М^, где Ъ - зарядкость ионов, и1 - напряжение, приложенное к диодному промежутку. Сравнение зарядовых составов ■ ионных пучков, сформированных из лазерной плазма на расстояниях'порядка 1 сии 100 см от итвт показывает, что в первой случае ъ в 1,5*2 раза еы-ш, чем во второй. Это обусловлено в основном двумя причинами:

п,

1. В ДП 1 происходит нарушение квазинейтральности только периферийной части лазерно-плазменкого сгустка, . в которой наиболее представлены многозарядные ионы;

2. Рекомбинзционные потери ыногозарядаых ионов, происходящие в течении Есего времени разлета плазменного сгустка меньшэ для первого случая, когда лазерная плазма "разрывается" на расстояниях ~ 1 см от капаешь

Таким образом, схема формирования, пучка ионов, в которой лазерная плазма -образуется и разлетается во внешнем электрическом поле наиболее' полно использует одно из основных преимуществ лазерной плазмы как источника ионов, а именно ее шюгозарядность. Такая схема позволяет получать пучки ионов с наиболыпш средним зарядом.

В описанных экспериментах использовались мишени двух видоз: углеродный стержень диаметром 500 ыкм и плоская углеродная пластина. Углеродный стержень применялся з целях усиления внешнего электрического поля в области мишени. В результате проведенных экспериментов выявлены следующие особенности при использовании мишеней этих двух типов:

- в случае ышпени-стеркня время прихода на коллектор в- максимуме сигнала ионного пучка, сформированного в диоде с лазерно-плазыешшм анодом, на 200+300 не меньше,; чем в том случае, когда в качестве мишени использовалась плоская углеродная пластина;

- "разрыв" лазерной плазмы носит устойчивый характер в следующих диапазонах плотностей потока лазерного излучения:

а) ЧЛОр4Ю9 Вт/см2 - для шшени-стертч,

б) ЧЛ0р45'108 Вт/см2 - для шиеки-пластинн.

Неустойчивость "разрыва" при высоких плотностях потока лазерного излучения проявляется в разматда временной границы в коллекторном сигнале кейду двумя группами ионов, формируемыми в ДП 1 и в

а

ДП 2 соответственно, а. также в ухудшающейся воспроизводимости коллекторного сигнала от "выстрела" к "выстрелу" лазера. Оба отмеченных различия объясняются меньшим суммарным числом ионов в плазменном сгустке, а также более быстрым падением плотности частиц с расстоянием от мишени в том случае, когда в качестве мишени использовался углеродный стержень диаметром 500 мкм.

Далее в работе проводится анализ процессов, которые могут приводить к экспериментально зарегистрированному понижению зарядовых состояний ионов при распространении пучка, формируемого с помощью сеточных электродов, до регистрирующей аппаратуры. Отмечается, что наиболее вероятным процессом в этом случае является процесс частичной нейтрализации ионного пучка электронами при его взаимодействии с формирующими электродами с последующей рекомбинацией ионов в час-тично-нейтрализованном ионном пучке.

В четвертой главе приводятся характеристики ионной эмиссии, при воздействий излучения С02~лазера с допороговой плотностью потока на анод вакуумного диода. Обнаружено, что при воздействии излучения С02-лазера с плотностью потока q (0,2541) (где qПOp - поро-

говая плотность потока лазерного излучения для заземленной мишени, определяемая по регистрации, ионного • компонента лазерной плазмы в дальней зоне разлета) на мишень из углерода, находящуюся под положительным потенциалом в вакууме, происходит эмиссия ионов. Описывается методика получения ионного пучка в допробойноы режиме вакуумного диода, отличающимся высокой воспроизводимостью амплитуды и длительности ионного тока от "выстрела" к "выстрелу" лазера, состоящая в следующем: вначале плотность потока лазерного излучения сикается до величины незначительно меньшей пороговой для заземленной мишени;затем, после подачи потенциала на мишень, диаметр пятна £;окусировки лазерного излучения (при неизменной плотности потока на

мишени) уменьшается до тех пор, пока не устанавливается такой режим, в котором не происходит пробоя диодного промежутка. В установленном таким образом релоше определялись характеристики ионного пучка, получаемого на выходе вакуумного диода. Приводятся характерные коллекторные сигналы для различных диаметров пятна фокусировки . лазерного излучения на мишени при неизменной плотности потокз. Показано, что с уменьшением диаметра пятна фокусировки лазерного излучения на мишени уменьшаются как длительность ионного сигнала, так и амплитуда ионного тока. Приводятся зависимости амплитуды и' длительности ионного тока от плотности потока лазерного излучения на мишени. В результате, проведенной оптимизации по диаметру пятна фокусировки и плотности потока лазерного излучения на мишени получены следующие параметры пучка ионов в допробойном режиме вакуумного диода: максимальный зарегистрированный полный ток достигает 100 мА

при длительности ишульса по основанию 30 мкс, что соответствует

1 ч

полному числу ионов 10 за один "выстрел" лазера. Массовый и энергетический составы полученного ионного пучка определялись при помощи спектрографа Томсона с регистрирующей системой на основе микроканальных пластин (МКП). Приводится характерное изображение парабол Томсона, полученных в допробойном режиме вакуумного диода. Анализ массового состава показывает, что полученный пучок состоит из ионов имеющих диапазон масс 12-И92 а.е.м., а разрешенные спектрографом ионные компоненты соответствуют ионам С+, С^ и Сд. На основании полученных данных с использованием, принципа аддитивности для коэффициента вторичной электронной эмиссии определены количества ионов различной массы в полученном пучке. Установлено, что на долю кластерных ионов углерода С^ и приходится 60% от общего числа ионов в пучке. Отмечается, что зарегистрированные энергии ионов в пучке лежат в диапазоне 20^40 кэВ, хотя пробоя диодного промежутка не

происходит к напряжение на нем постоянно во времени и равно 40 кВ. Одновременная регистрация парабол Томсона и импульса тока с коллектора позволила установить связь кевду длительность» импульса тока и регистрируемыми диапазонами масс и энергий ионов в пучке, а именно: чем короче импульс тока, тем уже диапазон регистрируемых энергий, в то время как диапазон регистрируемых масс остается неизменным. Для регистрации распределения ионов в пучке по энергиям с более высокой чувствительностью использовался электростатический энерго-ыасс-анализатор цилиндрического типа с детектором ВЗУ - 1А. Приводятся зависимости токов, регистрируемых ВЭУ на выходе электростатического анализатора от времени, для различных анализируемых энергий ионов. Диапазон зарегистрированных энергий ионов в пучке весьма широк и составляет Б-г-40 кэВ, хотя напряжение на диодном промежутке постоянно во времени и равно 40 кВ. С применением масс-спектроыетрической времяпролетной методики и принципа аддитивности для коэффициента вторичной электронной эмиссии получено распределение ионов с энергиями равными напряжет®, приложенному к диодному промежутку, по массам. Используя двухколлекторную врегшпролеткую методику, определено время формирования пучка кластерных ионов углерода Л1ф для различных длительностей ионного тока на первом коллекторе Л-Ц: Л11ф = (12-5-16) ± 3 мкс при Д-Ц = 25 ыкс, Мф = (446) ± 2 ыкс при А*., = 10 икс. Под временем формирования ионного пучка понимается, промежуток времени между моментами прихода переднего фронта лазерного импульса на мишень и моментом испускания последней группы ионов в пучок.

На основании совокупности экспериментальных данных предложен механизм возбуждения анода вакуумного диода лазерным излучением 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 мшпени, приводит к нарушению квазинейтральности лазерно-плазменного сгустка, который при допороговых плотностях потока лазерного излучения содержит значительное число кластеров, снятию ре-коыбинационных 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.

Проведенные исследования позволяют предложить новый способ получения пучков кластерных и молекулярных ионов различных элементов и соединений при помощи возбуждения анода вакуумного диода лазерным, излучением с допороговой плотностью потока, заключающийся в том, что с целью достижения наибольшей.интенсивности и высокой стабильности получаемого пучка выбираются значения допороговой плотности потока и диаметра пятна фокусировки лазерного излучения на мишени, а также ее высоковольтного потенциала так, чтобы осуществить допро-бсйный резим вакуумного промежутка, образованного мишенью-анодом и сеткой, находящейся под нулевым потенциалом.

В пятой главе приводятся результаты экспериментов по определению поперечного фазового объема и поперечного распределения плотности тока в пучке кластерных ионов углерода. Рассматриваются существующие методики определения "эмиттанса и поперечного фазового объема ионных пучков. С помощью набора концентрических кольцевых коллекторов, установленных на оси пучка на расстоянии 15 см от мишени, изучалось поперечное распределение плотности тока в пучке кластерных ионов углерода. Приводятся характерные осциллограммы импульсов ионного тока на коллекторы, расположенные в центральной и периферийной частях пучка ионов. Отмечается, что характер временных зависимостей импульсов тока 'в центральной и периферийной частях

ионного пучка хорошо согласуется с предложенным в предающей главе механизмом возбуждения анода вакуумного диода лазерным излучением с допороговой плотностью потока. Представлены полученные поперечные распределения плотности тока в пучке кластерных ионов углерода для различных длительностей, лонного тока (различных плотностей потока лазерного излучения на мишени). Установлено, что диаметр ионного пучка возрастает с ростом длительности ионного тока (ростом-плот-, ности потока лазерного излучения на мишени), что также согласуется с предложенным механизмом возбуждения анода вакуумного диода лазерным излучением с допороговой плотностью потока. Диаметр ионного пучка изменяется от 4 см до 6 см при .изменение полной длительности ионного тока от 9 мкс до 23 шсс. Максимальная плотность тока в пучке кластерных ионов углерода на выходе вакуумного диода достигает 3 нА/см2.

При измерении поперечной составляющей скорости в пучке кластерных ионов углерода было использовано два подхода. В первом случае определялась непосредственно на выходе из диодного промежутка с помощью метода "двух щелей". В качестве детектора ионов использовалась система коллекторов в Евде проволочек диаметром 500 нкы, расположенных в одной плоскости с шагом 2 т. Так как полученный пучок кластерных ионов углерода обладает достаточно высоким значением первианса, то существенный вклад в измеряемую величину расплывания пучка за щелевой диафрагмой вносит кулоновское расталкивание ионов в пучке. Поэтому определяемые на основании таких измерений значения' -эшттанса и поперечного фазового объема являются границами сверху для этих величин. Во втором случае щелевая диафрагма устанавливалась на оси конного пучка на расстоянии 300 см от мишени, что исключало влияние кулоновского расталкивания ионов на измеряемую величину расплывания пучка за щелевой диафрагмой, йзо-

Сражение щелевой диафрагмы, созданное ионами, визуализировалось на экране микроканального иокно-оптического преобразователя' (ШОП) и регистрировалось на стандартную фотопленку. Значения Ух, полученные в первом и во втором случаях хорошо согласуются друг с другом. В результате' проведенных экспериментов показано, что значение поперечного фазового объема пучка кластерных ионов углерода не превышз-—5 '

ет 10 см.рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазовому объему инжектируемых пучков со стороны 'ускорителей различно' го типа.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Осуществлено разделение электронной и ионной компонент лазерной, плазма на ыинишльшх расстояниях от мишени (при'напряяен-"лссти внешнего электрического поля в области мииени ~ 10^ В/см), при минимальных рекдмбинационзшх потерях многозарядных ионов в диапазоне плотностей потока излучения С02-лазера 108 -г- 1Вт/см2.

2. Экспериментально показано, что при образовании и разлете лазерной плазмы во внешнем электрическом поле происходит преимущественное извлечение из плазмы в пучок ионов наибольших крат-костей ионизации, представленных в плазменном сгустке на расстояниях ~ 1 см от мишени. Средний заряд пучка ионов углерода, полученного в диоде с лазерно-плазменнш анодом в 1,5 2 раза выше среднего

заряда пучка, формируемого из лазерной плазмы на расстоянии ~ 1 и

• * (

от мишени.

3. Обнаружено, что при воздействии излучения С02-лазера с плотностью потока ч « (0,25-И ) • дПОр (ЧПОр - пороговая плотность потока .для заземленной мишени, определяемая по регистрации ионного компонента лазерной плазмы в дальней зоне разлета) на заряяенную углеродную мишень в вакууме при величине внешнего электрического

поля в области мишени ~ 104 В/си происходит эмиссия кластерных ионов углерода.

4. В результате проведенной оптимизации по плотности потока в диаметру пятна фокусировки лазерного излучения на иишени в допробойном режиме вакуумного диода получен пучок ионов с полным током м 100 иА при длительности импульса « 30 икс. Полное число ионов в пучке составляет * 10 частиц/инп. При этой на долю кластерных ионов углерода С^ и Сд приходится 602 от общего числа ионов в пучке. Достигнутая интенсивность пучка кластерных ионов углерода более чей на порядок превосходит интенсивность существующих источников кластерных ионов по току.

5. На основании проведенных исследований предложен механизм возбуждения анода вакуыного диода лазерным излучением р допо-роговой плотностью потока, приводящий к формированию интенсивного пучка кластерных ионов углерода и состоящий в том, что создание внешнего электрического поля в области, непосредственно прилегающей к мишени, приводит к нарушении квазинейтральности лазерно-плазменного сгустка, который при допороговых плотностях потока лазерного излучения содержит значительное число кластеров, снятию ре-комбинационных 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.

6. Экспериментально показано, что максимальная плотность тока в пучке . кластерных ионов углерода на выходе из диода достигает 3 мА/см^, а поперечный фазовый объем полученного пучка не превышает Ю-5 см рад, что удовлетворяет требованиям, предъявляемым к фазовому объему инжектируемых пучков со стороны ускорителей различного типа.

7. На основании проведенных исследований предложен новый способ получения пучков кластерных и молекулярных ионов различных элементов и соединений при помощи возбуждения анода вакуумного диода лазерным излучением с допороговоЗ плотностью потока, заключающийся в тоц, что с целью достижения наибольшей интенсивности и высокой стабильности получаемого пучка выбираются значения допорого-зой плотности потока н диаметра пятна фокусировка лазерного' излуче-:зм на мишени, а такяе. ее высоковольтного потенциала так, чтобы осуществить допробойный реши вакуумного промежутка, образованного глппенью-анодсы и сеткой, находящейся под нулевым потенциалом.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Кондргшев С.А., Кречет К.И., Хайдаров Р.Т., Шарков Б.Ю. Спектрограф Тоысона с визуализацией ионных парабол с помощью ннкро-каналышх пластин. - М., Препринт ИГЭФ, 1986, И 109, 13 с.

2. Бзрабащ Л.З., Брапш Б.Н., Малышева B.C., Кондраиев С.А., Рязанов Г.В., Хайдаров Р.Т., Шарксз Б.Ю., Шуышуров A.B. Ионно- . оптический преобразователь для измерения параметров тягелых понов. - В сб. докладов I Всесоюзного семинара по физике быст-ропротекающих плазменных процессов, г.Гродно, 1986, с.57-58.

3. Голубев A.A., Загаренков Ю.А., Карнаухов A.A., Кондрашев С.Д., Шарков Б.Ю., Шиканов A.C. Измерение энергетических спектров нейтральных атомов, образующихся при разлете облучаемой лазером мишени. - Квантовая электроника, 1988, т.15, й 3, с.630-633.

4. Голубев A.A., Кондрашев С.А., Кошкарев Д.Г., Шарков Б.Ю. Ионная эмиссия при образовании и разлете лазерной плазмы в электрическом поле. - В сб. докладов II Всесоюзного семинара по физике быстропротекавдих плазменных процессов, г.Гродно, 1989, с.64.

5. Быковский Ю.А:, Голубев A.A., Кондратвев С.А., Кошкарев Д.Г., Шарков Б.Ю. Эмиссия тяжелых заряженных комплексов углеводородов при воздействии излучения С02-лазера на заряженную мишень в вакууме. - М., Препр1{нт ИТЗ®, 1989, Я 175, 15 с.

6. Быковский Ю.А., Голубев. A.A., Кондрашев С.А., Кошкарев Д.Г., ■Лукьяшн В.Б., Шарков Б.Ю. Ионная эмиссия из диода с лазерно--плазаенным анодом. - М., Препринт ИТЭФ, 1990, № 33, 20- с.

7. Быковский O.A.," Кондрашев С.А., Кошкарев Д.Г. Лазерный источник интенсивных пучков кластерных ионов углерода. - Письма в ST®, 1991, Т.17, еып.З; С.43-46.