Исследование параметров ионной компоненты CO2-лазерной плазмы и эффективная генерация многозарядных ионов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Московский физико-технический институт (государственный университет)

На правах рукописи УДК 533.9.03.13

Макаров Константин Николаевич

исследование параметров ионной компоненты с02-лазерн0й плазмы и эффективная генерация многозарядных ионов

01.04.08-физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 2006

\

003067046

Работа выполнена в Государственном научном центре РФ «Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»

Научный руководитель:

Юрий Алексеевич Начальник лаборатории импульной плазмы,

Сатов

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук

ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных

и термоядерных исследований

Александр Юрьевич Гольцов

Начальник отдела оптических исследований, ГНЦ РФ Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований доктор физ.-мат. наук Александр Владимирович Заведующий лабораторией, Институт Кильпио Общей Физики им. A.M. Прохорова РАН

кандидат физ.-мат. наук

Ведущая организация: ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики

Защита состоится "_ 2?" ОЖ _ 2007 г. в /7 ч. ОО мин. на заседании Диссертационного совета К 212.156.01 в Московском физико-техническом институте по адресу: 117393, Москва, ул. Профсоюзная, д.84/32, к. В-2.

Отзывы направлять по адресу: 141700, г. Долгопрудный, Московская область, Институтский переулок, д.9 МФТИ, Диссертационный совет К 212.156.01.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ.

Автореферат разослан "_"___2006г.

Учёный Секретарь Диссертационного Совета Кандидат технических наук Н.П. Чубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованию ионной компоненты лазерной плазмы, создаваемой мощными импульсами С02 лазера при взаимодействии с плоскими мишенями. Особое вниманиз уделено изучению параметров ионных потоков и их зависимости от условий облучения мишеней. В результате работы установлены условия эффективной генерации высокоионизованных атомов из лазерной плазмы и создан источник многозарядных ионов для современных ускорителей.

1. Актуальность темы.

В последние десятилетия происходит интенсивное развитие и разработка источников многозарядных ионов. Стимулом для их создания послужили потребности ускорителей тяжелых ионов. Источник ионов является первым элементом ускорительного комплекса, который определяет конструктивные особенности, параметры, эффективность и возможности ускорителя. Генерация сильноточных пучков высокозарядных ионов является одним из перспективных направлений исследований, находящих широкое применение в науке и технике. В качестве примера применения таких пучков можно привести источник высокозарядных ионов тяжелых элементов в форинжекторах ускорителей частиц, источник кластерных ионов и молекул, источник пучков высокоионизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, создание однородных пленок для формирования тонкой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок, радиационное материаловедение, ионная имплантация с целью легирования полупроводников или изменения свойств поверхности материалов, формирование пучков ионов с определенным зарядовым состоянием с целью создания активной среды для рентгеновских лазеров.

Основными параметрами источника ионов являются распределение по зарядовым состояниям производимых ионов и интенсивность извлекаемых пучков. Большинство из существующих в настоящее время типов источников многозарядных ионов основано на последовательной ионизации электронным ударом. До 70-х годов для ускорителей тяжелых ионов в основном использовался ионный источник на основе пеннинговского отражательного разряда с осциллирующими электронами (PIG). На этом типе источников был достигнут теоретический предел по зарядности и интенсивности извлекаемых пучков, который определяется ограниченной температурой, плотностью и временем жизни плазмы. Для источников PIG типичными являются следующие параметры плазмы: пе яЮ13 см-3, Те ~20 эВ, время жизни электронов и ионов t¡ = те »10 мск.

Первым из нового поколения источников многозарядных ионов был электронно-лучевой источник, предложенный Е.Д. Донцом в 1967г. [1]. Этот источник ионов, получивший впоследствии название EBIS (Electron Beam Ion Source), был задуман как импульсный источник высокозарядных ионов для ускорителей ионов высоких энергий. Для увеличения зарядности ионов, получаемых в EBIS-источниках, используются сильноточные пучки электронов с энергией 100-200 кэВ, а время удержания ионов достигает десятков секунд и даже минут. Главными недостатками EBIS в сравнении с другими типами источников являются потери

ионов и относительно низкая интенсивность (Ю10-ИОп с-1) получаемых ионов .

Наиболее широко применяемым источником многозарядных ионов для ускорителей и атомной физики является источник на электронно-циклотронном резонансе (ECR- Electron-Cyclotron Resonance)[2]. К настоящему времени все крупные ускорительные центры мира оснащены такими источниками ионов. Однако, современные требования, предъявляемые со стороны ускорителей, существенно превышают возможности ECR источников. В первую очередь это относится к импульсным ускорителям заряженных частиц.

Напротив, лазерно-ппазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов позволяет получать большое число тяжелых ионов в режиме периодических коротких импульсов, что как раз и представляет интерес для ускорителей ионов, работающих в импульсном режиме. Источник такого типа перспективен таже для исследований в области тяжелоионного термоядерного синтеза. Принципиальная идея ЛПГ высокозарядных ионов была предложена коллективом из МИФИ (Государственный университет) под руководством проф. Ю.А. Быковского тридцать лёт назад [3]. ЛПГ основан на физическом явлении генерации высокоионизованных состояний атомов при воздействии мощного, сфокусированного лазерного импульса на поверхность твердотельной мишени [4J. При расширении в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы создается мощный поток заряженных частиц. К преимуществам ЛПГ по сравнению с другими типами генераторов ионных импульсов относятся:

• способность генерировать ионы практически любых элементов периодической таблицы Менделеева;

• способность генерировать интенсивный, короткий (1-Й 00 мкс) ионный импульс с рекордно высокой яркостью.

Главным отличием лазерной плазмы от других высокотемпературных плазменных объектов является высокая плотность энергии в веществе, обусловленная способностью лазеров за короткое время tj, (tl <100 не) концентрировать энергию в малых объемах вещества (~10-6 см"3). Изменение мощности и длины волны нагревающего излучения позволяют регулировать температуру и плотность лазерной плазмы. При воздействии на поверхность мишени сфокусированного излучения лазера с плотностью мощности q >108 Вт/см2 образуется плазменный факел с большой температурой и плотностью. В зависимости от параметров излучения лазера электронная температура в факеле может составлять % = ю-2 - 1 кэВ и более, при высокой величине параметра пет, (до 1013 см~3с), где п„ - плотность электронов (10,9-И021 см-3). Это позволяет получать в лазерной плазме ионы высокой за рядности.

Такие характеристики ионной компоненты лазерной плазмы как высокая зарядность и интенсивность, вид углового распределения являются исключительно благоприятными для её использования в качестве источника многозарядных ионов для ускорителей. Особенности развития лазерной техники в течение последних 20-30 лет сделали наиболее привлекательным использование в ЛПГ С02-лазеров с поперечным разрядом. Выходная энергия

лазеров данного типа может варьироваться от 1 до 100 Дж при длительностях импульса лазерного излучения 0.01-И мкс и частоте срабатывания до 10 Гц. Использование С02-лазеров для генерации многозарядных ионов вследствие их высокого технического уровня развития, относительной простоты и невысокой стоимости импульсно-периодической установки с высоким ресурсом наработки является в настоящее время наиболее перспективным. Таким образом, актуальность темы диссертационной работы не вызывает сомнений. Так как объектом исследований является лазерная плазма, то представляется ясной и необходимость разработки эффективных и надежных С02 лазерных систем для генерации импульсов с широким спектром характеристик.

Цели и задачи исследования.

Объектом исследования в диссертации являлись ионная компонента С02 лазерной плазмы и решение проблемы высокоэффективной генерации пучков многозарядных ионов. К моменту начала работы имеющиеся в литературе сведения не давали ответа на целый ряд существенных вопросов , а именно:

• каковы требуемые длительности импульса и условия облучения мишени, необходимые для эффективной генерации ионов заданного типа;

• какие плотности мощности С02-лазера необходимы для генерации пучков ионов заданного элемента с определенной кратностью ионизации, длительностью, эмиттан-сом;

• необходимая энергетика лазерного импульса для генерации заданного числа частиц;

• принципы построения и структура лазерной системы.

В связи с этим, целью диссертационной работы являлось детальное исследование характеристик ионной компоненты плазмы, нагреваемой импульсами С02-лазера. Для реализации цепи исследования было необходимо решить целый ряд задач:

- создание лазерной системы для генерации мощного импульса С02 лазера с высоким пространственно-временным качеством излучения;

- разработка и внедрение в диагностический комплекс существующей в ТРИНИТИ лазерной установки ТИР-1 времяпролетной корпускулярной диагностики для измерения параметров ионной компоненты лазерной плазмы с высоким масс-спектральным разрешением;

- анализ и выяснение условий, при которых измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы с помощью времяпролетной корпускулярной диагностики являются корректными;

- измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров ионной компоненты плазмы, создаваемой при воздействии импульсов С02 лазера на мишени из различных элементов;

- определение зависимости характеристик ионной компоненты плазмы от параметров импульса С02 лазера и определение оптимальных условий облучения для генерации требуемого потока ионов заданной кратности ионизации;

- разработка и испытание в условиях реального ускорителя заряженных частиц лазерно-плазменного генератора ионов импульсно-периодического действия.

Научная новизна представленных исследований.

Научные обобщения и выводы, сделанные автором, состоят в следующием:

1. Впервые получено сокращение длительности импульса С02 лазера до ~10 не при его распространении в резонансных средах нелинейного поглотителя и усилителя, экспериментально установлены условия, обеспечивающие эффективную компрессию импульса и увеличение его интенсивности на выходе трехпроходового телескопического усилителя.

2. Создана программа компьютерного моделирования временной формы пиков масс-спектра, позволяющая проводить численный анализ временной формы пиков время-пролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, экспериментально регистрируемых детектором энергоанализатора.

3. Впервые посредством масс-спектометрии для ионов алюминия AI-'+ (z <8-11) определены зависимости длительности генерации Дтдеп от энергии ионов для лазерного импульса тр «15 не и плотности мощности на мишени q <(3-=-5) Ю13 Вт/см2. Показано, что для энергий ионов 2< Et/z <10 кэВ длительность генерации Дтдеп сравнима с 'длительностью лазерного импульса. В случае 10< Ё^г <40 кэВ Дт9т не превышает 5 не.

4. Получены подробные экспериментальные данные о характеристиках ионной компоненты плазмы тяжелых элементов (на примере свинца): потоках частиц в заданный телесный угол, их зарядовом составе, энергетических спектрах разлета. Данные обобщены для плотностей мощности С02 лазера на мишени в интервале q=3-10lo~9-1013 Вт/см2 для импульсов излучения различной формы и длительности, а также для разных диаметров пятна фокусировки.

Научная и практическая значимость работы.

1. Разработан новый поход к формированию лазерных импульсов в нелинейных средах усилителя и поглотителя (SF6), который позволяет стабильно генерировать импульсы С02 излучения высокой пиковой мощности в импульсно-периодическом режиме.

2. Результаты исследований по созданию С02 лазерных импульсов могут быть использованы для проектирования мощных лазерных систем, генерирующих импульсы переменной длительности с высоким качеством выходного излучения.

3. Предложен новый подход к оценке влияния перезарядки ионов лазерной плазмы в остаточном газе на спектр их зарядностей, позволяющий сформулировать требования для корректного проведения времяпролетных корпускулярных измерений.

4. Созданный электростический энергоанализатор может в дальнейшем быть использован в экспериментах по диагностике ионных потоков лазерной плазмы, формируемых импульсами излучения с интенсивностью 1010^<Ю17 Вт/см2*. Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять идентификацию и обработку пиков масс-спектра, регистрируемых энергоанализатором, с высокой степенью автоматизации.

5. Получены данные о кратности ионизации, платности тока ионов и их энергетических распределениях для мишеней из различных элементов и различных импульсов лазерного излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой С02 лазером.

6. Создан и испытан лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импу-льсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2.3-1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7.8-1015 частиц/стерад для А111+.

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались на:

- XXII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993;

- 6-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы. Санкт-Петербург, 1993;

- XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996;

- 6-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995;

- 7-я Международная конференция по ионным источникам, Тормина, Италия, 1997;

- 9-я Международная конференция по ионным источникам, Оуклэнд, Калифорния, США, 2001;

- 18-я Международная конференция по линейным ускорителям, 1_1ЫАС-96, Женева, Швейцария, 1996;

- XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000;

- Международная конференция: IV Харитоновские тематические научные чтения, Сэров, 2002;

- XXVII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 2002;

- ЕРАС-2002 Европейская конференция по ускорению частиц, Париж, 2002;

- XXX Звенигородская Конференция по физике плазмы и УТС, Звенигород, 2003;

- 10-я Международная конференция по ионным источникам, Дубна, 2003;

- ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорению частиц, Люцерна, Швейцария, 2004.

'Предполагается использование анализатора на экспериментальных установках в ФИАН и ИТЭФ.

Положения, выносимые на защиту.

1. Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до ^12 не при его энергии до 100 Дж. Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с ЭР^ и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы СОг лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц.

2. На основе компьютерного траекторного анализа движения пучка частиц в поле прибора проведена оптимизация конструкции электростатического энергоанализатора типа цилиндрического дефлектора. Энергоанализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы. Анализатор обеспечил измерение зарядовых, энергетических и массовых спектров заряженных частиц в диапазоне энергий ионов 0.3< <100 кэВ. Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра. Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, регистрируемых детектором энергоанализатора.

3. Установлено, что при облучении мишеней импульсами С02 лазера длительностью 15 не при плотности мощности ч=3-1013 Вт/см2 в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов, отличающиеся средними кратностями ионизации (низкозарядная и высокозарядная), распределением скоростей и угловыми характеристиками разлета. Наблюдается также отклонение максимума в угловом распределении ионов низкой зарядности от направления нормали к поверхности мишени.

4. Проведены эксперименты по генерации высокозарядных ионов для различных условий облучения плоских мишеней: разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и многомодовый импульс свободной генерации); размер пятен фокусировки 65 и 135 мкм; плотность мощности на мишени д=3-10ш-^9-1013 Вт/см2. Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (г < 33) легких и тяжелых элементов (Мд, Р, Са, А1, "П и РЬ), генерируемых С02 лазерной плазмой. Получены зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета при плотности мощности на мишени до я~9 Ю13 Вт/см2.

5. При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами С02 лазера длительностью 15 не и плотностью мощности ц<1014 Вт/см2 получена избирательность по кратности ионизации 50% для легких (А111+) и 15% для тяжелых элементов (РЬ25+).

6. Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2.3-10" частиц/стерад для

Pb25"1" и 7.8Ю15 частиц/стерад для А1п+ при долговременной работе ЛПГ. ЛПГ ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы ТВН ИТЭФ".

Публикации.

По результатам диссертации опубликовано более 30 научных работ, основные из которых приведены в конце реферата.

Структура и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 146 страницах, включая 132 рисунка и библиографию из 160 наименований.

2. Содержание работы.

Во ведении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность и новизна, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации диссертационного материала. Описана структура диссертации и её содержание.

В первой главе описаны приборы ионной корпускулярной времяпролетной диагностики, используемые в экспериментах. В рамках диссертационной работы были созданы оригинальные конструкции коллектора заряда и электростатический энергоанализатора типа 127° цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД) (рис. 1). Экспериментально показано, что для корректного использования ионного коллектора при измерения ионного тока лазерной плазмы необходимо обеспечить давление остаточного газа в камере взаимодействия р<10_6 Тор, а напряжение экстракции Uex >10 кВ. Описана модернизация широко используемой конструкции 90° (ЭЭЦД), которая позволила улучшить параметры анализатора. Приведены результаты компьютерного моделирования временной формы пиков вре-мяпролетного масс-спектра (рис.2), регистрируемого ионным энергоанализатором. Расчет формы пиков основан на траекторном анализе движения заряженных частиц в поле прибора. Приведены результаты измерения временной формы функции отклика детектора ионного анализатора (ВЗУ-26), которая использована в программе расчета формы пиков масс-спектра. В результате моделирования формы пика установлены условия корректности измерения параметров ионного потока с помощью энергоанализатора. Представлены результаты расчета оптимального угла поворота ЭЭЦД, на основании которого был спроектирован и создан упомянутый выше 127° энергоанализатор. Проведен анализ влияния перезарядки ионов в остаточном газе на их спектр зарядностей при разлете лазерной плазмы в камере взаимодействия, который позволил сформулировать требования для корректного проведения времяпролетных корпускулярных измерений.

Вторая глава посвящена описанию экспериментальных лазерных установок, которые использованы для создания и нагрева лазерной плазмы. Описан С02 лазер на основе электроионизационного модуля с выходной апертурой диаметром 150 мм и энергией излучения до 130 Дж. Приведены результаты измерения качества лазерного пучка и времен-

ной формы импульса излучения. Импульс излучения свободной генерации имел пичковую структуру. Огибающая импульса состоит из первого пика длительностью т/о,Лт=35ч-40 не и относительно длинного («1 мке) "хвоста". Представлены результаты разработки метода формирования мощных импульсов С02 лазера гладкой формы в системе "задающий генератор- усилитель мощности", который позволил существенно увеличить интенсивность излучения и улучшить качество его пространственно-временных характеристик в сравнении со схемой свободной генерации. Схема, разработанная в рамках данной диссертации, базируется на на резонансных эффектах'при распространении лазерного импульса в нелинейных средах поглотителя и усилителя [6]. Реализованы условия для компрессии импульса за счет самовоздействия излучения в этих средах. Оптическая схема лазерной установки ТИР-1 показана на рис. 3. Эта установка обеспечивает генерацию 100 Дж излучения в импульсе длительностью 12^75 не (рис. 4).

В третьей главе приводятся и обсуждаются результаты исследования ионной компоненты плазмы, нагреваемой импульсами С02 лазера. Эксперименты посвящены измерениям характеристик ионной составляющей лазерной плазмы времяпролетными методами и оптимизации лазерных параметров и условий облучения мишеней для эффективной генерации высокозарядных ионов. В опытах использовались импульсы С02 лазера варьируемой длительности. Представлены данные измерений ионной компоненты плазмы тяжелых и легких элементов, нагреваемой импульсами варьируемой в интервале длительностей г=15-нЮ не при плотности мощности (ЗЮ10-^9Ю13) Вт/см2. Измерения выполнены при диаметре фокального пятна в диапазоне от 25 мкм до 135 мкм. Данные являются спецификацией выходных характеристик лазерно-плазменного генератора ионов, позволяющие определить область применения ионного источника. Описаны эксперименты по импуль-ной высоковольтной экстракции пучков тяжелых ионов. Приведены результаты измерения параметров пучков, экстрагированных при напряжении 1)е1=150 кВ.

Для измерения характеристик ионной компоненты плазмы использовались электростатический анализатор заряженных частиц и токовый коллектор, расположенные на расстоянии ~300 см от мишени. Совместная обработка данных с этих приборов позволяла определить зарядовый состав, энергетические спектры и парциальные токи ионов. На рис. 5 приведены примеры осциллограммы плотности ионного тока, полученные с коллектора при облучении мишеней из А1 и РЬ лазерными импульсами с плотностью мощности 3-Ю13 Вт/см2. Энергетические спектры ионов А1 и РЬ при тех же условиях облучения мишеней, полученные в результате обработки экспериментальных масс-спектров, представлены на рис. 6, 7. Параметры ионов А1г+ и РЬг+, полученные при время-пролетных измерениях, приведены на рис. 8 в виде зависимостей числа частиц в телесный угол Ю-4 стерад, средних скоростей разлета и их продольных дисперсий от номера.кратности ионизации. Из рис. 8 видно наличие двух выделенных групп ионов (высокозарядная А17+-А1т, РЬ20+-РЬ30+ и низкозарядная А11+-А16+, РЬ5+-РЬ18+), отличающихся по кратности ионизации, скорости разлета и продольному разбросу скоростей. Аналогичные результаты получены и для ионов других элементов. Характер угловых зависимостей параметров ионов суще-

ственно отличается для указанных групп (рис. 9, 10). Высокозарядная компонента ионов разлетается с достаточно острой направленностью. При этом ионы тяжелых элементов имеют меньший угол разлета в сравнении с легкими. Разлёт низкозарядных ионов отличается большим телесным углом в сравнении с высокозарядными. Для некоторых ионов из низкозарядной группы (см. рис. 10, РЬ7+ и рис. 9, А11+) максимум плотности частиц наблюдается под углом, отличным от направления нормали к поверхности мишени.

В результате экспериментов, выполненых в широком диапазоне параметров облучения мишени, показано, что спектр зарядностей ионов зависит как от плотности мощности, так и от формы импульса и диаметра пятна фокусировки. На рис. 11 собраны данные по кратности ионизации плазмы в зависимости от плотности мощности лазерного импульса на свинцовой мишени, полученные для различных условий облучения мишени. Для сравнения приведены результаты для лазера в режиме свободной генерации. Из сравнения результатов для пятен фокусировки диаметром 135, 65 и 25 мкм (а, б, в, соответственно) видно, что эффективность ионизации при заданной плотности мощности заметно увеличивается с ростом размера гштна фокусировки при фиксированной длительности импульса излучения. Плотность токов в направлении нормали к поверхности мишени пропорциональна плотности мощности и при фиксированной длительности лазерного импульса растёт с увеличением диаметра пятна фокусировки (см. рис. 12). Зависимость от длительности импульса в исследованных интервалах изменения параметров оказалась слабой, что видно из сравнения кривых (а, е) и (б, д, г). Это обстоятельство позволило при неизменной энергии лазерного импульса увеличить ток ионов, сохраняя при этом среднюю кратность ионизации ионного пучка. Такое увеличение достигалось за счет компрессии импульса по длительности и одновременным увеличением размера пятна фокусировки, так что плотность мощности на мишени оставалась неизменной. В результате полный ионный ток может быть увеличен примерно в два раза при сохранении энергии импульса и его одновременном укорочении вдвое. Средняя зарядность пучка ионов при этом практически не менялась (см. зависимости (д, е) на рис. 11). Приведенные выше зависимости положены в основу разработки лазерно-плазменного генератора ионов РЬ25+ для ускорителя LHC (Large Hadron Collider — «Большой адронный колпайдер») в ЦЕРНе (Женева). Исследования ионной компоненты с одновременной оптимизацией лазерных характеристик позволили реализовать высокие эффективности лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов легких и тяжелых элементов.

Обсуждаются и сравниваются с экспериментом результаты численных расчётов взаимодействия С02 лазерного излучения с плоскими мишениями при двумерном моделировании всех стадий эволюции плазмы.

Четвертая глава посвящена описанию лазерно-плазменного генератора ионов, разработанному совместно с ГНЦ ИТЭФ и предназначенному для внедрения в тяжелоионные инжекторы ускорителей ЦЕНР и ИТЭФ. Описана схема ЛГП, включающая в себя лазерный излучатель для создания и нагрева плазмы, оптическую схему изоляции его от отражаемого плазмой мишени излучения, вакуумную камеру для фокусировки лазерного излучения на

мишень и дрейфовую трубку для расширения плазмы, высоковольтную систему экстракции и линию транспортировки пучка ионов низкой энергии с устройствами согласования для дальнейшего ускорения. Приведены основные характеристики ЛПГ, полученные в процессе наладки и тестовых испытаний в лабораториях ИТЭФ и ЦЕРН (Швейцария). Описана конфигурация генератора ионов, ориентированная на формирование пучка ионов РЬ254* длительностью 5.5 мкс с числом частиц ~2Ю10. Результаты измерений плотности частиц ионов свинца различной зарядности на дрейфовом расстоянии 1.7 м приведены на рис. 13. Там же показано процентное содержание в потоке плазмы ионов различных кратностей ионизации. Требуемые параметры пучка ионов РЬ25+ достигнуты при выходной мощности лазерного импульса ~5 ГВт и компрессии импульса до ~23 не в четырехпроходовой схеме усиления. Приведены результаты измерений этих параметров в импульсно-периодическом режиме с частотой повторения 1 Гц. Общий вид лазерной установки для ЛПГ показан на рис. 14.

В заключении подведены итоги выполненных исследований.

Основные результаты работы.

Основные научные и научно-практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до ~12 не при его энергии до 120 Дж.

2. Создана С02 лазерная система, способная генерировать импульсы излучения переменной длительности т=12-г-75 не с энергией Е ~100 Дж и высоким качеством пространственного распределения лазерного пучка. Возможность изменения длительности импульса излучения совместно с использованием различных фокусирующих объективов позволяет изменять условия облучения в широком диапазоне, в частности вариьировать плотность мощности на мишени в пределах д=Ю10-И014 Вт/см2. Простота и фунциональность принципа формирования С02 лазерных импульсов позволяет использовать его для импульно-периодического режима работы.

3. Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с БРв и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы С02 лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в импульсно-периодическом режиме с частотой 1 Гц.

4. Разработана оригинальная конструкция ионного коллектора, выяснены условия её корректного использования для измерения ионного тока лазерной плазмы: иег >10 кВ, давление остаточного газа не выше р <10~6 Тор.

5. Впервые проведен подробный анализ влияния перезарядки ионов в остаточном газе при разлете лазерной плазмы в камере взаимодействия на их спектр зарядностей. Показано, что она не существенна для ионов с зарядностью г <50, если корпускулярная диагностическая аппаратура располагается на расстоянии Ь <3 м от мишени при давление остаточного газа р <10~б Тор.

6. Обоснована и осуществлена модернизация широко используемой конструкции электростатического энергоанализатора типа 90° цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД). Показано, что модернизация значительно улучшила параметры анализатора.

7. Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра. Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, экспериментально регистрируемых детектором ЭЭЦД.

8. На основе компьютерного моделирования (траекторного анализа) произведена оптимизация угла поворота ЭЭЦД на основании максимальной стабильности весовой функции анализатора к изменению входных параметров потока частиц. Такой анализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы.

9. Проанализированы причины возможных нелинейностей, возникающих при формировании временной формы пика масс-спектра, которые могут привести к существенным ошибкам в величинах измеряемых амплитуд пиков. Рассмотрены нелинейности, обусловленные как самой контрукцией энергоанализатора, так и откликом детектора. Даны рекомендации корректного использования результатов времяпролетных корпускулярных измерений.

10. Экспериментально изучена временная форма функции отклика используемого детектора ионного анализатора (ВЭУ-26) , включая нелинейность её параметров при высоких уровнях токовой загрузки. Определен максимальный .заряд усиленного импульса Q„ (Qcr=80 пК), при превышении которого отклик ВЭУ-26 имеет нелинейный характер из-за насыщения.

11. Эксперименты по генерации высокозарядных ионов проведены для различных условий облучения плоских мишеней: разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и импульс свободной генерации); размер пятен фокусировки 65 и 135 мкм; плотность мощности на мишени q=3-10IO-b9-1013 Вт/см2.

12. Впервые посредством масс-спектометрии для ионов алюминия А1г+ (г <8-И1) определены зависимости длительности генерации Атдт от энергии ионов для лазерного импульса тр «15 не и плотности мощности на мишени q<(3-r5)-1013 Вт/см2. Для энергий ионов 2< Е{/г <10 кэВ длительность генерации Атдеп сравнима с длительностью лазерного импульса. В случае 10< EJz < кэВ Атдеп не превышает 5 не.

13. В результате исследований ионной компоненты плазмы свинцовой мишени при низких плотностях мощности (q<9-1010 Вт/см2), длительности импульса С02 излучения 15 не и энергии ~100 Дж (оптимальные условия для генерации ионов РЬ4+), выполненных для тяжелоионного ускорителя в GSI (Германия), получен ток ионов РЬ4+ величиной 12 мА и длительностью 80 мке (~1012 частиц в импульсе).

14. Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (z <33) тяжелых и легких элементов (Mg, F, Ca, AI, Ti и Pb), генерируемых C02 лазерной плазмой. Получены

зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета для различных параметров лазерного импульса и плотности мощности на мишени до q~91013 Вт/см2.

15. Создана импульсная система экстракции ионных пучков лазерной плазмы, позволяющая применять напряжение U^ <150 kB при энергии С02-лазерного излучения El <50 Дж. На расстоянии 0.5 м от мишени получен пучок ионов свинца с средней энергией Ё >3 МэВ, средним зарядом 2 «25 и плотностью тока j=100 мА/см2.

16. Измерения пространственного распределения экстрагированного ионного пучка с помощью трекового детектора показали, что система электродов Пирса экстрагирует пучок с более однородным распределением плотности тока и меньшей расходимостью по сравнению с пучком, экстрагируемым плоскими электродами.

17. Получено качественное согласие экспериментально измеренных характеристик ионной компоненты лазерной плазмы и результатов проведённых численных расчётов взаимодействия С02 лазерного излучения с плоскими мишениями при двумерном моделировании всех стадий эволюции плазмы.

18. Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел: 2.3-1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7.8-1015 частиц/стерад для А111+. Генератор ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы ТВН ИТЭФ".

Основные результаты изложены в работах:

1. Kozochkin S.M., Makarov K.N., Satov Yu.A., StreltsovA.R, Roerich V.C., Starostín A.N., StepanovA.E., Shamaev O.B., Sharkov B.Yu., Haseroth H., Kuttenberger A., Langbein K., SellmairJ., Sherwood T.R. High charge state lead ions generation in C02-laser produced plasma. Experiments and numerical simulations.— M„ Kurchatov Institute, 1993,— 47p. Preprint IAE: №5635/7)

2. Макаров K.H., Сатов Ю.А., Стрельцов А.П., Рерих В.К., Степанов А.Е., Шамаев О.Б., Шарков Б.Ю., ХазеротХ., ЛангбайнК., Шервуд Т.Р. Генерация высокозарядных ионов тяжелых элементов в СОглазерной плазме// ЖЭТФ.— 1994.—т. 106, №6.— С. 16491662.

3. Козочкин С.М., Макаров К.Н., Сатов Ю.А., Стрельцов АЛ., Рерих В.К., Старостин А.Н., Степанов А.Е., Шамаев О.Б., Хазерот X., Лангбайн К., Зельмаер Дж., Шервуд Т.Р. Об использовании энергетических спектров многозарядных ионов для диагностики параметров лазерной плазмы//Физ.плазмы. —1994.—т. 20, №1,—С. 110— 114.

4. Baranov V.Yu., Makarov K.N., Roerich V.C., Satov Yu.A., Starostin A.N., Sharkov B.Yu., Langbein K., Sherwood T.R. Study of multi-charged heavy ion generation from C02-laser produced plasma.-Troitsk, CNIIATOMINFORM, 1995.-32p. (Preprint TRINITI:№0015-A)

5. Dubenkov V., Sharkov В., GolubevA., Shumshurov A., Shamaev O., Roudskoyl.; Strelt-sov A., Makarov K., Satov Yu., Smakovsky Yu., Hoffmann D., Laux W„ Müoller R.W., Spiidtke P., Stöckl, Wolf В., Jacoby J. Acceleration of Ta10+ ions produced by laser ion source in RFQ "MAXILAC"// Las.&Particle Beams.- 1996.-V. 14, №3,- P. 385-395.

6. Collier J., Hall G., Haseroth H„ Kugler H., Kuttenberger A„ Langbein К., Scrivens R, Sherwood T.R., TambiniJ., Shameev O., Sharkov В., Shumshurov A., Kozochkin S.,Makarov K., Satov Yu. Laser ion source development at CERN II Rev.Sci.lnstr.—1996.—v. 67, №3.—P. 1337-1339.

7. Baranov Yu., Makarov K.N., Roerich V.C., Satov Yu.A., Starostin A.N., Sharkov B.Yu., Langbein К., Sherwood T.R. Study of multi-charged heavy ion generation from C02-laser produced plasma // Las.&Particle Beams.— 1996,-v. 14, №3,— P. 347-368.

8. Khomenko S.V., MakarovK.N., Roerich V.C., Satov Yu.A., StepanovA.E. Master-oscillator-Power Amplifier laser system for laser ion source.— Troitsk, CNIIATOMINFORM, 1998.— 32p (Preprint TRINITI: №0045-A)

9. Sharkov В., Kondrashev S„ Roüdsköyl., Savin S., Shumshurov A„ Haseroth H., Kugler H„ Langbein К., Lisi N.. Magnussen H., Scrivens R., Schnuriger J. C., TambiniJ., Homenko S., Makarov K., RorichV., Satov Yu:, StepanovA. Laser ion source for heavy ion synchrotrons: invited paper// Rev. Sei. Instrum.-1998.-v. 69.- №2.-p. 1035-1044.

10. Haseroth H., Kugler H., Langbein К., Lisi N.. Lombardi A., Magnusson H., Pirkl W., Schnuriger J.C., Scrivens R., Tambini J., Tanke E., Homenko S., Makarov K., Rorich V., Stepanov A., Kondrashev S., Savin S., Sharkov В., Shumshurov A., Krasa J., Laska L., Pfeifer M„ Woryna E. Developments at the CERN laser ion source // Rev. Sei. Instrum.-1998.-V. 69,- №2.-p. 1051-1053.

11. Макаров K.H., НищукС.Г., Рерих B.K., СатовЮ.А., Смаковский Ю.Б., Степанов А.Е. Формирование импульсов С02 лазера в трехпроходовом телескопическом усилителе с применением насыщающихся поглощающих фильтров.—Троицк, ЦНИИАТОМИН-ФОРМ, 2000,- 48с.(Препринт ТРИНИТИ:№0069-А)

12. Макаров К.Н., Рерих В.К., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б., Степанов А.Е., Хомвн-ко С.В. Импульсная генерация TEA С02-лазера в условиях развития оптической неоднородности активной среды при высоких удельных энергиях накачки// Квант.электр,— 2000.- т. 30, №4,- С. 305-309.

13. FournierP., Gregoire G„ Haseroth Н„ Khomenko S., Kondrashev S., Kugler H., LisiN., Lombardi A„ Makarov K., Meyer C., Ostroumov P., Pirkl W., Roerich V.,Roudskoy /., Schnuriger J.C., Scrivens R., Shärkov В., Shumshurov A., Stepanov A., Tenishev V., Varela-Rodriguez F. Status of the C02 laser ion source at CERN II Rev.Sci.lnstr.— 2000.— v. 71, №2.- P. 924-926.

14. Kondrashev S.A., Mescheryakov N.D., Sharkov B.Yu., Shumsurov A.V., Homenko S.V., Makarov K.N., Satov Yu.A., Smakovskii Yu.B. Production of He-like light and medium mass ions in laser ion source II Rev.Sci.lnstr.— 2000.—v. 71, №3. — P. 1409-1412.

15. MakarovKN., Khomenko S.V., NishchukS.G., Roerich V.C., SatovYu.A., SmakovskiiYu.B., Stepanov A.E. Generation of high charge state ions from C02 laser produced plasma // Proceedings of SPIE.-2001.-v.4424.-P.442-445.

16. Макаров K.H., Малюта ДД, Нищук С.Г., Рерих В.К., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б., Степанов А.Е., Хоменко С.В. Исследование динамики распространения импульсов С02 лазера в цепочке нелинейных поглощающих и усиливающих сред// Квант, электр,— 2001.-т. 31, №1,- С. 23-29.

17. Khomenko S.V., Makarov K.N., Nishchuk S.G., Roerich V.C., Satov Yu.A., StepanovA.E., Kondrashev S.A., Mescheryakov N.D., Sharkov B.Yu., Shumshurov A.V., Batabaev A.N., Logkin A.S., Konyukov K.V. Feasibility study of Pb4+ (80-100 fis, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source.—Троицк, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2001,—48c. ( Препринт ТРИНИТИ: №0079-A)

18. Kondrashev S.A., Mescheryakov N.D., Sharkov B.Yu., Shumshurov A.V., Balabaev A.N., Logkin A.S., KonyukovK.V., Khomenko S.V., MakarovKN., Nishchuk S.G., Roerich V.C., Satov Yu.A., Stepanov A.E. Generation of intense beam of Pb4+-Pb10+ ions in a laser ion source// Rev. Sci. Instrum.- 2002.-v. 73,- №2.-p. 1245-1249

19. Степанов A.E., Рерих B.K., Макаров K.H., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б., Малюта Д.Д., Старостин А.Н. Угловые зависимости параметров ионной компоненты плазмы, получаемой при облучении С02-лазером мишеней из легких и тяжелых элементов. - ЦНИИАТОМИНФОРМ, Троицк, 2002. - 28 с. (Препринт ТРИНИТИ №0086-А)

20. Stepanov А.Е., Volkov G.S., Zaitsev V.I., Makarov K.N.,. Satov Yu.A., Roerich V.C. Measurement of temperature evolution for the laser ion source plasma// Las.&Particle Beams. - 2002,— v. 20,— P. 613-615.

21. StepanovA.E., Satov Yu.A., MakarovKN., Roerich V.C., Smakovskii Yu.B., Maluta D.D., Starostin A.N. Study of angular dependensies of ion component parameters in C02-laser-produced plasma // Plasma Phys. &Contr.Fusion.— 2003.— v. 45, №7,— P. 1261-1281.

22. Степанов A.E., Волков Г.С., Зайцев В.И., Макаров К.Н., Сатов Ю.А., Рерих В.К. Измерение температурной динамики плазмы многозарядных ионов, создаваемой импульсами С02-лазера// Письма ЖТФ.— 2003,— т. 29, №5,— С. 36-41.

23. Сатов Ю.А., К.Н. Макаров, Степанов А.Е., Рерих В.К., Смаковский Ю.Б. Источник многозарядных ионов тяжелых и легких элементов на основе С02-лазера. - ЦНИИАТОМИНФОРМ, Троицк, 2004. - 50 с. (Препринт ТРИНИТИ: 0112-А)

24. Satov Yu„ Sharkov В., Haseroth Н., Smakovski Yu., Makarov К, Kondrashev S„ Roerich V., Stepanov A., Kugler H., Scrivens R., Camut O., Shumshurov A., Balabaev A., Charushin A. High power C02 laser system with repetition rate operation for high current multicharged heavy ion generation// J.Rus.Las.Res.- 2004,— v. 25, №3,— P. 205-216.

25. BalabaevA., Kondrashev S„ KonukovK., LozhkinA., SharkovB., Shumshurov A., Cham-shin A., Makarov K., Satov Yu., Smakovskii Yu., Camut 0., Chamings J., Kugler H„ Scri-vens R. Laser ion source based on a 100 J/1 Hz C02-laser system// Rev.Sci.lnstr.—2004,— v. 75, №5,- P. 1572-1574.

26. Satov Yu., Sharkov В., Smakovski Yu., Makarov K., Stepanov A., Roerich V., Kondrashev S., Shumshurov A., Balabaev A. The "SKATE" C02 Gigawatt Laser for a LaserPlasma Generator of Ions and Nuclei// J.Rus.Las.Res.— 2004.— v. 25, №6.— P. 524-534.

27. Макаров K.H., Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б. Анализ временной формы пиков вре-мяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы.— ЦНИИАТОМИНФОРМ, Троицк, 2005.- 102с. ( Препринт ТРИНИТИ: №120-А)

Список цитируемой литературы:

1) Донец Е.Д. Авторское свидетельство СССР №248860, Биллютень изобретений, 1969, №24, с. 65.

2) Geller R. Electron cyclotron resonance sources: Historical review and future prospects// Rev.Sci.lnstr.—1998.—v. 69, №3.- P. 1302-1310.

3) БыковскийЮ.А., Козырев Ю.П., Рыжих С.В., Сильное С.М., ЕлесинВ.Ф., ДымовичВ.И. Авторское свидетельство СССР №324938, Биллютень ОИПОТЗ, 1974, с.227.

4) Ананьин О.Б., Афанасьев Ю.В., Быковский Ю.А., Крохин О.Н. Лазерная плазма. Физика и применения - М.: МИФИ, 2003.-400 с.

5) Крюков П.Г., Летохов B.C. Распространение импульса света в резонансно усиливающей (поглощающей) среде. // УФН. - 1969. - Т. 99, №2. - С. 169-227.

Плазма, УФиРИ излучение

Рис, 1. Корпускулярная диагностика: а- коллектор заряда, б- электростатический энергоаналиэа-тор. 1- заземленный электрод; 2- экстрагирующий электрод; 3- цилиндр Фарадея; 4- цилиндрические электроды; 5- корпус; 6-детектор (ВЭУ-2Б) {Яь^г- входная и выходная щель).

РЬ""

Рис. 2. Расчет временной формы пика масс-спектра РЬг4: а-измеренная форма пика ; б-расчетная форма пика; Сь с2. Сэ, с.) и С- расчетные парциальные пики изотопов свинца и суммарный сигнал.

14 9

Рис. 3. Оптическая схема формирования импульса. 1-задающий генератор; 2,11-поглощающие ячейки с ЭР6; 3-дифракционная решетка; 4, 5-конфокальная пара сферических зеркал; 6-диафрагма пространственного фильтра; 7, 10-плоские зеркала; 12, 13-сферические зеркала телескопа; 14-усилительный модуль.

Р, ГВт Р, МВт

1, не

Рис. 4. Осциллофаммы импульсов излучения задающего генератора (а, правая шкала) и форм выходных импульсов (5-г, левая шкала) для различных условий настройки схемы. 6-ячейки отсутствуют; в- условия в первой ячейке оптимизированы, вторая отсутствует; г- условия в обеих ячейках оптимизированы.

Рис. 5. Усредненные осциллограммы плотности ионного тока на расстоянии 3 м в нормальном к поверхности мишени направлении разлета для плазмы алюминия (а) и свинца (б). Плотность мощности на мишени я=З Ю13 Вт/см2.

О 100 ZOO 300 400 500 600 700

Е, кэБ

Рис. 6. Спектр разлета ионов алюминия в нормальном к поверхности мишени направлении

при q=3-1013 Вт/см2.

clN/dE, отн.ед.

dN/dE. отн.ед.

О.) 0.01 1Е-Э 1Е-4 1Е-5

1Е-4

О 200 400 600 800 1000 1300

Е, кэВ

Рис. 7. Спектр разлета ионов свинца в нормальном к поверхности мишени направлении при q=31013 Вт/см2.

Рис. 8. Параметры ионов алюминия (слева) и свинца (справа) в нормальном к поверхности мишени направлении. ч=3-10й Вт/см'' а-число частиц N в расчетный телесный угол; б-относительное число т частиц в собственном интервале длительности; в-средняя скорость разлета V; г -дисперсия скоростей ДУ/У.

V, ю'см/с

2.SK10"

з.охло*' ' • о"

l.fülD11 &&

1234SB7Í

N, частиц

l.OílO™ 1.5*1 If 5-0x10* Sí ilO" 0.0

3-5

N. частиц

s 10 üV/V

Рис. 9. Угловые зависимости плотности числа Рис. 10. Угловые зависимости плотности числа

частиц на расстоянии 3 м от мишени для ионов частиц на расстоянии 3 м от мишени для ионов

алюминия различной зарядности. *-А112+ (а), свинца различной зарядности. *-РЬ30+ (а), О-

<Э-А111+ (6), +-А17+ (в), Д-АР+ (г), х—А11+ (д). РЬ25+ (б), +-РЬ15+ (в), Д-РЬ10+ (г), х-РЬ7+ (д).

Рис. 11. Зависимости средней кратности ионизации ионов свинца 2рал от плотности мощности лазерного импульса на мишени q для различных условий облучения. Облучение лазером в режиме свободной генерации т=35 не: а - dF=135 мкм ,6-65 мкм , в -25 мкм . Облучение одиночными гладкими импульсами: г - dF=65 мкм, т=20 не; д - 65 мкм, 30 не ; е- 135 мкм, 15 не; ж-65 мкм, 2 не.

], мА/см2

Рис. 12. Зависимость плотности полного тока ионов свинца з на дрейфовом расстоянии 3 м от плотности мощности лазерного импульса на мишени д для различных условий облучения. Облучение лазером в режиме свободной генерации т=35 не: а -^^=135 мкм ,6-65 мкм. Облучение одиночными гладкими импульсами: г-й^=65 мкм, т=20 не ; д - 65 мкм, 30 не ; е - 135 мкм, 15 не.

п, 10'смд

7.

Рис. 13. Плотности ионов свинца п различной кратности ионизации в потоке плазмы и их относительное содержание ц на дрейфовом расстоянии 1.7 м.

Рис. 14. Общий вид лазерной установки для ЛПГ в отделении протонного синхротрона ЦЕРН (Женевэ){24]. 1-задающий генератор "Модуль ЗГ"; 2-блоки электро- и газового питания задающего генератора; 3-ячейка с насыщающимся поглотителем; 4-секция пространственного фильтра; 5-оптическая секция ввода излучения в усилитель; 6, 8-защитный кожух для лазерного пучка; 7-лазерный модуль "Скат"; 9-система контроля выходных лазерных параметров.

Макаров Константин Николаевич

исследование параметров ионной компоненты со2-лазерной плазмы и эффективная генерация многозарядных ионов

Подписано в печать . Формат 60 x84 1/16. Печать офисная.

Усл. печ. л. 1,0. Уч.-иэдл. 1,0 Тираж 70 экз. Заказ № ч 7 О

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский физико-технический институт (государственный университет) НИЧ МФТИ

141700, Мос.обп., гДолгопрудный, Институтский пер., 9

Введение

Глава 1 Приборы и методики измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы

1 1 Коллектор заряда

1 2 Перезарядка ионов лазерной плазмы в остаточном газе

1 3 Электростатический энергоанализатор типа цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД)

1 3 1 Используемые схемы ЭЭЦД 27 1 3 2 Компьютерное моделирование временной формы массспектрометрического пика 31 1 3 3 Влияние изотопной структуры пиков масс-спектра на результаты измерения энергетических спектров ионов лазерной плазмы 48 1 3 4 Временное разрешение пиков масс-спектра 57 1 3 5 Вычисление временной формы пиков масс-спектра ионов свинца 60 13 6 Об ошибках в идентификации зарядового состояния ионов лазерной плазмы по времяпролетным масс-спектрам

Глава 2 Экспериментальные лазерные установки

2 1 С02-лазер в режиме свободной генерации

2 2 Лазерная система "ТИР-1" (генераторно-усилительная лазерная схема)

Глава 3 Исследования ионной компоненты плазмы, созданной излучением СО2 лазера длительностью (13 80)нс при плотности мощности на мишени (3 Ю10 -г 9 1013) Вт/см

3 1 Схема облучения мишени и времяпролетных измерений 79 3 2 Характеристики ионной компоненты плазмы различных элементов при острой фокусировке излучения плотностью мощности q = 6 1011 — 9 1013 Вт/см2 83 3 2 1 Генерация ионов с помощью лазера в режиме свободной генерации 83 3 2 2 Высоковольтная экстракция ионов лазерной плазмы при облучении мишени лазером в режиме свободной генерации

3 2 3 Параметры многозарядных ионов тяжелых и легких элементов, генерируемых С02-лазсрной плазмой при облучении мишени генераторно-усилительной лазерной системой ТИР

3 3 Характеристики ионной компоненты плазмы при плотности мощности q ~ 3 1013 Вт/см

3 4 Характеристики ионной компоненты плазмы свинцовой мишени при плотности мощности q = (3 - 9) Ю10 Вт/см

3 5 Зависимость характеристик ионов от параметров облучения мишени Эффективность лазерно-плазменного генератора высокозарядных ионов 101 3 6 Результаты численного моделирования нагрева и разлета плазмы, сравнение с экспериментальными данными

Глава 4 Лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов на основе СО2 лазера

4

Из идеи лазерного термоядерного синтеза, связанной с возможностью создания условий протекания термоядерной реакции в области фокусировки лазерного излучения на твердотельной мишени, возникла новая область исследований - физика взаимодействия мощного лазерного импульса с веществом, а плазме, получаемой таким методом, дали название "лазерная плазма" [1] Это новое направление за последние сорок лет бурно прогрессировало на основе стремительного развития лазерной физики и техники Многолетние усилия по экспериментальному и теоретическому исследованию свойств и характеристик лазерной плазмы расширили область приложений лазерной плазмы, связанную первоначально с лазерным термоядерным синтезом (ЛТС) На данный момент лазерная плазма находит многочисленные применения в различных областях физики ренттено-спекгральный анализ многозарядных ионов, физика высоких плотностей энергии и ударных волн, моделирование космофизических и высокотемпературных процессов, рентгеновская литография и т д

Объект исследования и актуальность темы

В последние десятилетия происходит интенсивное развитие и разработка источников многозарядных ионов Стимулом для их создания послужили потребности ускорителей тяжелых ионов Источник ионов является первым элементом ускорительного комплекса, который определяет конструктивные особенности, параметры, эффективность и возможности ускорителя Генерация сильноточных пучков высокозарядных ионов является одним из перспективных направлений исследований, находящих широкое применение в науке и технике В качестве примера применения таких пучков можно привести

- источник высокозарядных ионов тяжелых элементов в форинжекторах ускорителей частиц,

- источник кластерных ионов и молекул,

- источник пучков высокоионизованных атомов для измерения сечений взаимодействия в области атомной физики, необходимых в таких областях науки и техники как термоядерный синтез, физика ионосферы, астрофизика и собственно исследование самой лазерной плазмы,

- создание однородных пленок для формирования тонкой структуры многослойных рентгеновских зеркал и алмазных пленок,

- радиационное материаловедение, ионная имплантация с целью легирования полупроводников или изменения свойств поверхности материалов,

- формирование пучков ионов с определенным зарядовым состоянием с целью создания активной среды для рентгеновских лазеров

Основными параметрами источника ионов являются распределение по зарядовым состояниям производимых ионов и интенсивность извлекаемых пучков ионов Большинство из существующих в настоящее время типов источников многозарядпых ионов основано на последовательной ионизации электронным ударом До 70-х годов для ускорителей тяжелых ионов в основном использовался ионный источник на основе пеннинговского отражательного разряда с осциллирующими электронами (PIG) На этом типе источников был достигнут теоретический предел по зарядности и интенсивности, извлекаемых пучков, который определяется ограниченной температурой, плотностью и временем жизни плазмы Для источников PIG типичными являются следующие параметры плазмьг пе ~ 10й см-3, Те ~ 20 эВ, время жизни электронов и ИОНОВ Г, = Те ~ 10 MCK

Первым из нового поколения источников многозарядных ионов был электронно-лучевой источник, предложенный ЕД Донцом в 1967г [2] Этот источник ионов, получивший впоследствии название EBIS (Electron Beam Ion Source), был задуман как импульсный источник для получения высокозарядных ионов для ускорителей ионов высоких энергий Для увеличения зарядности ионов, получаемых в EBIS-источниках ионов, энергия ионизирующих электронов равна 100-200 кэВ, а время удержания ионов до десятков секунд и даже минут В основу этого источника был положен линейный ускоритель электронов непрерывного действия Источники ионов с коротким электронным пучком длинной менее 10 см выделились в отдельное направление и получили название Electron Beam Ion Trap (EBIT) В течении семидесятых и восьмидесятых годов на EBIS были получены рекордные зарядности тяжелых ионов В источнике KRION- 2 (ОИЯИ, Дубна) впервые были зарегистрированы полностью ионизированные ядра ксенона, а в EBIT (LNLL, США) ядра урана [3] Главными недостатками EBIS в сравнении с другими типами источников являются потери ионов и относительно низкая интенсивность (Ю10—10й с-1) получаемых ионов

Наиболее широко применяемым источником многозарядных ионов для ускорителей и атомной физики является источник на электронно-циклотронном резонансе (ECR- Electron-Cyclotron Resonance) [4,5] ECR источник является открытой магнитной ловушкой для удержания плазмы Электроны и ионы генерируются в результате ионизации электронным ударом горячими электронами В свою очередь электроны, возникающие в результате ионизации нейтралов и ионов, нагреваются до энергии в несколько кэВ полем радиочастотного микроволнового излучения, чья частота равна частоте ларморовского вращения электронов в продольном магнитном поле ловушки Увеличение степени ионизации в ионном источнике является результатом последовательной ионизации в течение периода удержания ионов К настоящему времени все крупные ускорительные центры мира оснащены такими источниками ионов Однако современные требования, предъявляемые к источникам, существенно превышают их возможности В первую очередь необходимо повышение тока ионного пучка ЕС11 источники перспективны для ускорителей ионов непрерывного действия благодаря их способности генерировать в непрерывном режиме достаточно интенсивные (Ю10—1013 с-1) пучки средних и тяжелых ионов с Z|A=0 2—0 3 (¿Г, А- заряд и масса иона, [А]=а ем)

Напротив, лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов позволяет получать большое число тяжелых ионов в режиме периодических коротких импульсов, что как раз и представляет представляет интерес для ускорителей ионов, работающих в импульсном режиме Источник такого типа перспективен таже для исследований в области тяжелоионного термоядерного синтеза Принципиальная идея ЛПГ высокозарядных ионов была предложена коллективом из МИФИ (Государственный университет) под руководством проф Ю А Быковского тридцать лет назад [6] ЛПГ основан на физическом явлении генерации высокоионизованных состояний атомов при воздействии мощного, сфокусированного лазерного импульса на поверхность твердотельной мишени [1] При расширении в вакуум высокотемпературной лазерной плазмы создается мощный поток заряженных частиц К преимуществам ЛПГ по сравнению с другими типами генераторов ионных импульсов относятся

• способность генерировать ионы практически любых элементов периодической таблицы Менделеева,

• способность генерировать интенсивный, короткий (1 — 100 мкс) ионный импульс с рекордно высокой яркостью

Главным отличием лазерной плазмы от других высокотемпературных плазменных объектов является высокая плотность энергии в веществе, обусловленная способностью лазеров за короткое время ть (ть < 100 не) концентрировать энергию в малых объемах вещества 10"6 см-3) Изменение мощности и длины волны нагревающего излучения позволяют регулировать температуру и плотность лазерной плазмы При воздействии на поверхность мишени сфокусированного излучения лазера с плотностью мощности д > 108 Вт/см2 образуется плазменный факел с большой температурой и плотностью В зависимости от параметров излучения лазера электронная температура в факеле может составлять Те = Ю-2 - 1 кэВ и более, при высокой величине параметра петг (до 1013 см-3 с), где пе - плотность электронов (1019 - 1021 см-3) Это позволяет получать в лазерной плазме ионы высокой зарядности

Такие характеристики ионной компоненты лазерной плазмы как высокая зарядность и интенсивность, вид углового распределения являются исключительно благоприятными для ее использования в качестве источника многозарядных ионов для ускорителей Первая практическая реализация использования ЛПГ в ускорительном комплексе была осущестлена тридцать лет назад на синхрофазотроне ОИЯИ (совместная работа ученых МИФИ и ОИЯИ) [7] Требования, представляемые со стороны ускорителей к источнику ионов по частоте срабатывания (до 10 Гц), стабильности выходных параметров ионного пучка (±10%) и времени бесперебойной работы (10б срабатываний) устанавливают жесткие ограничения, как на выбор типа лазера, так и на его максимально достижимую для практического использования энергию Особенности развития лазерной техники в течение последних 20-30 лет сделали наиболее привлекательным использование в ЛПГ СОг-лазеров с поперечным разрядом Выходная энергия лазеров данного типа может варьироваться от 1 до 100 Дж при длительностях импульса лазерного излучения 0 01 —1 мкс и частоте срабатывания до 10 Гц Использование ССЬ-лазеров для генерации многозарядных ионов из лазерной плазмы вследствие их высокого технического уровня развития, относительной простоты и невысокой стоимости даже в конфигурации импульсно-периодической установки с высоким ресурсом наработки является в настоящее время наиболее перспективным

Таким образом, актуальность исследований ионной компоненты лазерной плазмы не вызывает сомнений

Объектом исследования в диссертации являлись ионная компонента СО2 лазерной плазмы и решение проблемы высокоэффективной генерации пучков высокозарядных ионов К моменту начала работы имеющиеся в литературе сведения не давали ответа на целый ряд существенных вопросов , а именно

• какие плотности мощности СО2-лазера необходимы для генерации пучков ионов заданного элемента, определенной кратности ионизации, длительности, эмиттанса,

• каковы требуемые длительности импульса и условия облучения мишени, необходимые для эффективной генерации ионов заданного типа,

• необходимая энергетика лазерного импульса для генерации заданного числа частиц,

• принципы построения и структура лазерной системы

Так как объектом исследований является лазерная плазма, то представляется ясной и необходимость разработки эффективных и надежных СО^ лазерных систем для генерации импульсов с широким спектром характеристик

В связи с этим целью диссертационной работы являлось детальное исследование характеристик ионной компоненты плазмы Для реализации цели исследования было необходимо решить целый ряд задач

- создание лазерной системы для генерации мощного импульса С02 лазера с высоким пространственно-временным качеством излучения,

- разработка и внедрение в диагностический комплекс существующей в ТРИНИТИ лазерной установки ТИР-1 времяпролетной корпускулярной диагностики для измерения параметров ионной компоненты лазерной плазмы с высоким масс-спектральным разрешением,

- анализ и выяснение условий, при которых измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы с помощью времяпролетной корпускулярной диагностики являются корректными,

- измерение энергетических, массовых и зарядовых спектров ионной компоненты плазмы, создаваемой при воздействии импульсов СО2 лазера на мишени из различных элементов,

- определение зависимости характеристик ионной компоненты плазмы от параметров импульса С02 лазера и определение оптимальных условий облучения для генерации требуемого потока ионов заданной кратности ионизации,

- разработка и испытание в условиях реального ускорителя заряженных частиц лазерно-плазменного генератора ионов импульсно-периодического действия

Научная новизна

Научные обобщения и выводы, сделанные автором, состоят в шедующием

1 Впервые получено сокращение длительности импульса СО2 лазера до ~10 не при его распространении в резонансных средах нелинейного поглотителя и усилителя, экспериментально установлены условия, обеспечивающие эффективную компрессию импульса и увеличение его интенсивности на выходе трехпроходового телескопического усилителя

2 Создана программа компьютерного моделирования формирования временной формы пиков масс-спектра, позволяющая проводить численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, экспериментально регистрируемых детектором энергоанализатора

3 Впервые посредством масс-спектометрии для ионов алюминия А12+ (/<8—11) определены зависимости длительности генерации Дтде„ от энергии ионов для лазерного импульса тр ~ 15 нс и плотности мощности на мишени д < (3 — 5) 1013Вт/см2 Показано, что для энергий ионов 2 < Е%)г < 10 кэВ длительность генерации Дт,;еп сравнима с длительностью лазерного импульса В случае 10 < Ег/г < 40 кэВ Дт()вп не превышает 5 нс

4 Получены подробные экспериментальные данные о характеристиках ионной компоненты плазмы тяжелых элементов (на примере свинца) потоках частиц в заданный телесный угол, их зарядовом составе, энергетических спектрах разлета Данные обобщены для плотностей мощности СОг лазера на мишени в интервале д = 3 10ш — 9 1013 Вт/см2 для импульсов излучения различной формы и длительности, а также для разных диаметров пятна фокусировки

Практическая ценность

1 Разработан новый поход к формированию лазерных импульсов в нелинейных средах усилителя и поглотителя (БРо), который позволяет стабильно генерировать импульсы СО2 излучения высокой пиковой мощности в импульсно-периодичсском режиме

2 Результаты исследований по созданию С02 лазерных импульсов могут быть использованы для проектирования мощных лазерных систем, генерирующих импульсы переменной длительности с высоким качеством выходного излучения

3 Предложен новый подход к оценке влияния перезарядки ионов лазерной плазмы в остаточном газе на спектр их зарядностей, позволяющий сформулировать требования для корректного проведения времяпролетных корпускулярных измерений

4 Созданный электростическии энергоанализатор может в дальнейшем быть использован в экспериментах по диагностике ионных потоков лазерной плазмы, формируемых импульсами излучения с интенсивностью Ю10 < q < 1017 Вт/см2* Написанный пакет программного обеспечения позволяет осуществлять идентификацию и обработку пиков масс-спектра, регистрируемых энергоанализатором, с высокой степенью автоматизации

5 Получены данные о кратности ионизации, плотности тока ионов и их энергетических распределениях для мишеней из различных элементов и различных импульсов излучения, позволяющие проводить инженерно-физические расчеты по генерации ионов с помощью плазмы, создаваемой С02 лазером

Предполагается использование анализатора на экспериментальных установках в ФИАН и ИТЭФ

6 Создан и испытан лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2 3 1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7 8 1015 частиц/стерад для А111+

Положения, выносимые на защиту

1 Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до ~12 не при его энергии до 100 Дж Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с БРе и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы СО2 лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в режиме долговременной работы с частотой повторения 1 Гц

2 На основе компьютерного траекторного анализа движения пучка частиц в поле прибора проведена оптимизация конструкции электростатического энергоанализатора типа цилиндрического дефлектора Энергоанализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы Анализатор обеспечил измерение зарядовых, энергетических и массовых спектров заряженных частиц в диапазоне энергий ионов 0 3 < <100 кэВ Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, регистрируемых детектором энергоанализатора

3 Установлено, что при облучении мишеней импульсами СО2 лазера длительностью 15 не при плотности мощности q = 3 10п Вт/см2 в расширяющейся в вакуум плазме наблюдаются две группы ионов, отличающиеся средними кратностями ионизации (низкозарядная и высокозарядная), распределением скоростей и угловыми характеристиками разлета Наблюдается также отклонение максимума в угловом распределении ионов низкой заряд-ности от направления нормали к поверхности мишени

4 Проведены эксперименты по генерации высокозарядных ионов для различных условий облучения плоских мишеней разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и многомодовый импульс свободной генерации), диаметр пятен фокусировки 65 и 135 мкм, плотность мощности на мишени 9 = 3 101П —9 1013 Вт/см2 Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (г < 33) легких и тяжелых элементов (М§, Р, Са, А1, Т1 и РЬ), генерируемых СО2 лазерной плазмой Получены зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета при плотности мощности на мишени до д ~ 9 1013 Вт/см2

5 При генерации ионов из лазерной плазмы, создаваемой импульсами СОг лазера длительностью 15 не и плотностью мощности q < 1014 Вт/см2 получена избирательность по кратности ионизации 50% для легких (А111+) и 15% для тяжелых элементов (РЬ25+)

6 Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2 3 1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7 8 1015 частиц/стерад для А111+ при долговременной работе ЛПГ ЛПГ ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы "ТВН ИТЭФ"

Апробация работы

Основные результаты работы опубликованы в 20 статьях в журналах «ЖЭТФ», «Квантовая электроника», «Физика плазмы», «Письма ЖТФ», «Journal Russian Laser Research», «Laser and Particle Beams», «Plasma Physics and Controlled Fusion», «Proceedings of SPIE», «Review Scientific Instruments», 8 препринтах ИАЭ и ТРИНИТИ и докладывались на международных конференциях XXII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Париж, 1993, 6-я Национальная конференция по диагностике высокотемпературной плазмы, Санкт-Петербург, 1993, 6-я Международная конференция по ионным источникам Вистлер, Канада, 1995, XXIV Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Мадрид, 1996, 18-я Международная конференция по линейным ускорителям, LINAC-96, Женева, Швейцария, 1996, 7-я Международная конференция по ионным источникам, Тормина, Италия, 1997, XXVI Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Прага, 2000, 9-я Международная конференция по ионным источникам, Оклэнд, Калифорния, США, 2001, Международная конференция IV Харитоновские тематические научные чтения, Саров, 2002, XXVII Европейская конференция по взаимодействию лазерного излучения с веществом, Москва, 2002, ЕРАС-2002 Европейская конференция по ускорителям частиц, Париж, 2002, XXX Звенигородская Конференция по физике плазмы и У ТС, Звенигород, 2003, X Международная конференция по ионным источникам, Дубна, 2003, ЕРАС-2004 Европейская конференция по ускорителям частиц, Люцерна, Швейцария, 2004

Личное участие автора в научных исследованиях, приведенных в работе, состоит в постановке задачи, выработке программы исследования, непосредственном проведении экспериментов, обсуждении результатов В части расчетно-теоретических исследований вклад диссертанта состоял в постановке задачи и в сравнении результатов расчета с экспериментом, а также в проведении отдельных расчетов с использованием авторских программ

Содержание работы

Диссертации состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Объем работы составляет 146 страницу, включая 132 рисунка Список цитируемой литературы содержит 160 наименования, включая 28 авторских публикаций Во Введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность и новизна, представлены положения, выносимые на защиту, приведены сведения об апробации диссертационного материала и о степени личного участия автора в работе Описана структура диссертации и ее содержание

Основные результаты и выводы

В диссертационной работе проведено исследование плазмы, создаваемой импульсами СО2 лазера при плотностях мощности излучения на мишени от 3 Ю10до9 1013 Вт/см2 Особое внимание уделено изучению характеристик ионной компоненты плазмы и их зависимости от условий облучения мишеней В результате работы установлены условия эффективной генерации высо-коионизованных атомов из лазерной плазмы и разработан сильноточный лазерно-плазменный генератор ионов Успех в разработке ЛПГ опирался на результаты создания и исследования лазерных систем, способных генерировать мощные импульсы СО2 лазера с хорошей воспроизводимостью характеристик в импульсно-периодическом режиме с высоким ресурсом наработки Формирование таких импульсов длительностью ~ 10 не и мощностью до 5 ГВт достигнуто в цепочке поглотителя и усилителя за счет нелинейного взаимодействия излучения с резонансными средами

Измерения параметров ионных потоков лазерной плазмы, проведенные в широком диапазоне условий облучения плоских мишеней, были выполнены с использованием время-пролетных корпускулярных диагностик В работе особое внимание было уделено разработке конструкций корпускулярных диагностик В результате были созданы оригинальные конструкции коллектора заряда и электростатического энергоанлизатора При конструировании приборов использовалось компьютерное моделирование процесса измерения, на основании которого был выбран вариант конструкции ионного анализатора Экспериментальное исследование и компьютерное моделирование формирования формы пика время-пролетного масс-спектра позволили установить условия корректного измерения параметров ионного потока с помощью энергоанализатора

Полученные в диссертации данные позволили сконструировать, изготовить и испытать прототип лазерно-плазменного генератора частиц (ЛПГ), способного работать в режиме реального времени на действующих тяжелоионных ускорителях в схеме инжектора частиц Разработанный генератор высокоионизованных атомов, созданный совместно ТРИНИТИ и ИТЭФ, предназначен, в частности, для выполнения программы "ТВН ИТЭФ" [160] Этот научный проект позволит создать в России уникальный исследовательский инструмент, представляющий собой пучок тяжелых ионов с энергией до 100 кДж и длительностью около 100 не Реализация проекта в ГНЦ РФ ИТЭФ происходит в настоящее время с участием ГНЦ РФ ТРИНИТИ^

В данный момент сильноточный лазерно плазменный генератор ионов, также как и начальные ускорительные модули находятся на стадии монтажа и наладки

Основные научные и научно-практические результаты диссертационной работы состоят в следующем

1 Впервые, за счет эффекта нелинейного распространения импульса света в резонансных средах поглотителя и усилителя получено сокращение импульса С02 лазера по длительности до ~ 12 не при его энергии до 120 Дж

2 Создана С02 лазерная система, способная генерировать импульсы излучения переменной длительности т=12-f-75 не с энергией Е ~100 Дж и высоким качеством пространственного распределения лазерного пучка Возможность изменения длительности импульса излучения совместно с использованием различных фокусирующих объективов позволяет изменять условия облучения в широком диапазоне, в частности вариьировать плотность мощности на мишени в пределах q=1010-rl014 Вт/см2 Простота и фунциональность принципа формирования С02 лазерных импульсов позволяет использовать его для импульно-периодического режима работы

3 Создана лазерная установка, состоящая из задающего одночастотного генератора, поглощающих ячеек с SF6 и широкоапертурного усилителя, которая позволяет стабильно генерировать импульсы С02 лазера с пиковой мощностью 5 ГВт в импульсно-периодическом режиме с частотой 1 Гц

4 Разработана оригинальная конструкция ионного коллектора, выяснены условия ее корректного использования для измерения ионного тока лазерной плазмы Utx >10 кВ, давление остаточного газа не выше р <10~6 Тор

5 Впервые проведен подробный анализ влияния перезарядки ионов в остаточном газе при разлете лазерной плазмы в камере взаимодействия на их спектр зарядностей Показано, что она не существенна для ионов с зарядностью z <50, если корпускулярная диагностическая аппаратура располагается на расстоянии L <3 м от мишени при давление остаточного газа р <10"6 Тор

6 Обоснована и осуществлена модернизация широко используемой конструкции электростатического энергоанализатора типа 90° цилиндрического дефлектора (ЭЭЦД) Показано, что модернизация значительно улучшила параметры анализатора

7 Создана программа компьютерного моделирования временной формы пика масс-спектра Проведен численный анализ временной формы пиков времяпролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы, экспериментально регистрируемых детектором ЭЭЦЦ

8. На основе компьютерного моделирования (траекторного анализа) произведена оптимизация угла поворота ЭЭЦД на основании максимальной стабильности весовой функции анализатора к изменению входных параметров потока частиц Такой анализатор был спроектирован, создан и использован для измерения параметров ионного потока лазерной плазмы

9 Проанализированы причины возможных нелинейностей, возникающих при формировании временной формы пика масс-спектра, которые могут привести к существенным ошибкам в величинах измеряемых амплитуд пиков Рассмотрены нелинейности, обусловленные как самой контрукцией энергоанализатора, так и откликом детектора Даны рекомендации корректного использования результатов времяпролетных корпускулярных измерений

10 Экспериментально изучена временная форма функции отклика используемого детектора ионного анализатора (ВЭУ-26) , включая нелинейность ее параметров при высоких уровнях токовой загрузки. Определен максимальный заряд усиленного импульса Q (Qcr=80 пК), при превышении которого отклик ВЭУ-26 имеет нелинейный характер из-за насыщения

11 Эксперименты по генерации высокозарядных ионов проведены для различных условий облучения плоских мишеней разные формы импульсов (гладкий одночастотный импульс и импульс свободной генерации), диаметр пятен фокусировки 65 и 135 мкм, плотность мощности на мишени q=3 Ю10-г9 1013 Вт/см2

12 Впервые посредством масс-спектометрии для ионов алюминия А1г+ (z <8—11) определены зависимости длительности генерации Дтдеп от энергии ионов для лазерного импульса Тр ~15 не и плотности мощности на мишени q<(3—5) 1013 Вт/см2 Для энергий ионов 2< Ejz <10 кэВ длительность генерации Атдеп сравнима с длительностью лазерного импульса В случае 10< Ejz < кэВ Атдеп не превышает 5 не

13 В результате исследований ионной компоненты плазмы свинцовой мишени при низких плотностях мощности (q<9 Ю10 Вт/см2), длительности импульса СОг излучения 15 не и энергии —100 Дж (оптимальные условия для генерации ионов РЬ4+), выполненных для тяжелоионного ускорителя в GSI (Германия), получен ток ионов РЬ4+ величиной 12 мА и длительностью 80 мке (~1012 частиц в импульсе)

14 Исследованы характеристики пучков высокозарядных ионов (z <33) тяжелых и легких элементов (Mg, F, Ca, Al, Ti и Pb), генерируемых СОг лазерной плазмой Получены зависимости кратностей ионизации ионов свинца, данные об их энергетических спектрах, количествах ионов в различных направлениях разлета для различных параметров лазерного импульса и плотности мощности на мишени до q~9 1013 Вт/см2

15 Создана импульсная система экстракции ионных пучков лазерной плазмы, позволяющая применять напряжение иехг <150 кВ при энергии СОг-лазерного излучения £х <50 Дж На расстоянии 0 5 м от мишени получен пучок ионов свинца с средней энергией Ё >3 МэВ, средним зарядом г «¿25 и плотностью тока ^100 мА/см2

16 Измерения пространственного распределения экстрагированного ионного пучка с помощью трекового детектора показали, что система электродов Пирса экстрагирует пучок с более однородным распределением плотности тока и меньшей расходимостью по сравнению с пучком, экстрагируемым плоскими электродами

17 Получено качественное согласие экспериментально измеренных характеристик ионной компоненты лазерной плазмы и результатов проведенных численных расчетов взаимодействия СОг лазерного излучения с плоскими мишениями при двумерном моделировании всех стадий эволюции плазмы

18 Создан, испытан и внедрен в лаборатории протонного синхротрона ЦЕРН (Женева, Швейцария) лазерно-плазменный генератор (ЛПГ) высокозарядных ионов импульсно-периодического действия с выходом частиц за выстрел 2 3 1014 частиц/стерад для РЬ25+ и 7 8 1015 частиц/стерад для А111+ Генератор ионов в настоящее время внедряется в инжектор тяжелоионного ускорителя ИТЭФ в рамках программы "ТВН ИТЭФ"

В заключение автор приносит искреннюю благодарность сотрудникам ТРИНИТИ, исследования которых явились фундаментом приведенных здесь разработок Автор благодарен сотрудникам ТРИНИТИ и техническим работникам, оказавшим помощь и организационно-техническую поддержку при проведении экспериментов и измерений, обработке данных измерений, в том числе с помощью расчетно-теоретических методов

Высказываю искреннюю благодарность член-корреспонденту РФ профессору

В Ю Баранову , благодаря инициативе и активной деятельности которого в ГНЦ РФ

ТРИНИТИ было создано соответствующее подразделение, разработаны прототипы СОг лазеров как импульсного, так и импульсно-периодического действия

Благодарю член-корреспондента профессора В Д Письменного за помощь в создании установки ТИР-1, постоянную поддержку исследовательской работы и внимание к ее результатам Выражаю благодарность директору ГНЦ РФ ТРИНИТИ профессору В Е Черковцу, постоянное внимание которого к проекту и его финансовая поддержка позволили довести работу до завершающей фазы создания комплекса, реализующего возможности лазерно-плазменной технологии

С большим удовольствием автор приносит благодарность директору ОИП профессору Д Д Малюте и начальнику лаборатории Ю.А Сатову, которые будучи научными наставниками и руководителями кандидатской диссертации, сформулировали цели и научные задачи, явившиеся предметом настоящей диссертации Под их руководством и с их непосредственным участием выполнена большая часть исследований Постоянное участие в обсуждении текущих результатов исследований и помощь в нахождении возможностей для их эффективного проведения явились одними из существенных факторов поддержки работы

Непосредственные участники описанных разработок и соавторы работы заслуживают особой моей благодарности и специального упоминания Это прежде всего ведущий научный сотрудник Ю Б Смаковский, научный сотрудник С В Хоменко, старший научный сотрудник ГС Волков Автор признателен сотрудникам ТРИНИТИ, проводившим расчетно-теоретические исследования и обсуждение результатов экспериментов, описанных здесь профессору А Н Старостину, начальнику лаборатории А Е Степанову, старшему научному сотруднику В К Рериху

С глубокой признательностью отмечаю особую роль, которую сыграл в данной работе член-корреспондент Б Ю Шарков Его настойчивые усилия в развитии самой схемы лазерного источника ионов обеспечивали внимание к ней начиная с 70-х годов прошлого столетия Выполненные им в эти годы исследования источника ионов в соавторстве с коллективами МИФИ, ФИАН, ТРИНИТИ (ФИАЭ им И В Курчатова) и другими лабораториями давали материал для обоснования и развития лазерно-плазменного генератора ионов Что касается материалов данной диссертации, его заслугой, помимо непосредственного участия в научных исследованиях в качестве соавтора многих работ, являлась организация самого проекта по разработке ЛПГ и его внедрения в тяжелоионные ускорители ЦЕРН и ИТЭФ

Автор благодарен также коллегам из ГНЦ РФ ИТЭФ с н с А В Шумшурову, с н с С А Кон-драшеву, не АН Балабаеву и др, приложившим немало усилий в рамках деятельности по изготовлению и внедрению лазерного источника ионов, сотруднику ЦЕРНа РМ Скривенсу за помощь во внедрении разработки в отделении протонного синхротрона ЦЕРН

1.1 Ананьин О Б, Афанасьев Ю В , Быковский Ю А , Крохин О Н Лазерная плазма Физика и применения-М МИФИ, 2003 -400 с

2. Донец ЕД Авторское свидетельство СССР №248860, Биллютень изобретений, 1969, №24, с 65

3. Becker R Collision physics in ECR and EBTS/T// Rev Sci Instr -2002 -v 73, №2 P 693-695

4. Sortais P Pulsed ECR ion source using the afterglow mode//Rev Sci Instr—1992—v 63, №4 — P 2801-2805

5. Getter R Electron cyclotron resonance sources' Historical review and future prospects// Rev Sci Instr—1998 -v 69, №3 P 1302-1310

6. Быковский Ю A , Козырев ЮП, Рыжих С В, Сильное СМ, Елесин В Ф, Дымович В И Авторское свидетельство СССР №324938, Биллютень ОИПОТЗ, 1974, с 227

7. Ананьин ОБ, Балдин AM Безногих ЮД и dp Об осуществлении ускорения ядер углерода, полученных в лазерном инжекторе, на синхрофазотроне ОИЯИ // Квантовая электроника -1977 -Т 4 -7 -С 1547-1549

8. Pelah I Diagnosis of laser produced plasma with charge collectors // Phys Letters—1976 — v 59A, №12 — P 348-350

9. Pearlman JS Faraday cups for laser plasmas// Rev Sci Instr-1977 -v 48, №8 P 1064-1067vspace-12pt

10. Denus S, Farny J, Wereszczynski Z, Wolowski J, Woryna E Application of ion diagnostics for the study of plasma produced by a laser beam focused on Z > 5 targets // J Tech Phys —1977 — v 18, №1-P 25—43

11. Raven A , Rumsby PT, Watson J Multichannel digitizer for routine monitoring of ion emission from laser-driven implosions// Rev Sci Instr—1980—v 51, №3 — P 351-354

12. Krasa J, Laska L, Fry D, Stockh MP Electron yield per ion charge-state correction for an ion collector with unsuppressed secondary electron emission I I Czech J Phys — 2000 —v 50, №7 — P 797-892

13. Brown IG The Physics and Technology of Ion Sources John Wiley&Sons, 1989 - 320 p

14. Кильпио А В, Киселев НГ, Пашинин ПП и dp Исследование энергетических спектров многозарядных ионов Ti из лазерной плазмы// Квант электрон — 2005 —т 35, №7 — С 638— 640

15. Лисица В С, Коган В И Атомные процессы в плазме Итоги науки и техники Сер "Физика плазмы" М ВИНИТИ, 1982, тЗ, С 5-56

16. Betz H-D Charge states and charge-changing cross sections of fast heavy ions penetrating through gaseous and solid media // Rev Mod Phys 1972 -v 44, №3 - P 465-539

17. Шурыгин В А Кинетика распределений примесей по зарядовым состояниям в плазме токамака // Физ плазмы — 2004 —т 30, №6 — С 483-513

18. Басов НГ и др Диагностика плотной плазмы / Н Г Басов, Ю А Захаренков, А А Рупасов, ГВ Склизков, А С Шиканов, Под ред НГ Басова М Наука, 1989 - 368 С

19. Clement R М, Davies R А , Miles Н Т, Sethuraman SK Influence of charge transfer on energy measurements of ions expanding from laser-produced plasmas // J Phys D —1980 —v 13, №9 — P 1643-1648

20. Макаров KH, Camoe ЮА, Смаковский ЮБ Анализ временной формы пиков время-пролетного масс-спектра ионов лазерной плазмы —Троицк, ЦИИИАТОМИНФОРМ, 2005 — 102с ( Препринт ТРИНИТИ №Ш-А)

21. Сысоев А А, Чупахин М С Введение в масс-спектрометрию -М Атомиздат,1977-302 с

22. Афанасьев В П, Явор С Я Электростатические энергоанализаторы для пучков заряженных частиц М Наука, 1978 - 224 с

23. Воловски Е, Ворына Э, Денус С и dp Масс-спектрометрические исследования плотной плазмы на установке "Кальмар"//Труды ФИ АН-1985 -т149-С 125-149

24. Kudyan НМ Interpretation of electrostatic energy analyzer data of a flowing plasma // Rev Sci Instrum -1978 v 49, №1 - P 8-10

25. Быковский Ю A , Дорофеев В И, Дымович В И и dp Исследование ионов, образующихся при взаимодействии излучения лазера с веществом, с помощью масс-спектрометра // Журн тех физ 1968 -т 38, №7 - С 1194—1196

26. Green TS, Proca G A A parallel plate electrostatic spectrograph // RevSci Instrum —1970 — v 41, №10 — P 1409-1414

27. Воловски E, Ворына Э, Денус С и dp Масс-спектрограф Томсона для исследования лазерной плазмы // ЖТФ -1982 v 27, №2 - С 233-238

28. Funsten НО, McComas DJ, Scime ЕЕ Е||В energy-mass spectrograph for measurement of ions and neutral atoms // RevSci Instrum -1997 v 68, №1 - В 292-295

29. Kozochkin SM, Makarov KN, Satov YuA et al High charge state lead ions generation in C02-laser produced plasma Experiments and numerical simulations — M , Kurchatov Institute, 1993 — 47p (Preprint IAE №5635/7)

30. Chowdhury SS, Clement RM, Miles HT Ion energy analyser for laser-produced plasma // J Phys E -1980 -v 13, №10 — P 1099-1105

31. Eicher J, Rohr К, Weber H An electrodynamic coaxial spectrometer for multichannel plasma pulse analysis//J Phys E -1983 -v 16, №9-P 903-908

32. Goforth RR A multichannel ion mass spectrometer in laser-produced plasma studies // Rev Sci Instrum -1976 -v 47, №5-P 548-552

33. Decoste R, Ripin В H High energy ion analyzer for laser-produced plasma studies // Rev Sci Instrum -1977 -v 48,№3-P 232-236

34. Tallents G J The operation of a 45 degrees parallel-plate electrostatic analyser in laser-produced plasma studies // J Phys E -1978 v 11, №8 - P 769-771

35. Овсянникова JIII, Фишкова ТЯ Цилиндрический зеркальный энергоанализатор с закрытыми торцами // Ж тех физ -1994 т 64, №10 - С 174-177

36. Bader Н, Rohr К, Weber Н Space charge effects in electrostatic ion analysers for laser produced plasma detection // J Phys D -1980. v 13, №2 - P L149-L151

37. Bryee P, Dalghsh R L, Kelly J С The 127° electrostatic analyzer performance as a spectrometer //Can J Phys -1973 -v 51-P 574-578

38. Fujisawa A, Hamada Y Theoretical study of cylindrical energy analyzers for MeV range heavy-ion beam probes//Rev Sci Instrum -1993 -v 64, №12-P 3503-3514

39. Fujisawa A , Iguchi H Sasao M, Hamada Y Second-order focusing property of 210° cylindrical energy analyzer // Rev Sci Instrum -1995 v 66, №3 - P 2524-2527

40. Poulin A , Roy D Optimisation of the 180° hemispherical electrostatic deflector // J Phys E -1978 -v 11, №1 — P 35-42

41. Sagara T, Boesten L, Nishida S, Okada К Resolution improvements for hemispherical energy analyzers // Rev Sci Instrum -2000 v 71, №11 - P 4201-4207

42. Sharkov В Yu, ShumshurovA V, Dubenkov VP et al Laser ion source for heavy ion accelerators // Rev Sci Instr -1992 v 63, №4 - P 2841-2843

43. Mroz W, Nowak-Goroszczenko A Wolowski J Woryna E Investigations of laser interaction with high-Z targets // Las &Part Beams -1992 v 10, №4 - P 689-696

44. Baranov VYu, Makarov К N, Satov YuA etal Study of multi-charge heavy ion generation from C02 laser produced plasma Troitsk, TRINITI, 1995 - 32p (Preprint TRINITI №0015-A)

45. Козлов И Г Современные проблемы электронной спектроскопии M Атомиздат, 1978 -248 с

46. Hughes А , Rojansky V On the analysis of electronic velocities by electrostatic means // Phys Rev -1929 -v 34, №2-P 284-290

47. Ehler W Measurement of Debye length in laser-produced plasma // Phys Fluids —1973 — v 16, №2 P 339-340

48. Макаров К H, Самое Ю А Стрельцов А П и др Генерация высоко ирядных ионов тяжелых элементов в С02-лазерной плазме// ЖЭТФ — 1994 —т 106, №6 — С 1649-1662

49. Козочкин СМ, Макаров КН, Сатов Ю А и др Об использовании энергетических спектров многозарядных ионов для диагностики параметров лазерной плазмы // Физ плазмы -1994-т 20, №1-С 110-114

50. Baranov VYu, Makarov К N Roerich VC et al Study of multi-charged heavy ion generation from C02-laser produced plasma// Laser and Particle Beams —1996 —т 14, №3 — P 347-368

51. Tonon G Spectres de l'energie des ions émis par le béryllium, le carbone et le molybdene sous l'action du faisceau d'un laser // С R Acad Se Pans -1966 -1 262, Serie B, 7 mars P 706-709

52. Langer P, Tonon G, Floux F et al Laser induced emission of electrons, ions, and X rays from solid targers // IEEE J Quant Electr -1966 v QE-2, №9 - P 499-502

53. Denus S, F amy J, Wereszczynski Z etal Application of ion diagnostics for the study of plasma produced by a laser beam focused on Z > 5 targets // J Tech Phys —1977 — v 18, №1 — P 25-43

54. Herzog R Ablenkung von kathoden- und kanalstrahlen am rande eines kondensators, dessen streufeld durch eme blende begreuzt ist // Zeitschrift fur Physik —1935 — v 97 — P 596-602

55. Loboiko AI, Roerich VC, Stepanov AE Development of numerical solution techniques of population kinetics equation in the code packages GIDRA-1 and GIDRA-2 — Troitsk, CNI-IAtomlnform, 1994 26p (Preprint TRINITI №0002-A)

56. Roerich VC, Stepanov AE Code package GIDRA-2 for simulation of hydrodynamics and population kinetics of nonequilibrium plasma (2D model) — Troitsk, CNIIAtomlnform, 1994 — 44p (Preprint TRINITI №0003-A)

57. Мезенцев А П, Федотов В JI, Кадырова ВС К вопросу о монокинетизации пучка электронов в поле цилиндрического конденсатора // ЖТФ —1971 — т XLI, №10 — С 2170-2174

58. Bryce P, Dalghsh R L, Kelly J С The 127° electrostatic analyzer performance as a spectrometer 11 Can J Phys -1973 v 51, №4 - P 574-586

59. Айнбунд MP, Поленов Б В Вторично-электронные умножители открытого типа и их применение-М Энергоиздат,1981 -140 с

60. Fleischmann H H, Ashby DETF, Larson A V Errors in the use of mass analyzers in plasmaphysics//Nucl Fusion -1965-v 5-P 349-351

61. Шаповалов AC К вопросу о влиянии пространственного заряда частиц на их фокусировку и дисперсию по энергии в поле плоского конденсатора // ЖТФ —1965 — т 35, №6 — С 1053— 1062

62. Simpson J A High resolution low energy electron spectrometer // Rev Sci Instrum —1964 — v 35, №12-P 1698-1704

63. Kuyatt CE, Simpson J A Electron monochromator design // RevSci Instrum—1967 — v 38, №1 P 103-111

64. Гамаюнов Ю Г, Козлов ИГ Дисперсионные и фосусирующие свойства поля конденсатора Юза-Рожанского с учетом пространственного заряда исследуемых частиц // ЖТФ —1968 -т 38, №3-С 531-538

65. Francois R, Barat M Pouvoir de résolution theonque d'un analyseur électrostatique cylindrique à 127° utilisé comme monochromateur pour ions lents (10 100 eV) influence de la charge d'espace//С R Acad Se Paris-1968-t 266, Série B, 13 mai-P 1306-1308

66. Green TS Space charge effects in plasma particle analyzers // Plasma Phys —1970 — т 12, №6 — P 877-883

67. Bader H, Rohr К, Weber H Space charge effects in electrostatic ion analysers for laser produced plasma detection//J Phys D -1980 -v 13, №2-P L149-L151

68. Leisenfelder HJ, Hickok R L, Resnick JH et al Electrostatic energy analyzer for multi-MeV heavy ion beam probes//Rev Sci Instrum -1992 -v 63, №10-P 4579-4581

69. Vilppola JH, Keisala JT, Tanskanen PJ etal Optimization of hemispherical electrostatic analyzer manufacturing with respect to resolution requirements // RevSci Instrum —1993 — v 64, №8-P 2190-2194

70. Nishimura T, Ikeda A , Kido Y A new toroidal electrostatic analyzer and application to surface analysis // RevSci Instrum -1998 v. 69, №4 - P 1671-1675

71. Goto T, Ishu К, Katsuki Y et al New type of compact electrostatic energy analyzer adequate to measurement of charge exchange neutral particles with a low counting yield // RevSci Instrum -1999 -v 70, №1-P 845-848

72. Зинченко H С Лекции по электронной оптике Харьков ХГУ, 1958 - 274 с

73. Молоковский СИ, Сушков АД Интенсивные электронные и ионные пучки Ленинград Энергия, 1972 - 271 с

74. Димитров С К Генерация и торможение пучков заряженных частиц М МИФИ, 1990 -80 с

75. Write MJ, Rosenberg R А , Gabor G et al Time-of-flight photoelectron spectroscopy of gases usmg synchrotron radiation//Rev Sci Instrum —1979 — v 50, №10 —P 1268-1273

76. Electron Tube Lim, UK Technical Report R/P069

77. Khomenko S V, Makarov К N, Roerich VC, Satov Yu A , Stepanov A E Master-oscillator-Power Amplifier laser system for laser ion source — Troitsk, CNIIATOMINFORM, 1998 — 32p (Preprint TRINITI №0045-A)

78. Макаров KH, Нищук С Г, Рерих В К и др Формирование импульсов СОг лазера в трехпроходовом телескопическом усилителе с применением насыщающихся поглощающих фильтров -Троицк, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2000 48с (Препринт ТРИНИТИ №0069-А)

79. Макаров КН, Малюта ДД, Нищук С Г и dp Исследование динамики распространения импульсов С02 лазера в цепочке нелинейных поглощающих и усиливающих сред// Квант электрон 2001 -т 31, №1 - С 23-29

80. Крюков П Г, Летохов В С Распространение импульса света в резонансно усиливающейпоглощающей) среде // УФН 1969. - Т 99, №2 - С 169-227

81. Басов Н Г, Амбарцумян РВ, Зуев В С ,идр Нелинейное усиление импульса света //ЖЭТФ 1966 -т 50, №1 - С 23-34

82. Макаров КН, Рерих В К, Сатов ЮА , Смаковский ЮБ, Степанов АЕ, Хоменко С В Импульсная генерация TEA СОг-лазера в условиях развития оптической неоднородности активной среды при высоких удельных энергиях накачки// Квант электр— 2000—т 30, №4-С 305-309

83. Linlor WI Ion enegies produced by laser giant pulse // Appl Phys Lett-1963-v 3-11 -p 210-212

84. Быковский Ю A, Дорофеев В И, Дымович В И и dp Исследование ионов, образующихся при взаимодействии излучения лазера с веществом, с помощью масс-спектрометра // ЖТФ -1963-Т 37-7-С 1194-1196

85. Ананьин О Б, Быковский Ю А , Дегтяренко Н Н, и dp Об осуществлении ускорения ионов лазерной плазмы на форинжекторе линейного ускорителя синхрофазотрона ОИЯИ // Письма в ЖЭТФ -1972 -Т 16-10-С 543-548

86. Ананьин ОБ, Балдин А М, Безногих Ю Д, и dp Об осуществлении ускорения ионов лазерной плазмы на форинжекторе линейного ускорителя синхрофазотрона ОИЯИ // Письма в ЖЭТФ-1974-Т 19-1-С 19-23

87. Beznogikh Yu D, Govorov AI, Zinovev LP, и dp Acceleration of lithium, carbon and magnesium nuclei in JINR synchrophasotron from CO2 laser ion source-Дубна, 1984-30 с (Препринт ОИЯИ JINR-P9-84-246)

88. Monchinsky VА , Kalagin I V and Govorov A I Laser ion source of Synchrophasotron and Nuclotron ш Dubna // Laser and Particle Beams -1996 v 14-3 -p 439-444

89. Kalagin I V, Monchinsky VA , Sahmov E К The pulse CO2 laser for laser ion source-Дубна, 1992-7 с (Препринт ОИЯИ JINR-P9-92-37)

90. Аполлонов ВВ, Быковский ЮА, Дегтяренко НН, и dp Образование многозарядных ионов при взаимодействии мощного лазерного импульса с твердым телом // Письма в ЖЭТФ-1970-Т 11-8-С 377-381

91. Быковский Ю А , Сильное С М, Шарков Б Ю и dp Влияние начального размера лазерной плазмы на процессы ионизации и рекомбинации // Физика плазмы — 1976— т 2, №2 — С 248-253

92. Berezovskii VV, Bykovsku Yu А , Sil'nov SM, et al Ion composition in the plasma produced by a C02 laser // Письма в ЖТФ -1977 -T 3 -4 -С 126-127

93. Bykovsku YuA , Sil'nov SM, Sharkov BYu, et al Laser-produced plasma of two-component mixtures // Физика плазмы -1977 -v. 3 -5 -p 639-641

94. Быковский Ю А, Козырев Ю П, Суслов А И и dp Эмиссия многозарядных ионов из плазмы, образованной излучением С02 лазера // Письма в ЖТФ — 1979 —т 5, №1 — С 4650

95. Быковский Ю А, Пагода В Б, Шерозия Г А Получение тяжелых ионов с Z > 20 // Письма в ЖЭТФ 1979 -т 30, №8 - С 489-491

96. Ананьин О Б, Быковский Ю А , Гусев В П и др Исследование лазерной плазмы с целью разработки источника многозарядных ионов для циклотронов в области легких элементов Li, Be, С // Журн тех физ 1983 -т 53, №1 - С 94-99

97. Ананьин О Б, Быковский Ю А , Гикал Б Н и др Осуществление ускорения С^ из лазерной плазмы на циклотроне // Письма в ЖТФ 1983 -т 9, №5 - С 261-263

98. Быковский Ю А, Козырев Ю П, Колесов И В и др Физические особенности использования лазерной плазмы в качестве источника многозарядных ионов для циклотронов // Физика плазмы- 1987-т 13, №10-С 1240-1243

99. Golubev А А , Latyshev S. V, Sharkov В Yu Formation of charge aqd energy spectra of multiply charged ions in an expanding laser plasma // Sov J Quantum Electron, v 14, p 1242 (1984)

100. Sharkov В Yu and Heinrich Hora Laser-ion sources // Laser and Particle Beams -1996 -v 14-3-p 275-278

101. Roudskoy I V General features of highly charged ion generation in laser-produced plasmas // Laser and Particle Beams -1996 -v 14 -3 -p 369-371

102. Balabaev A , Balanutsa V, Kondrashev S, et al, Development and operation of laser source of highly charged ions for ITEP TeraWatt accumulator facility // Rev Sci lnstr-2002 -73 -2 -p 773-775

103. Korschinek G, Sellmair J Acceleration of laser-produced ions m a small Van de Graaff //Rev Sci Instrum -1986-v 57-p 745-747

104. Mroz W, Wolowski J, Woryna E, et al Laser plasma as a source of highly ionized ions // Rev Sci Instrum-1994-v 65^1-p 1272-1274

105. Mryz W, Parys P, Woowski J, et al Au49+, Pb50+, and Ta48+ ions from laser-produced plasmas // Appl Phys Lett-1996-v 69-11-p 1547-1549

106. Rohlena К, Kralikova В, Krasa J, et al Ion production by lasers using high-power densities in a near infrared region // Laser and Particle Beams -1996 -v 14-3 -p 335-338

107. Laska L, Krasa J, Maek K, et al Multiply charged ion generation from NIR and visible laser-produced plasma//Rev Sci Instrum-1996-v 67-3-p 950-952

108. Masek K, Krasa J, Laska L, et al Laser plasma as an effective ion source // Proceedings of High-Power Laser Ablation, Claude R Phipps, Ed Proc SPIE-1998-v 3343 -p 254-264

109. Mryz W, Laska L , Krasa J, etal Observation of different Та and Pt ion groups produced by laser radiation with the intensities of IX2 ~ Wl5W/( m2im2 //Rev Sci Instrum-1998 -v 69-3-p 1349-1352

110. Laska L, Krasa J, Маек К, et al Multiply charged ions of heavy elements produced by an iodine laser with subnanosecond pulses // Rev Sci Instrum-1998 v 69-2-p 1072-1074

111. Krasa J, Laska L, Rohlena , et al The effect of laser-produced plasma expansion on the ion population//Appl Phys Lett-1999 -v 75-17 -p 2539-2541

112. Laska L, Krasa J, Маек K, etal Properties of iodine laser-produced stream of multiply charged heavy ions of different elements//Rev Sci Instrum-2000 v 71-2-p 927-930

113. Sherwood TR Laser ion sources for highly charged ions I I Rev Sci Instrum -1992 v 63 -№4 -p 2789-2793

114. Haseroth H, Kugler H, Langbein K., et al Laser ion source development for heavy ions // XVIII International Linac Conference, LINAC 96, Geneva, Switzerland, 26-30 August 1996

115. Collier J, Hall G, Haseroth H et al The CERN laser-ion source // Laser and Particle Beams -1996-v 14-3 -p 283

116. Haseroth H, Kugler H, Langbein К, et al Developments at the CERN laser ion source // Rev Sci Instrum- 1998-v 69-2-p 1051-1053

117. Sharkov В, Kondrashev S, Roudskoy I, et al Laser ion source for heavy ion synchrotrons invited paper//Rev Sci Instrum-1998-v 69-2-p 1035-1044

118. Fournier P, Gregoire G Haseroth H, et al Status of the C02 laser ion source at CERN // Rev Sci Instrum-2000-v 71-1-2-p 924-926

119. Fournier P, Haseroth H, Kugler H, et al Novel laser ion sources // Rev Sci Instrum -2000 -v 71 —p 1405-1408

120. Степанов AE, Рерих В К Макаров KM и dp Угловые зависимости параметров ионной компоненты плазмы, получаемой при облучении С02-лазером мишеней из легких и тяжелых элементов ЦНИИатоминформ М , 2002 - 28 с (Препринт ТРИНИТИ №0086-А)

121. Stepanov AE, SatovYu А , Makarov К N, etal Study of angular dependences of ion component parameters in C02 laser-produced plasma // Plasma Phys Control Fusion 2003 - v 45 -p 1261-1281

122. Roerich VC and Stepanov A E Code package GIDRA-2 for simulation of hydrodynamics and population kinetics of nonequilibnum plasma (2D model)—Troitsk,CNIIAtomlnform, 1994 — 44p ( Preprint TRINITI №0003-A).

123. Быковский Ю A, Дегтяренко H H, Елесин В Ф, и dp Масс-спектрометрическое исследование лазерной плазмы // ЖЭТФ -1971 -Т 60 С 1306-1319

124. Быковский Ю А, Козырев Ю П, Сильное С М, Шарков Б Ю Пространственная структура разлета лазерной плазмы, состоящей из ионов и ядер алюминия // Квант электр— 1974 — Т 1-3-С 709-711

125. Gupta PD, Tsui YY, Popil R, et al Ion expansion characteristics from a KrF-laser-produced plasma //Phys Rev A- 1986-v 33-5-p 3531-3534

126. Gupta PD, Tsui YY, Popil R, et al Experimental study of KrF-laser-high-Z-plasma interaction dominated by radiation transport//Phys Rev A— 1986 —v 34-5-p 4103-4109

127. Rupp A, Rohr К Energy efficiency of laser produced C- and T-ion sources // J Phys D Appl Phys 1991 - v 24 -12 -p 2229-2231

128. Thum A , Rupp A , Rohr К Two-component structure in the angular emission of a laser-produced Та plasma //J Phys D Appl Phys-1994-v 27-8-p 1791-1794

129. Buttini E, Thum-Jager A , Rohr К The mass dependence of the jet formation in laser-produced particle beams//J Phys D Appl Phys-1998-v 31 -17 -p 2165-2169

130. Thum-Jager A, Rohr К Angular emission distributions of neutrals and ions in laser ablated particle beams//J Phys D Appl Phys-1999-v 32 -21 -p 2827-2831

131. Design study of the Large Hadron Collider (LHC) -Geneva, CERN, 1991 48p(CERN Report №91-03)

132. Humphries S, Burkhart C, Coffey S et al Grid-controlled extraction of pulsed ion beams //J Appl Phys 1986 -v 59, №6 - P. 1790-1798

133. Yoshida M, Hasegawa J Fukata S et al Development of a high-current laser ion source for induction accelerators // Rev Sci Instr -2000 -v 71, №2 P 1216-1218

134. Hasegawa J, Yoshida M Oguri Y et al High-current laser ion source for induction accelerators // Nucl Instr Methods В — 2000 —v 161-163, №3 P 1104-1107

135. Ogawa M, Yoshida M, Nakajima M et al High-current laser ion source based on a low-power laser // Laser and Particle Beams 2003 -v 21, №4 - P 633-638

136. Yoshiyuki О, Ken-Ichi К, Jun-Ichi К et al Extraction of high-intensity ion beams from a laser plasma by a pulsed spherical diode // Phys Rev ST 2005 -v 8, №6 - id 060401

137. Маренный A M Диэлектрические трековые детекторы в радиационно-физическом и радиобиологическом эексперименте -М Энергоатомиздат 1987 - 184 с

138. Ю А Сатов, Ю Б Смаковский, К.Н Макаров "Устройство и способ для формирования пучков многозарядных ионов" Патент на изобретение № 2191441, опубликован 20 10 02, Бюллетень №29

139. Kondrashev S, Mescheryakov N, Sharkov В, et al Production of Me-like light and medium mass ions in laser ion source// Rev Sci Instrums -2000 -v 71-3 -p 1409-1412

140. Сатов Ю A , К H Макаров, Степанов A E и dp Источник многозарядных ионов тяжелых и легких элементов на основе С02-лазера ЦНИИатоминформ M , 2004 - 50 с (Препринт ТРИНИТИ 0112-А)

141. Сатов Ю A , Макаров KH, МалютаДД, и dp Нагрев плазмы импульсами СО2-лазера для эффективной генерации многозарядных ионов// IV Харитоновские тематические научные чтения Тезисы докладов -Саров 18-21 февраля 2002

142. Сатов Ю А , Макаров КН, Малюта ДД Plasma heating by CCb-laser pulses for efficient multy-charged ion generation// ECLIM 2002 Proceedings of XXVII European Conference on Laser Interaction with Matter Moscow, Russia -7-8 October 2002

143. Макаров KH, Сатов Ю A , Рерих В К и dp Генерация многозарядных ионов при нагреве плазмы импульсами С02 лазера с плотностью мощности 4 1013 Вт/см2 // Труды XXX Звенигородской Конференции по физике плазмы и УТС 24-28 февраля 2003

144. Khomenko S V, Makarov KN Nishchuk S G et al Feasibility study of Pb4+ (80-100 ¡is, 20 mA) pulsed ion beam generation in laser ion source—Троицк, ЦНИИАТОМИНФОРМ, 2001 — 48c ( Препринт ТРИНИТИ №0079-A)

145. Kondrashev SA , Mescheryakov N D., Sharkov В Yu, et al Generation of intense beam of Pb4+-Pb10+ ions in a laser ion source// Rev Sci Instrum 2002 -v 73 -№2 -p 1245-1249

146. Dubenkov VP, Sharkov В Yu Golubev A A, et al Acceleration of Talf)+ 10ns produced by laser ion source in RFQ "MAXILAC" -Postfach 110552, D-64220, Darmstadt, Germany, 1995 -13 p -(Preprint GSI №95-02)

147. Dubenkov VP, Sharkov В Yu, Golubev A A , et al Acceleration of Ta1H+ ions produced by laser ion source m RFQ "MAXILAC"// Laser and Particle Beams -1996 v -14 -№3 - p 385-391

148. Collier J, Hall G, Haseroth H, et al Laser Ion Source Development at CERN // Rev Sci Instrum 1996 -v 67 -№3 -p 1337-1339

149. Stepanov A E, Volkov G S, Zaitsev V.I et al Measurement of temperature evolution for the laser ion source plasma// Laser and Particle Beams — 2002 —v 20 — P 613-615

150. Степанов A E, Волков ГС, Зайцев В И и dp Измерение температурной динамики плазмы многозарядных ионов, создаваемой импульсами СОг-лазера// Письма ЖТФ — 2003 —т 29, №5-С 36-41

151. Tsui YY, Fedosejevs R Offenberger А A , et al Numerical simulations of charge state distribution from a KrF laser-produced plasma// Phys Fluids В -1993 v 5-11 -p 4115-4122

152. Satov Yu, Sharkov В, Haseroth H, et al High power C02 laser system with repetition rate operation for high current multicharged heavy ion generation // J of Russian Laser Research -2004-v 25, №3 -p 205-216

153. Balabaev A , Kondrashev S, Konukov К et al Laser ion source based on a 100 J/1 Hz C02-laser system//Rev Scilnstr-2004-v 75, №5-P 1572-1574

154. Satov Yu, Sharkov В, Smakovski Yu, et al The "SKATE" C02 gigawatt laser for a laser-plasma generator of ions and nuclei // J of Russian Laser Research -2004 -v 25 -№6 p 524-534

155. Sharkov В Yu, Koshkarev D G, Churazov MD, et al, Heavy-ion fusion activities at ITEP // Nucl Instr& Meth A- 1998 -415 -1-2- p 20-26

156. Kondrashev S, Balabaev A , Balanutsa V, et al Laser source of highly charged ions for ITEP TeraWatt accumulator facility //Proceedings of 7Lh European Particle Accelerator Conference EPAC 2000 Тез докл -Vienna, Austria, 26-30 June 2000, p 551-553