Лазерно-плазменный генератор ионов широкого ряда элементов для тяжелоионного инжектора синхротронов

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

Описаны результаты первых экспериментов по генерации ионов из ряда химических элементов от легких до тяжелых на лазерно-плазменном источнике ионов, который входит в состав разрабатываемого в НИЦ “Курчатовский институт” тяжелоионного инжектора синхротронов. Источник базируется на СО2-лазерной системе ФОКУС импульсно-периодического действия и включает в состав вакуумную мишенную камеру с дрейфовым пространством и высоковольтную систему экстракции и формирования пучка заряженных частиц. В работе описано устройство источника и приведены характеристики лазерного излучения и генерируемых ионных пучков Al, Fe и Bi, которые получены в результате совместной обработки данных времяпролетного спектра частиц из плазменного потока и токовых характеристик экстрагированного ионного пучка. Высокая эффективность этого источника для получения интенсивных ионных пучков из широкого спектра элементов и возможность их оперативной смены могут быть успешно использованы в инжекторах синхротронов для комплексных исследований и тестирования электронной компонентной базы на радиационную стойкость.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. Н. Балабаев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Author for correspondence.
Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

A. A. Васильев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Т. В. Кулевой

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

A. A. Лосев

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

Ю. A. Сатов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

И. A. Хрисанов

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: hrisanov@itep.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

A. В. Шумшуров

Национальный исследовательский центр “Курчатовский институт”

Email: nrcki@nrcki.ru
Russian Federation, 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, 1

References

  1. Satov Yu., Sharkov B., Haseroth H., Smakovskiy Yu, Makarov K., Kondrashev S., Roerich V., Stepanov A., Kugler H., Scrivens R., Camut O., Shumshurov A., Balabaev A., Charushin A. // J. Russ. Laser Res. 2004. V. 25. № 3. P. 205. https://doi.org/10.1023/b:jorr.0000026779.64230.19
  2. Макаров К.Н., Малюта Д.Д., Нищук C.Г., Рерих В.К., Сатов Ю.А., Смаковский Ю. Б., Степанов A.Е., Хоменко С.В. // КЭ. 2001. Т. 31. № 1. С. 23. https://doi.org/10.1070/QE2001v031n01ABEH001885
  3. Сатов Ю.А., Смаковский Ю.Б. Патент на изобретение № 2 653 568 РФ // Опубл. 11.05.2018.
  4. Сатов Ю.А., Хрисанов И.А., Шумшуров А.В., Балабаев А.Н., Лосев А.А. Препринт ИТЭФ № 1–16, М., 2016.
  5. Сатов Ю.А., Шарков Б.Ю., Алексеев Н.Н., Шумшуров А.В., Балабаев А.Н., Савин С.М., Белокуров А.Д., Хрисанов И.А., Макаров К.Н. // ПТЭ. 2012. № 3. С. 107. http://dx.doi.org/10.1134/S0020441212020108
  6. Satov Yu., Sharkov B., Smakovski Yu., Makarov K., Stepanov A., Roerich V., Kondrashev S., Shumshurov A., Balabaev A. // J. Russ. Laser Res. 2004. V. 2. № 6. P. 524. http://dx.doi.org/10.1023/B:JORR.0000049085.71399.ed
  7. Сатов Ю.А., Шумшуров А.В., Васильев А.А., Балабаев А.Н., Лосев А.А., Хрисанов И.А., Макаров К.Н., Рерих В.К. // ПТЭ. 2017. № 4. С. 108. http://dx.doi.org/10.1134/S0020441217030241
  8. Stepanov A.E., Satov Yu.A., Makarov K.N., Roerich V.C., Smakovskiy Yu.B., Maluta D.D., Starostin A.N. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2003. V. 45. № 7. P. 1261. https://doi.org/10.1088/0741-3335/45/7/315

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig.1. Scheme of laser-plasma ion generator: LD – laser driver – FOCUS system, TC – target chamber, SE – extraction system, 1 – single-mode single-frequency MG, 2 – three-section absorption cell PYa1, 3 – diffraction grating, 4 – short-focus mirror PF, 5 – long-focus mirror PF, 6 – spatial filter, 7 – active medium of wide-aperture multi-pass amplifier module, 8 – single-section absorption cell PYa2, 9 – convex mirror of off-axis confocal telescope, 10 – focusing mirror of telescope, 11 – entrance window of vacuum target chamber, 12 – focusing objective, 13 – flat rotating mirror, 14 – cylindrical target, 15 – high-voltage extraction system, 16 – output ion beam.

Download (313KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. General view of the target chamber and extraction system: 1 – laser beam, 2 – vacuum target chamber, 3 – drift tube, 4 – high-voltage extraction system, 5 – ion beam, 6 – high-voltage insulators. The wavy line shows the path of the laser beam, the dashed line – the plasma jet of the target material, the solid line – the path of the ion beam.

Download (365KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Three-electrode high-voltage extraction system: 1 – plasma flow, 2 – first electrode under positive potential, 3 – middle electrode under negative potential, 4 – third grounded electrode.

Download (186KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Data from statistical processing of the characteristics of the laser pulse at the output of the FOCUS system for a 2-hour test with a repetition rate of 1/16 Hz: a – peak pulse power, b – total energy, c – duration at half-height.

Download (385KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Typical pulse shape at the output of the FOCUS system.

Download (78KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Spatial profile (1, left scale) and energy content (2, right scale) of the laser beam in front of the target chamber (a) and in the focal plane (b), where E₀ = 19 J is the total beam energy, Ф = 0.96 J/cm² is the maximum beam energy density, Ф = 4.4 ∙ 10⁴ J/cm² is the maximum energy density in the focal spot.

Download (131KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Bi ion analyzer signals at the tuning energy E [keV] = 4z, where the amplitudes of the SEM signals were maximum. The zero value of the time scale is the moment of the start of target irradiation, the drift length is 3620 mm.

Download (146KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Averaged shape of the total current density of bismuth ions (curve 2) and standard deviations (curves 1 and 3). Drift length 1935 mm: a – overview scale, b – arrival interval of high-energy ions.

Download (116KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Energy spectrum of bismuth ions: 1 (○) – Bi²⁷⁺, 2 (∆) – Bi²⁸⁺, 3 (◊) – Bi²⁹⁺, 4 (☆) – Bi³⁰⁺

Download (115KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Partial currents of bismuth ions obtained after the extraction system: 1 (○) – Bi²⁷⁺, 2 (∆) – Bi²⁸⁺, 3 (◊) – Bi²⁹⁺, 4 (☆) – Bi³⁰⁺

Download (110KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Bismuth ion number density in the 5 μs interval.

Download (121KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Energy spectrum of iron ions: 1 (○) – Fe¹⁴⁺, 2 (∆) – Fe¹²⁺, 3 (◊) – Fe¹¹⁺, 4 (☆) – Fe¹⁰⁺.

Download (105KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Partial currents of iron ions obtained after the extraction system: 1 (○) – Fe¹⁴⁺, 2 (∆) – Fe¹²⁺, 3 (◊) – Fe¹¹⁺, 4 (☆) – Fe¹⁰⁺.

Download (84KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Density of the number of iron ions Fe¹⁰⁺÷Fe¹⁴⁺ in the interval of 5 μs.

Download (95KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Energy spectrum of aluminum ions: 1 (○) – Al⁷⁺, 2 (∆) – Al⁶⁺, 3 (◊) – Al⁵⁺, 4 (☆) – Al⁴⁺.

Download (102KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Partial currents of aluminum ions obtained after the extraction system: 1 (○) – Al⁷⁺, 2 (∆) – Al⁶⁺, 3 (◊) – Al⁵⁺, 4 (☆) – Al⁴⁺.

Download (113KB)
Indexing metadata
18. Fig. 17. Density of the number of aluminum ions Al⁴⁺–Al⁷⁺ in the interval of 5 μs.

Download (137KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences