Спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерними імпульсами і пристрій (варіанти) для його здійснення

1. Спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерними імпульсами, за яким спочатку генерують лазерний імпульс у TEM00q-моді, потім затримують його центральну частину щодо його периферичної частини з утворенням оптичної різниці ходу між ними l c i , де: c - швидкість світла у вакуумі; i - тривалість лазерного імпульсу, після чого направляють його назустріч іншому лазерному імпульсу, центральну частину якого також затримують відносно його периферичної частини з утворенням такої ж оптичної різниці ходу між ними, і фокусують обидва імпульси в іонізованому середовищі з утворенням замкнених світлових об'ємів прискорення і кумуляції іонів, який відрізняється тим, що інший лазерний імпульс отримують при поділі генерованого лазерного імпульсу на два ідентичних за формою і тривалістю імпульси за допомогою плоского напівпрозорого дзеркала і засобу, що компенсує відмінності в дисперсійних параметрах імпульсів, після чого направляють їх назустріч один одному за допомогою цілком відбиваючих дзеркал по оптичних каналах, які мають рівні оптичні шляхи, наприкінці яких формують вищезгадані світлові об'єми, за умови, що їх загальний подовжній розмір складає подвоєну величину відносно відстані між фокусами, у яких сходять 2 (19) 1 3 76218 4 центральної частини лазерного імпульсу щодо ваючі дзеркала для спрямування двох імпульсів, його периферичної частини з утворенням оптичної що утворилися після поділу, назустріч один одному по ідентичних оптичних каналах, розташованих різниці ходу між цими частинами l c i , де: уздовж однієї осі, і фокусування в місці розміщенc - швидкість світла у вакуумі; ня іонізованого середовища, причому, увігнуті дзеi – тривалість лазерного імпульсу, ркала розташовані так, що виконується одне зі іонізоване середовище, розміщене в місці фокусуспіввідношень: вання лазерних імпульсів, який відрізняється l 4 f2 S2 / 2 за умови, що f2 більше ніж S2/2, або тим, що він додатково містить плоске напівпрозоре l 4 S2 / 2 f2 за умови, що f2 менше ніж S2/2, де: дзеркало і засіб, що компенсує відмінності в дисf2 - фокусна відстань кожного з увігнутих дзеркал; персійних параметрах імпульсів, для поділу лазеS2 - відстань між увігнутими дзеркалами. рного імпульсу на два ідентичних за формою і тривалістю імпульси, два увігнутих цілком відби Винахід відноситься до області прискорення іонів за допомогою тиску електромагнітної хвилі, а саме, до пондеромоторного прискорення іонів надпотужним (від тераватт і вище) лазерним випромінюванням з кумуляцією іонів у просторі фокусування лазерного імпульсу субпікосекундної тривалості. Винахід може бути використаний: для створення яскравого та компактного джерела швидких нейтронів з імпульсами пікосекундної тривалості, для створення активного середовища рентгенівського та гамма-лазерів, для отримання багатозарядних іонів та ініціювання ядерних реакцій. Відомо про спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерним імпульсом [1]. Генерацію імпульсу за цим способом виконують в TEM01q-моді. Далі цей імпульс фокусують в іонізованому газовому середовищі. Відомо про пристрій для прискорення і кумуляції іонів лазерним імпульсом [1], який включає тераваттну лазерну систему, що генерує імпульс TEM01q-моди, фокусуючу лінзу для фокусування лазерного імпульсу TEM01q-моди і іонізоване середовище, розміщене в місці фокусування лазерного імпульсу. Такий спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерним імпульсом та пристрій для його здійснення забезпечують фокусування лазерного імпульсу в формі кільця. Іони, що знаходяться всередині кільця, отримують радіальне прискорення в напрямку до центру в електростатичному полі розділення зарядів, що виникає при пондеромоторному впливу лазерного імпульсу на електрони [2]. Коли іони досягають осі, відбувається їх кумуляція з утворенням плазмової нитки високої густини. Цей спосіб і пристрій для його здійснення має три основні недоліки. Перший обумовлено тим, що лазерна система, працюючи на TEM01q-моді, має порівняно великі дифракційні втрати. При інших однакових умовах вони можуть складати 10%, в той же час для TEM00q-моди вони складають лише 1%. Отже з енергетичної точки зору корисним має бути режим роботи на TEM00q-моді. Другий недолік має зв'язок з неможливістю змінювати величину радіусу кільця фокусування, з метою його оптимізації для досягнення максимальної кумуляції та прискорення іонів. Нарешті, в цьому способі та пристрої для його здійснення відсутня принципова можливість прискорення і кумуляції іонів уздовж осі. Найбільш близьким до патентуємого способу є прийнятий за прототип спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерними імпульсами [3], за яким спочатку генерують лазерний імпульс в TEM00q-моді, потім затримують його центральну частину щодо його периферичної частини з утворенням оптичної різниці ходу між ними Δ1 с i, (де тут і далі по тексту: с - швидкість світла у вакуумі, i - тривалість лазерного імпульсу), після чого направляють його назустріч іншому лазерному імпульсу, центральну частину якого також затримують відносно його периферичної частини з утворенням такої ж оптичної різниці ходу між ними, і фокусують обидва імпульси в іонізованому середовищі з утворенням замкнутих світлових об'ємів прискорення і кумуляції іонів. Найбільш близьким до патентуємого пристрою є пристрій для прискорення і кумуляції іонів лазерними імпульсами [3], який включає тераваттну лазерну систему, що генерує лазерні імпульси в TEM00q-моді, оптичний елемент (наприклад, у вигляді прозорої плоскопаралельної пластини) для затримки центральної частини лазерного імпульсу щодо його периферичної частини з утворенням оптичної різниці ходу між цими частинами Δ1 с i, фокусуючу лінзу для фокусування лазерного імпульсу з утворенням замкнутого світлового об'єму прискорення і кумуляції іонів, іонізоване середовище, розміщене в місці фокусування лазерних імпульсів. Цей спосіб і пристрій для його здійснення, прийняті за прототипи, мають недоліки. Надзвичайно складно створювати два однакових за формою і тривалістю імпульси від двох різних лазерів. І чималою складністю є практичне створення синхронізації за часом двох імпульсів у фемтосекундному діапазоні. Все це може привести до суттєвого послаблення кумуляції іонів, тому що умовами ефективної кумуляції іонів є ідентичність формуємих електростатичних полів, що залежать від форми і тривалості центральних частин зустрічних імпульсів, і синхронне прискорення іонів до центру утвореного світлового об'єму. В основу винаходу поставлено задачу удосконалити спосіб прискорення і кумуляції іонів лазерними імпульсами та пристрій (його варіанти) для 5 76218 6 його здійснення шляхом використання оптичних розоре дзеркало і два цілком відбиваючі дзеркала засобів для утворення другого лазерного імпульсу розташовані так, що виконується одне із співвіді направлення двох лазерних імпульсів назустріч ношень: один одному при певних геометричних умовах. Δ1=4[f1-(S0/2)] за умови, що f1 більше величини Внаслідок цього повинно значно спроститись мож(S0+S1/2), чи ливість реалізації способу і підвищитись як інтенΔ1=4[(S0+S1/2)-f1] за умови, що f1 менше велисивність, так і кумулятивний ефект прискорення чини (S0+S1/2), де тут і далі по тексту: іонів. f1 - фокусна відстань фокусуючої лінзи; Поставлена задача вирішується у патентуєS0 - довжина оптичного шляху між фокусуюмому способі прискорення і кумуляції іонів лазерчою лінзою і напівпрозорим дзеркалом; ними імпульсами, в якому також, як і в способі, S1 - сума довжин оптичних шляхів для роздіприйнятому за прототип, спочатку генерують лалених напівпрозорим дзеркалом лазерних імпульзерний імпульс в TEM00q-моді, потім затримують сів від напівпрозорого дзеркала до цілком відбийого центральну частину щодо його периферичної ваючого дзеркала і далі від них до точки зустрічі частини з утворенням різниці ходу між ними імпульсів. У другому варіанті пристрою, також як і у приΔ1 с i, (де с - швидкість світла у вакуумі, i, - тристрої, прийнятому за прототип, міститься лазерна валість лазерного імпульсу), після чого направлясистема, здатна генерувати лазерні імпульси в ють його назустріч іншому лазерному імпульсу, ТЕМ00q-моді, оптичний елемент (наприклад, у вицентральну частину якого також затримують відгляді прозорої плоскопаралельної пластини) для носно його периферичної частини з утворенням затримки центральної частини лазерного імпульсу такої ж оптичної різниці ходу між ними, і фокусущодо його периферичної частини з утворенням ють обидва імпульси в іонізованому середовищі з утворенням замкнутих світлових об'ємів прискооптичної різниці ходу між цими частинами Δ1 с i, рення і кумуляції іонів. та іонізоване середовище, розміщене в місці фоНа відміну від способу - прототипу у патентуєкусування лазерних імпульсів. мому способі інший лазерний імпульс отримують На відміну від прототипу у другому варіанті при поділі генеруємого лазерного імпульсу на два пристрій додатково містить плоске напівпрозоре ідентичних за формою і тривалістю імпульси за дзеркало і засіб, що компенсує відмінності в дисдопомогою плоского напівпрозорого дзеркала і персійних параметрах імпульсів, для поділу лазезасобу, що компенсує відмінності в дисперсійних рного імпульсу на два ідентичних за формою і параметрах імпульсів. Далі імпульси направляють тривалістю імпульсу, два увігнутих цілком відбиназустріч один одному за допомогою цілком відбиваючі дзеркала для спрямування двох імпульсів, ваючих дзеркал по оптичних каналах, які мають що утворилися після поділу, назустріч один однорівні оптичні шляхи, наприкінці яких формують му по ідентичних оптичних каналах, розташованих вищезгадані світлові об'єми. При цьому загальний уздовж однієї осі, і фокусування в місці розміщенподовжній розмір імпульсів повинен складати подня іонізованого середовища, причому увігнуті дзевоєну величину стосовно відстані між фокусами, у ркала розташовані так, що виконується одне із яких сходяться один і інший лазерні імпульси, а ці співвідношень: фокуси повинні розташовуватись з різних боків від Δ1=4(f2-S2/2) за умови, що f2 більше ніж S2/2, точки, що лежить посередині на осі між цілком чи відбиваючими дзеркалами. Δ1=4(S2/2-f2) за умови, що f2 менше ніж S2/2, Поставлена задача вирішується у патентуеде тут і далі по тексту: мому пристрої (його варіантах) таким чином. f2 - фокусна відстань кожного з увігнутих дзерУ першому варіанті пристрою, також як і у прикал; строї, прийнятому за прототип, містяться: лазерна S2 - відстань між увігнутими дзеркалами. система, здатна генерувати лазерні імпульси в Розглянемо, як відмінні особливості способу і TEM00q-моді, оптичний елемент (наприклад, у виваріантів пристрою для його здійснення дозволягляді прозорої плоскопаралельної пластини) для ють вирішити поставлену задачу. затримки центральної частини лазерного імпульсу dUi Залежність величини прискорення іонів , щодо його периферичної частини з утворенням dt оптичної різниці ходу між цими частинами Δ1 с i, а яку набувають вони під впливом пондеромоторних також: фокусуюча лінза для фокусування лазерносил периферичної частини лазерного імпульсу, від го імпульсу з утворенням замкнутого світлового інтенсивності І± (Вт/см2), визначається співвіднооб'єму прискорення і кумуляції іонів, іонізоване шенням: середовище, розміщене в місці фокусування лазеdUi Z mc 2 1 0.36 10 18 2 I (1) рних імпульсів. dt M r На відміну від прототипу у першому варіанті де тут і далі по тексту: пристрій додатково містить плоске напівпрозоре Ui - швидкість іону; дзеркало і засіб, що компенсує відмінності в дисΖ - його заряд; персійних параметрах імпульсів, для поділу лазеΜ - маса іону; рного імпульсу на два ідентичних за формою і m - маса електрону; тривалістю імпульси, два плоских цілком відбива- довжина хвилі випромінювання лазера, в ючі дзеркала для спрямування двох імпульсів, що мкм. утворилися після поділу, назустріч один одному по При фокусуванні периферичних частин імпуідентичних оптичних каналах, розташованих узльсів в кільці розподіл їх інтенсивностей у фокусі довж однієї осі, причому фокусуюча лінза, напівп 7 визначається співвідношенням: 76218 8 фронти периферичних частин зустрічних імпульсів змикаються. Утворений замкнений об'єм можна ( t z g )2 r4 2r 2 умовно назвати "світловою пасткою". Він являє I I 0 exp 2 (2) 4 2 R01( z0 ) R01( z0 ) t2 собою два зрізаних конуси, які примикають один до одного. Довжина l1 такої "світлової пастки" буде де тут і далі по тексту: дорівнювати, приблизно, подвоєній просторовій r - радіальна координата; довжині імпульсу l1 2с i. Для цього моменту часу t - час; припустиме наближення квазіциліндричної кумуz - подовжня координата; ляції іонів у квазіциліндрі довжиною l1 з ефективz0 - подовжня координата центральної частини ним радіусом Ref=(Rk1+Rk2)/2, де тут і далі по тексімпульсу в момент часу ί = 0 ту: R01 - радіус кільця фокусування периферичної Rk1 - радіус конусів у площині, де відбувалося частини імпульсу; змикання; - групова швидкість периферичної частини g Rk2 - радіус основи конусів. імпульсу; Далі наступає момент часу (Фіг.7), коли відбуI±0 - максимальна інтенсивність периферичних вається змикання передніх фронтів периферичних частин лазерних імпульсів в момент часу t=0, які частин кожного із імпульсів (в точках F1 і F2). Відпоширюються зліва направо (знак +) і справа налібувається створення нової більш ущільненої "світво (знак -). лової пастки". Внутрішній об'єм її буде виглядати, Із співвідношення (1) і (2) видно, що I±, а отже, як два конуси із спільною основою радіусом Rk1. і прискорення іонів dUi/dt, знаходяться у сильній Поздовжній розмір l2 цього об'єму дорівнює прибзалежності від радіусу кільця фокусування r0. лизно половині просторовій довжини імпульсу Співвідношення для залежності прискорення l2 c i/2. Порівняння Фіг.6 і Фіг.7 виявляє, що при dUi/dt, яке придбають іони під пондеромоторним трансформації квазіциліндричного об'єму (Фіг.6) у впливом сфокусованої центральної частини лазевнутрішній об'єм "світлової пастки" (Фіг.7) його рного імпульсу відрізняється від (1) заміною на радіус вправо і вліво від точки О1 зменшується до r надзвичайно малої величини. Відповідно до (1) і , а саме: (2) це приводить до зростання швидкості іонів у z радіальному напрямку і до посилення кумуляційdUi Z ного ефекту. При подальшому зближенні імпульсів mc 2 1 0.36 10 18 2 I (3) dt M z у визначений момент часу, відповідно до Фіг.8, а розподіл інтенсивності центральних частин утворюються ще два об'єми потужної кумуляції та імпульсів буде: прискорення іонів, які розміщуються на осі Ζ праворуч від точки F2 і ліворуч від точки F1. Це конічні ( z gt )2 r2 об'єми, основи яких є передні фронти центральних (4) I (r, z, t ) I 0 exp 2 L2 R02 ( z0 ) частин зустрічних імпульсів. Поздовжній розмір І3 кожного з цих об'ємів приблизно дорівнює чверті де тут і далі по тексту: просторовій довжини імпульсу І3 c i/4. Подальше R02 - радіус центральної частини лазерного імзближення імпульсів, коли передній фронт пульсу у фокусі; центральної частини імпульсу, що надходить L - подовжній розмір центральної частини ласправа наліво до точки F2, а передній фронт зерного імпульсу; центральної частини імпульсу, що надходить зліва Якщо генерувати лазерний імпульс TEM00qнаправо до точки F1, посилить кумулятивний моди і центральну частину імпульсу затримати ефект в розглядаємих об'ємах повздовжнім (узвідносно його периферичної частини з утворенням довж осі Z) пондеромоторним впливом на іони з оптичної різниці ходу Δ1, і далі сфокусувати його, боку центральних частин лазерних імпульсів. Коли пропустити крізь плоске напівпрозоре дзеркало і центральні частини імпульсів досягнуть точок F2 і компенсувати дисперсійне поширення імпульсу, F1 (Фіг.9) відбудеться зхлопування цих додаткових що пройшов крізь це дзеркало, то отримуємо два об'ємів а кумуляція в них досягне максимального ідентичних за формою і тривалістю імпульси. Цьорівня. Нарешті, на завершальному етапу передні го ж можна досягти, якщо лазерний імпульс із зафронти центральних частин зустрічних імпульсів триманою центральною частиною спочатку пропузмикаються в точці О1 (Фіг.10), що приводить до стити крізь плоске напівпрозоре дзеркало, зхлопування внутрішнього об'єму "світлової пасткомпенсувати дисперсійне поширення імпульсу, ки", що міститься між точками F1 і F2. Кумуляція що пройшов крізь це дзеркало, а потім сфокусуваіонів в цьому об'ємі досягає максимального рівня. ти кожен з двох одержаних імпульсів. Аналогічно наведеної вище буде динаміка Розглянемо динаміку зближення таких лазерзближення імпульсів, що поширюються назустріч них імпульсів, що поширюються назустріч один один одному, для пристрою, зображеному на Фіг.3, одному за умови: за умови, що Δ1=4(f2-S2/2) при f2>S2/2. Δ1=4[f1-(S0+S1/2)] при f1>(S0+S1/2), для приРозглянемо динаміку зближення лазерних імстрою, показаному на Фіг.1. пульсів, що поширюються назустріч один одному На Фіг.5 - Фіг.10 показані різні фази зближення за умови: імпульсів з затриманими центральними частинами Δ1=4[(S0+S1/2)-f1] при f1 менше величини на осі Ζ (стрілками показані напрямки руху імпуль(S0+S1/2). сів). На Фіг.11 показані імпульси у момент часу, коНа Фіг.5 показані імпульси до моменту їх зули передні фронти периферичних частин кожного стрічі. На Фіг.6 показані імпульси, коли передні 9 76218 10 з імпульсів змикаються у точках F1 і F2. Утворюпристроїв, зображених на Фіг.1-Фіг.4, також як і ються два об'єми прискорення та кумуляції іонів, для прототипу [3], потребує виконання визначеної що містяться на осі Ζ праворуч від точки F1 і лівоумови. Як випливає з (3), коли максимум центраруч від точки F2. Поздовжній розмір l1 кожного з льних частин імпульсів проходять крізь точку О1 на них дорівнює приблизно просторовій довжині імосі Ζ відбувається зміна знаку градієнту пондеро1 пульсу l1 c i. При подальшому зближенні імпульсів (див. Фіг.12 і Фіг.13), коли передній фронт центра[1 0,36 10 18 2I] 2 на промоторного потенціалу льної частини імпульсу, що надходить справа натилежний. Щоб ця зміна знаку не вплинула негаліво до точки F1, а передній фронт центральної тивно на подовжнє прискорення і кумуляцію іонів, частини імпульсу, що надходить зліва направо до необхідно виконання умови: точки F2, кумулятивний ефект в цих двох об'ємах tкум 0,5 і, де буде підсилений поздовжнім пондеромоторним tкум - час кумуляції іонів у визначеному об'ємі. впливом на іони з боку центральних частин лазерЧас кумуляції іонів tкум можна також визначити них імпульсів. На Фіг.12 показані зустрічні імпульза допомогою геометричних параметрів об'єму си, коли їх передні фронти периферичних частин прискорення і кумуляції іонів: змикаються. Між точками F1 і F2 утворюється світ1 1 sin лова пастка. Поздовжній розмір l2 її об'єму дорівtкум , де: c R2 нює приблизно половині просторової довжини імпульсу l2 c i/2. Два об'єми, що містяться на осі Ζ R2 - радіус основи конічного об'єму прискоренправоруч від F1 і ліворуч від F2, в цей момент буня і кумуляції іонів; дуть мати поздовжні розміри, кожний з яких приб- кут при вершині конусу об'єму прискорення лизно дорівнює 3c i/4. Зображення на Фіг.1 відпоі кумуляції іонів. Для патентуемого способу, також відає моменту, коли об'єми, що містяться як і для прототипу, тривалість лазерного імпульсу праворуч і ліворуч від точок F1 і F2, мають поздовi, повинна відповідати співвідношенню: жній розмір l3=c i/4. 2 , де Коли центральні частини імпульсів досягнуть i n точок F1 і F2 (Фіг.14), відбудеться зхлопування цих ωn - плазмова частота. об'ємів, а кумуляція досягне максимального рівня. Сутність винаходу пояснюється графічними На завершальному етапі передні фронти центраматеріалами. льних частин імпульсів змикаються в точці О1 На Фіг.1 зображено пристрій для прискорення і (Фіг.14), що приводить до зхлопування внутрішкумуляції іонів лазерними імпульсами у випадку, нього об'єму між точками F1 і F2. Кумуляція іонів в коли f1>(S0+S1/2). На Фіг.2 зображено фрагмент цьому об'єму досягає максимального рівня. пристрою для прискорення і кумуляції іонів лазерПорівняння Фіг.9 і Фіг.14 виявляє, що діаметри ними імпульсами, що аналогічний з пристроєм, центральних частин імпульсів праворуч і ліворуч зображеним на Фіг.1, у випадку, коли f1S2/2. На Фіг.4 зображено фрагмент прису, що надходить зліва направо в зоні за точкою F2 строю для прискорення і кумуляції іонів лазерними менше діаметра центральної частини імпульсу в імпульсами, що аналогічний з пристроєм, зобратакий же зоні за точкою F1 на Фіг.10. Також діаметр женим на Фіг.3, у випадку, коли f2