[发明专利]在低气压环境下用激光诱导激发射频等离子体的方法

说明书

一种在低气压环境下用激光诱导激发射频等离子体的方法，该方法硬件包括脉冲激光光源、凸透镜、靶材、离子源系统和射频供电系统；该方法内容是：当离子源系统中气体的气压值低于1Pa，产生射频等离子体困难时，利用脉冲激光束轰击离子源系统中的靶材，以此提高离子源内部种子电荷的密度，从而引发射频等离子体；首先使离子源系统具有较高真空度后，为离子源系统提供需要产生等离子体的气体，为离子源系统内部环境提供射频电磁场，输出一个高强度的激光脉冲经过聚焦后形成一个高功率密度的光斑并打在靶材的表面；脉冲激光光斑到达靶材表面后的瞬间，靶材表面产生激光等离子体并为离子源系统内部提供种子电荷，离子源系统内部的射频等离子被引发。

技术领域

本发明涉及在核聚变托克马克强流中性束注入技术领域中，尤其涉及一种在低气压环境下用激光诱导激发射频等离子体的方法，该方法能够在低气压下利用脉冲激光与靶材的相互作用来引发射频等离子体的技术。

背景技术

可控的核聚变有希望成为人类社会理想的能源。目前，磁约束聚变被认为是最有可能实现核聚变能商用的途径。磁约束聚变利用磁场来约束带电粒子，其目标是在磁容器中将聚变燃料加热至数亿度高温，从而实现聚变反应。强流中性束注入是核聚变装置中主要的加热方法，一般作为欧姆加热基础上的二级加热方式。强流中性束注入通过将中性粒子注入磁约束装置来实现加热。目前主要的中性束离子源有弧放电离子源和射频离子源。射频离子源是通过射频电磁感应放电的方式来引发等离子体，与弧光放电离子源相比，射频离子源的优势在于其不涉及灯丝的寿命问题，可长时间免维护运行。另外，射频离子源工作可靠且成本低。然而，射频离子源在低气压(气压小于0.3Pa)的情况下存在点火困难的难题。因此，解决低气压下实现射频离子源点火困难的问题对核聚变中中性束技术的发展具有非常重要的意义。

本发明针对射频离子源在低气压下点火困难的问题，利用强脉冲激光聚焦后与钨靶材相互产生的电子作为种子电子来在低气压下引发射频等离子体。该技术可操控性强，便捷，不会导致系统内部结构的复杂化。

发明内容

本发明克服了现有技术中的不足，提供一种可行的低压环境下激光诱导射频等离子体的技术。

为了解决上述存在的技术问题实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种在低气压环境下用激光诱导激发射频等离子体的方法，该方法采用的硬件设备包括脉冲激光光源、凸透镜、靶材、离子源系统和射频供电系统；所述的凸透镜用于聚焦所述的脉冲激光光源输出的高强度脉冲激光；所述的离子源系统用于提供气体的放电环境；所述的射频供电系统为所述离子源系统的内部环境提供功率可调节的射频电磁场；所述的靶材置于所述离子源系统中，且其位置须在所述的脉冲激光光源输出激光的光路上，并处于所述凸透镜的焦点附近；

该方法具体包括如下内容：当离子源系统中气体的气压值低于1Pa，产生射频等离子体困难时，利用脉冲激光束轰击离子源系统中的靶材，以此提高离子源内部种子电荷的密度，从而引发射频等离子体；首先打开抽气系统，通过观察气压检测系统，使离子源系统具有较高真空度后，打开送气系统为离子源系统提供需要产生等离子体的气体，调节送气系统输出气体的流强使离子源系统内部的气压达到所需值；打开供电系统为离子源系统内部环境提供射频电磁场；打开脉冲激光光源并输出一个高强度的激光脉冲，激光脉冲经过聚焦后形成一个高功率密度的光斑并打在靶材的表面；脉冲激光光斑到达靶材表面后的瞬间，靶材表面产生激光等离子体并为离子源系统内部提供种子电荷；在脉冲激光光源输出高强度激光脉冲后的瞬间，离子源系统内部的射频等离子被引发。

在本发明方法中，当气压较低，种子电荷数量少导致射频等离子体的产生变得困难时，利用高功率密度激光光斑照射气体环境中的材料的方式来提供种子电荷，增加气体环境中种子电荷的数量，从而使低气压环境下射频等离子体的产生变得容易。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种在低气压环境下用激光诱导激发射频等离子体的方法具有这样的有益效果：