激光等離子體加速器及產(chǎn)生高品質(zhì)電子束的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了激光等離子體加速器及產(chǎn)生高品質(zhì)電子束的方法。具體地，本發(fā)明的激光等離子體加速器包括激光參數(shù)和氣體靶參數(shù)，其中，所述激光參數(shù)包括激光光強(qiáng)，脈寬和束腰半徑，所述的氣體靶參數(shù)包括氣體類型，密度和混合比例。本發(fā)明基于超短激光在低密度氣體靶中傳輸時(shí)形成的等離子體尾場(chǎng)加速電子束的原理，優(yōu)化了激光參數(shù)和氣體靶參數(shù)，在僅使用一束激光和一個(gè)氣體靶的情況下得到高品質(zhì)的電子束，從而獲得簡(jiǎn)單易行的適用于醫(yī)療、工業(yè)和國(guó)防等領(lǐng)域的高品質(zhì)電子束。
【專利說(shuō)明】激光等離子體加速器及產(chǎn)生高品質(zhì)電子束的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及加速器，具體涉及一種通過(guò)強(qiáng)激光作用產(chǎn)生高品質(zhì)電子束的激光等離子體加速器。
【背景技術(shù)】
[0002]高能電子束作為重要的X射線、Y射線發(fā)射驅(qū)動(dòng)源，在工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用價(jià)值。傳統(tǒng)的高能電子束一般來(lái)源于大型的直線或環(huán)形加速器，這些加速器往往很龐大(有的甚至占地?cái)?shù)百畝，相當(dāng)于多個(gè)足球場(chǎng)的面積)，同時(shí)造價(jià)高昂，這些不利因素限制了其使用范圍和普及度。
[0003]研究發(fā)現(xiàn)，光強(qiáng)達(dá)到或超過(guò)相對(duì)論光強(qiáng)(1018瓦特每平方厘米)的激光在經(jīng)過(guò)氣體靶時(shí)能激發(fā)等離子體尾波；這個(gè)尾波能承載一定的電子并使其加速至具有數(shù)十至數(shù)千兆電子伏特的能量。這種由激光器-氣體靶組成的裝置就叫做激光等離子體加速器。由于激光器占地小，激光尾波加速梯度大，一百平方米左右的面積的全套激光等離子體加速器裝置就能實(shí)現(xiàn)占地?cái)?shù)百畝的傳統(tǒng)加速器所能實(shí)現(xiàn)的功能，同時(shí)造價(jià)也將大大降低。由于上述優(yōu)勢(shì)，激光等離子體加速器有可能在數(shù)年至數(shù)十年內(nèi)普及成為一種造價(jià)低、占地小的高能粒子源發(fā)射器。
[0004]目前一般認(rèn)為提高激光等離子體加速器產(chǎn)生的電子束品質(zhì)是增加其與傳統(tǒng)加速器競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵因素。隨著高功率超短激光脈沖技術(shù)的快速發(fā)展，不斷提高激光束質(zhì)量可以增加加速器的穩(wěn)定性，從而間接增加被加速電子束的品質(zhì)。但之前的電子束注入方式過(guò)于復(fù)雜，要求非常高的空間、時(shí)間匹配技術(shù)，一定程度上增加了激光等離子體加速器的應(yīng)用門檻。最近研究發(fā)現(xiàn)電離注入是一種穩(wěn)定而簡(jiǎn)單的注入方式，但目前的注入品質(zhì)往往不高，難以達(dá)到實(shí)用所需的水平。
[0005]因此，本領(lǐng)域迫切需要研發(fā)一種簡(jiǎn)單易行、可靠性好激光等離子體加速器，使產(chǎn)生電子束質(zhì)量高的電離注入技術(shù)實(shí)際應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防等領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)優(yōu)化匹配激光與氣體靶的參數(shù)，簡(jiǎn)化電子束的注入方式從而提供一種簡(jiǎn)單易行、可靠性好的激光等離子體加速器，它不僅能克服傳統(tǒng)加速器占地面積過(guò)大、造價(jià)過(guò)高的缺點(diǎn)，而且能夠通過(guò)穩(wěn)定而簡(jiǎn)單的方式產(chǎn)生高品質(zhì)的電子束。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于產(chǎn)生電子束的激光等離子體加速器，該激光等離子體加速器包括:一激光器，激光器用于產(chǎn)生激光脈沖；一真空室，真空室內(nèi)設(shè)有壓縮器、聚焦系統(tǒng)、和氣體發(fā)生裝置；其中，壓縮器用于壓縮入射激光的脈寬，從而產(chǎn)生飛秒量級(jí)的激光脈沖；聚焦系統(tǒng)用于對(duì)經(jīng)壓縮器壓縮后的激光脈沖進(jìn)行聚焦；氣體發(fā)生裝置用于產(chǎn)生氣體靶；其中，激光器產(chǎn)生的激光脈沖入射進(jìn)入真空室內(nèi)的壓縮器，經(jīng)壓縮器壓縮、聚焦系統(tǒng)聚焦后，入射到的氣體靶，從而使得氣體靶中的氣體分子被激光束電離，產(chǎn)生電子注入并同步加速電子，從而獲得電子束。[0008]在另一優(yōu)選例中，產(chǎn)生的電子束具有以下特性:
[0009](a)能量100到1000兆電子伏特；
[0010](b)電量I到200皮庫(kù);
[0011](C)能散5%以下(含)；
[0012]⑷發(fā)射度小于3毫米毫弧度。
[0013]在另一優(yōu)選例中，該真空室設(shè)有玻璃窗口，激光器產(chǎn)生的激光脈沖通過(guò)該玻璃窗
口進(jìn)入真空室。
[0014]在另一優(yōu)選例中，聚焦系統(tǒng)將激光聚焦成光斑半徑為微米量級(jí)的激光束。
[0015]在另一優(yōu)選例中，微米量級(jí)的激光束指光斑半徑為3-50微米。
[0016]在另一優(yōu)選例中，飛秒量級(jí)的激光束的脈寬為I至1000飛秒，較佳地10-100飛秒。
[0017]在另一優(yōu)選例中，激光束的峰值功率為10-1000太瓦(I太瓦=IO12瓦特)，較佳地10-200 太瓦。
[0018]在另一優(yōu)選例中，聚焦系統(tǒng)聚焦后的激光束，其束腰半徑為3-50微米，較佳地5-25微米。
[0019]在另一優(yōu)選例中，氣體靶為由低原子序數(shù)氣體與高原子序數(shù)氣體組成的混合氣體。
[0020]在另一優(yōu)選例中，低原子序數(shù)氣體在混合氣體中占較大比例(> 90%，較佳地≥ 99%)。
[0021]在另一優(yōu)選例中，氣體發(fā)生裝置所產(chǎn)生的具有以下特征的氣體靶:密度接近均勻分布；總氣體分子所含電子數(shù)密度為IO16至IO19個(gè)每立方厘米；氣體均勻分布區(qū)域半徑為I毫米至10毫米。
[0022]在另一優(yōu)選例中，該真空室內(nèi)還設(shè)有級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)，級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)用于加速的電子束，從而獲得更高能量的電子束。
[0023]在另一優(yōu)選例中，該真空室內(nèi)還設(shè)有振蕩器，振蕩器用于將電子束轉(zhuǎn)化為X射線或Y射線。
[0024]在另一優(yōu)選例中，在真空室內(nèi)還設(shè)有級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)和振蕩器，級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)用于加速電子束以獲得更高能量的電子束，振蕩器用于將更高能量的電子束轉(zhuǎn)化為更高能量的X射線或Y射線。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種產(chǎn)生電子束的方法，包括步驟:
[0026](a)提供脈寬為飛秒量級(jí)的激光脈沖；
[0027](b)將激光脈沖經(jīng)聚焦后，產(chǎn)生光斑半徑為微米量級(jí)的經(jīng)聚焦的激光束；
[0028](C)將經(jīng)聚焦后的激光束導(dǎo)入氣體靶，從而產(chǎn)生并加速電子束；
[0029]其中，氣體靶為由低原子序數(shù)氣體與高原子序數(shù)氣體組成的混合氣體。
[0030]在另一優(yōu)選例中，該激光束為一束激光。
[0031]在另一優(yōu)選例中，該氣體靶為一個(gè)氣體靶。
[0032]在另一優(yōu)選例中，該激光束的脈寬為數(shù)十至數(shù)百飛秒。
[0033]在另一優(yōu)選例中，該激光束的峰值功率為數(shù)十太瓦至數(shù)百太瓦(I太瓦=IO12瓦特)。[0034]在另一優(yōu)選例中，激光束的束腰半徑為數(shù)微米到數(shù)十微米。
[0035]在另一優(yōu)選例中，激光束為基模高斯光束。
[0036]應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在
此不再一一累述。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0037]圖1是本發(fā)明的激光等離子體加速器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖2是本發(fā)明的激光等離子體加速器中激光束入射氣體靶產(chǎn)生電子束的示意圖；
[0039]圖3是本發(fā)明的激光等離子體加速器使用的電離注入方法的原理示意圖；以及
[0040]圖4是本發(fā)明的激光等離子體加速器產(chǎn)生的典型電子束能譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0041]本發(fā)明人經(jīng)過(guò)廣泛而深入的研究，首次研發(fā)了一種結(jié)構(gòu)新穎的、可用于高品質(zhì)電子束的激光等離子體加速器。本發(fā)明基于超短激光在低密度氣體靶中傳輸時(shí)形成的等離子體尾場(chǎng)加速電子束的原理，優(yōu)化了激光參數(shù)和氣體靶參數(shù)，在僅使用一束激光和一個(gè)氣體靶的情況下得到高品質(zhì)的電子束。在此基礎(chǔ)上完成了本發(fā)明。
[0042]本發(fā)明的激光等離子體加速器具有重復(fù)率高、單能性好、發(fā)射度小、電量和能量可控的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于場(chǎng)地有限、電子束品質(zhì)要求高的應(yīng)用場(chǎng)所，適合大范圍普及推廣。
[0043]如本文所用，術(shù)語(yǔ)“飛秒量級(jí)”指激光脈沖的脈寬為I至1000飛秒。
[0044]以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的較佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，以便更清楚理解本發(fā)明的目的、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)理解的是，附圖所示的實(shí)施例并不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制，而只是為了說(shuō)明本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)質(zhì)精神。
[0045]圖1是本發(fā)明的激光等離子體加速器的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明的激光等離子體加速器包括真空室I和激光器2，在真空室內(nèi)設(shè)有壓縮器3、聚焦系統(tǒng)4、氣體發(fā)生裝置5、級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)6和振蕩器7。
[0046]激光器2產(chǎn)生的激光脈沖通過(guò)玻璃窗口進(jìn)入真空室I后，首先通過(guò)壓縮器3使得該激光脈沖被壓縮成脈寬為飛秒量級(jí)的激光脈沖，飛秒量級(jí)的激光脈沖再經(jīng)過(guò)聚焦系統(tǒng)4使得該激光脈沖被聚焦成光斑半徑為微米量級(jí)的激光束。
[0047]由此獲得的激光束可具有10至100飛秒的脈寬，10至200太瓦的峰值功率，10至100微米的束腰半徑，0.8微米或者1.06微米的波長(zhǎng)，且該激光束只能在真空中傳播。
[0048]氣體發(fā)生裝置5能夠產(chǎn)生密度一定的超音速氣體靶作為加速載體和電子提供源。該氣體靶為低原子序數(shù)氣體(氫氣或氦氣)與高原子序數(shù)氣體(氮?dú)猓鯕饣驓鍤獾葰怏w)相混合，低原子序數(shù)氣體與高原子序數(shù)氣體的分子數(shù)密度混合比例一般介于100:5至100:0.01之間，混合氣體的所含電子總數(shù)密度一般為IO16至IO19個(gè)每立方厘米。
[0049]在本發(fā)明中，代表性的低原子序數(shù)氣體包括(但并不限于):氫氣、氦氣、或其組合。較佳地,低原子序數(shù)氣體為安全性高的氣體如氦氣等惰性氣體。
[0050]在本發(fā)明中，代表性的高原子序數(shù)氣體包括(但并不限于):氮?dú)?、氧氣、氬氣或其組合。較佳地,高原子序數(shù)氣體為安全性高的氣體如氮?dú)狻0051]較佳地，激光束為基模高斯光束。激光束入射到氣體靶中可產(chǎn)生高質(zhì)量的電子束:能量100到1000兆電子伏特，電量I到200皮庫(kù)，能散5%以下，歸一化發(fā)射度小于3毫米
毫弧度。
[0052]該電子束可穿出真空室I直接應(yīng)用；該電子束也可通過(guò)振蕩器7生成X射線或Y射線；該電子束還可經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)6從而獲得更高能量的電子束；經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)6產(chǎn)生的更高能量的電子束再通過(guò)振蕩器7可生成更高能量的X射線或Y射線。
[0053]圖2示出了本發(fā)明的激光等離子體加速器中激光束入射氣體靶產(chǎn)生電子束的示意圖。如圖所示，氣體發(fā)生裝置5中的氣體噴嘴8噴射出混合氣體9作為氣體靶，氣體噴嘴8的寬度為I至10毫米。飛秒量級(jí)激光束10沿激光束路徑11射入混合氣體9，在氣體之中傳播的激光束電離氣體產(chǎn)生等離子體區(qū)域12，而后獲得電子束13。其中，混合氣體、飛秒量級(jí)激光束和電子束的各項(xiàng)參數(shù)如上文所述。
[0054]圖3示出了本發(fā)明的激光等離子體加速器采用的電離注入方法的工作原理。激光預(yù)脈沖射入混合氣體，將混合氣體中的低原子序數(shù)氣體(氫氣或氦氣)分子電離成正負(fù)電荷分離的等離子體背景14。激光主脈沖15射入等離子體背景14將電子排開(kāi)后形成正電荷富集區(qū)域，將該正電荷富集區(qū)域稱為離子球16。被激光主脈沖15推開(kāi)之后又被離子球16拉回的等離子體背景14中的電子在離子球16周圍形成具有球殼狀結(jié)構(gòu)的電子殼層17。激光主脈沖15峰值附近的高原子序數(shù)氣體(氮?dú)?，氧氣或氬氣?分子被電離出內(nèi)殼層電子18。高原子序數(shù)氣體的內(nèi)殼層電子18能夠在采用電離注入方法的激光等離子加速器中獲得持續(xù)加速。
[0055]根據(jù)所需輸入激光的峰值功率和光束半徑，該激光束在入射到氣體靶中時(shí)足以通過(guò)電離氣體產(chǎn)生電子注入。激光束傳播數(shù)百微米后，經(jīng)過(guò)例如自聚焦的自生演化，使得尾波場(chǎng)產(chǎn)生大的演化，從而導(dǎo)致電離氣體產(chǎn)生電子注入的過(guò)程自動(dòng)終止。這一截止過(guò)程，大大減小了電離注入的長(zhǎng)度，使得注入的電子束具有最終能散低的特點(diǎn)，是本發(fā)明的基本原理之一。然而，應(yīng)理解，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受上述基本原理的限制。
[0056]較佳地，激光主脈沖15是由激光器產(chǎn)生并經(jīng)過(guò)壓縮器壓縮和聚焦系統(tǒng)聚焦形成的飛秒量級(jí)激光束，其各項(xiàng)參數(shù)為:脈寬10到100飛秒，峰值功率10到200太瓦，束腰半徑3到50微米。在主脈沖之前入射的預(yù)脈沖(ASE)相對(duì)較弱，例如主脈沖與預(yù)脈沖的光強(qiáng)對(duì)比度大于103。
[0057]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中未注明具體條件的實(shí)驗(yàn)方法，通常按照常規(guī)條件，或按照制造廠商所建議的條件。
[0058]實(shí)施例1
[0059]本實(shí)施例采取圖1所述的激光等離子體加速器裝置，其中激光束為基模高斯光束，激光束的脈寬為33飛秒,峰值功率為39太瓦，束腰半徑為11微米。氣體靶由氦氣和氮?dú)庖?00:0.15的分子數(shù)密度比例混合而成，激光束從超音速氣體噴嘴噴出，該氣體噴嘴的寬度1.5毫米，氣體分子數(shù)密度為2.8 X IO18個(gè)每立方厘米。
[0060]數(shù)值模擬得到的結(jié)果表明，該實(shí)施例的激光等離子體加速器產(chǎn)生了高品質(zhì)電子束，該電子束的電量為14.6皮庫(kù)，中心能量為383兆電子伏特，半寬全高能散度為3.33%，發(fā)射度為3毫米毫弧度。[0061]圖4示出了該電子束的能譜圖，表明產(chǎn)生的電子束屬于單能電子束。
[0062]本發(fā)明優(yōu)化了激光束參數(shù)和氣體靶參數(shù)，利用激光束在氣體中的自演化效應(yīng)達(dá)到同步注入電子和同步加速的功能，使得使用數(shù)十太瓦的激光器就能產(chǎn)生100至1000兆電子伏特、能散5%以下、電量I至200皮庫(kù)、歸一化發(fā)射度3暈米暈弧度以下的電子束。本發(fā)明的激光等離子體加速器具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0063]1.實(shí)現(xiàn)技術(shù)要求低:產(chǎn)生電子束的過(guò)程僅需一束激光與一團(tuán)氣體相作用而無(wú)需高要求的時(shí)間、空間同步，因此只需要校準(zhǔn)激光脈沖和氣體靶而無(wú)需額外控制過(guò)程，簡(jiǎn)化了調(diào)試安裝過(guò)程，同時(shí)提高了可靠性，適合各領(lǐng)域普及應(yīng)用。
[0064]2.產(chǎn)生電子束質(zhì)量高、性能穩(wěn)定:每發(fā)電子束之間品質(zhì)差異不大，而且單能性好、發(fā)射度低；
[0065]3.成本低:本發(fā)明可在臺(tái)面尺度系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生高品質(zhì)電子束，從而可以實(shí)現(xiàn)較低的成本。
[0066]以上已詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但應(yīng)理解到，在閱讀了本發(fā)明的上述講授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改。這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于產(chǎn)生電子束的激光等離子體加速器，其特征在于，所述激光等離子體加速器包括: 一激光器，所述激光器用于產(chǎn)生激光脈沖； 一真空室，所述真空室內(nèi)設(shè)有壓縮器、聚焦系統(tǒng)、和氣體發(fā)生裝置； 其中，所述壓縮器用于壓縮入射激光的脈寬，從而產(chǎn)生飛秒量級(jí)的激光脈沖； 所述的聚焦系統(tǒng)用于對(duì)經(jīng)所述壓縮器壓縮后的激光脈沖進(jìn)行聚焦； 所述的氣體發(fā)生裝置用于產(chǎn)生氣體靶； 其中，所述激光器產(chǎn)生的激光脈沖入射進(jìn)入所述真空室內(nèi)的壓縮器，經(jīng)所述壓縮器壓縮、所述聚焦系統(tǒng)聚焦后，入射到所述的氣體靶，從而使得所述氣體靶中的氣體分子被所述激光束電離，產(chǎn)生電子注入并同步加速電子，從而獲得電子束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述的聚焦系統(tǒng)將激光聚焦成光斑半徑為微米量級(jí)的激光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述的飛秒量級(jí)的激光束的脈寬為I至1000飛秒，較佳地10-100飛秒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述激光束的峰值功率為10-1000太瓦(I太瓦=IO12瓦特)，較佳地10-200太瓦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述聚焦系統(tǒng)聚焦后的激光束，其束腰半徑為3-50微米，較佳地5-25微米。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述氣體靶為由低原子序數(shù)氣體與高原子序數(shù)氣體組成的混合氣體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述氣體發(fā)生裝置所產(chǎn)生的具有以下特征的氣體靶: 密度接近均勻分布； 總氣體分子所含電子數(shù)密度為IO16至IO19個(gè)每立方厘米； 氣體均勻分布區(qū)域半徑為I毫米至10毫米。
8.如權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述真空室內(nèi)還設(shè)有級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)，所述級(jí)聯(lián)加速系統(tǒng)用于加速所述的電子束，從而獲得更高能量的電子束。
9.如權(quán)利要求1所述的激光等離子體加速器，其特征在于，所述真空室內(nèi)還設(shè)有振蕩器，所述振蕩器用于將所述電子束轉(zhuǎn)化為X射線或Y射線。
10.一種產(chǎn)生電子束的方法，其特征在于，包括步驟: (a)提供脈寬為飛秒量級(jí)的激光脈沖； (b)將所述激光脈沖經(jīng)聚焦后，產(chǎn)生光斑半徑為微米量級(jí)的經(jīng)聚焦的激光束； (C)將所述經(jīng)聚焦后的激光束導(dǎo)入氣體靶，從而產(chǎn)生并加速電子束； 其中，氣體靶為由低原子序數(shù)氣體與高原子序數(shù)氣體組成的混合氣體。
【文檔編號(hào)】H05H6/00GK103619118SQ201310687284
【公開(kāi)日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】曾明, 盛政明, 陳民, 張 杰 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)