等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，包括主支架、噴嘴、供氣裝置、氣體、靶支架、固體靶、真空室、激光器和離軸拋物鏡，主支架、噴嘴、靶支架、固體靶和離軸拋物鏡處于真空室內(nèi)，主支架上設置有激光通道和噴氣通道，在噴氣通道的上端設置有噴嘴，噴嘴與外部供氣裝置相連通，靶支架通過螺紋與主支架固定連接，激光通道的一端為激光入射口，激光通道的另一端為靶支架，靶支架的入口設置有固體靶。激光器輸出的激光脈沖經(jīng)離軸拋物鏡聚焦在噴氣通道邊沿，電離氣體并通過激光直接加速機制產(chǎn)生相對論電子，在固體靶后形成更強的靜電場，離子獲得更高效率加速。本實用新型具有結構簡單、操作方便和能量轉換效率高的特點。
【專利說明】等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及激光離子加速領域，尤其涉及一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置。

【背景技術】
[0002]由于激光技術的迅速發(fā)展，已經(jīng)可以利用超強激光脈沖與固體靶相互作用產(chǎn)生高能離子束，這使得建造新一代緊湊、造價相對低廉的小型化激光離子加速器成為可能，從而進一步促進腫瘤離子束治療和PET診斷等應用。在2006年，Nature期刊上發(fā)表了基于靶后殼層加速機制的激光離子加速開創(chuàng)性實驗結果。根據(jù)靶后殼層加速機制，激光脈沖與固體靶相互作用產(chǎn)生能譜呈指數(shù)衰減的熱電子，透過靶的熱電子在靶后形成靜電場，離子在該靜電場中可以獲得加速。然而，該加速靜電場的大小直接由熱電子能譜分布來定標，特別是受熱電子能譜中高能部分電子分布情況的影響很大；考慮到熱電子來源于激光的作用，離子束的最大能量與激光強度的平方根成正比，這使得利用常規(guī)靶后殼層加速機制難以高效增大離子束能量。而變化固體靶結構等措施雖然可以改善離子束能譜分布，但不能從根本上改變離子束能譜的定標率；同時，由于預脈沖在固體靶表面產(chǎn)生預等離子體，許多固體靶中采用的微結構并不一定可行。與靶后殼層加速機制相比，激光輻射壓加速機制有更高的能量轉換效率，可以極大地提高離子束能量，然而該機制要求預脈沖強度足夠小，這就要求激光脈沖有足夠好的脈沖對比度，在更高激光強度時尤為困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置。該發(fā)明應具有結構簡單、原理清晰、操作方便和能量轉換效率提高的特點。
[0004]本實用新型的技術解決方案如下:
[0005]一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，包括主支架、噴嘴、供氣裝置、氣體、靶支架、固體靶、真空室、激光器和離軸拋物鏡，主支架、噴嘴、靶支架、固體靶和離軸拋物鏡設置在真空室內(nèi)，主支架上設置有激光通道和噴氣通道，噴氣通道的上端設置有噴嘴，噴嘴與外部供氣裝置相連通并向噴氣通道內(nèi)噴射氣體，靶支架(5)通過螺紋與主支架固定連接，激光通道的一端為激光入射口，激光通道的另一端為靶支架，靶支架的入口設置有固體靶，激光器輸出的激光脈沖經(jīng)離軸拋物鏡聚焦在噴氣通道左側邊沿，電離的氣體產(chǎn)生近臨界密度或低密度等離子體，并通過激光直接加速機制產(chǎn)生相對論電子，通過相對論性自導引，相對論強度的激光脈沖繼續(xù)與固體靶相互作用產(chǎn)生熱電子，在固體靶后形成更強的靜電場，產(chǎn)生被更高效率加速的離子束。
[0006]為實現(xiàn)本實用新型進一步優(yōu)化，進一步的措施是:所述的主支架和靶支架由亞克力玻璃材料制成，主支架和靶支架的形狀為空心圓柱型。所述的激光通道的孔徑尺寸為
0.lmm-5mm。所述的噴氣通道的孔徑尺寸為0.lmm-3mm。所述的激光器為CPA激光系統(tǒng)，輸出的激光脈沖的脈寬為30fs-500fs，聚焦后的激光束寬為3 μπι-30 μπι，歸一化矢勢振幅大小為3-30。所述的氣體為氫氣或氦氣或氧氣或氮氣或氬氣。所述的固體靶為金或銅或鋁或鈀制成的單層金屬薄片。固體靶的金屬薄片上覆蓋有聚乙烯薄膜或金屬氧化物薄層。固體革巴的厚度為I U m-200 μ m。
[0007]本實用新型的原理如下:
[0008]在激光離子靶后殼層加速機制中，離子束能量直接取決于熱電子在靶后所建立的靜電場的大小。激光器輸出的激光脈沖經(jīng)離軸拋物鏡聚焦在噴氣通道左側邊沿，在主脈沖之前，預脈沖能部分地電離氣體但由于衍射效應將發(fā)散掉；主脈沖前沿將進一步電離的氣體產(chǎn)生近臨界密度或低密度等離子體，并通過激光直接加速機制產(chǎn)生相對論電子，同時，由于相對論性自導引，依然是相對論強度的主脈沖繼續(xù)與固體靶相互作用繼續(xù)產(chǎn)生熱電子。從而使得更大量電子分布在熱電子能譜的高能尾部，在固體靶后形成更強的靜電場，離子在該靜電場中可以獲得更高效率的加速，增大離子束能量。
[0009]本實用新型的優(yōu)點:
[0010]1、可以有效消除預脈沖的影響，可使各種微結構靶更為有效。
[0011]2、通過等離子體級聯(lián)，可以在電離氣體段靈活控制產(chǎn)生適當長度和密度的等離子體，更有效利用激光直接加速機制產(chǎn)生相對論性電子。
[0012]3、可以使得更大量電子分布在熱電子能譜的高能尾部，在固體靶后形成更強的離子加速靜電場。
[0013]4、本實用新型具有結構簡單、原理清晰、操作方便、能量轉換效率高的特點。
[0014]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置的結構示意圖。
[0016]圖中:1、主支架，2、噴嘴，3、供氣裝置，4、氣體，5、靶支架，6、固體靶，7、真空室，8、激光器，9、離軸拋物鏡，101、激光通道，102、噴氣通道，801、激光脈沖。

【具體實施方式】
[0017]參見附圖1:一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，包括主支架1、噴嘴2、供氣裝置3、氣體4、靶支架5、固體靶6、真空室7、激光器8和離軸拋物鏡9，主支架1、噴嘴2、靶支架5、固體靶6和離軸拋物鏡9設置在真空室7內(nèi)，主支架I上設置有激光通道101和噴氣通道102，噴氣通道102的上端設置有噴嘴2，噴嘴2與外部供氣裝置3相連通并向噴氣通道102內(nèi)噴射氣體4，靶支架5通過螺紋與主支架I固定連接，激光通道101的一端為激光入射口，激光通道101的另一端為靶支架5，靶支架5的入口設置有固體靶6，激光器8輸出的激光脈沖801經(jīng)離軸拋物鏡9聚焦在噴氣通道102左側邊沿，電離的氣體4產(chǎn)生近臨界密度或低密度等離子體，并通過激光直接加速機制產(chǎn)生相對論電子，通過相對論性自導引，相對論強度的激光脈沖繼續(xù)與固體靶6相互作用產(chǎn)生熱電子，在固體靶6后形成更強的靜電場，產(chǎn)生被更高效率加速的離子束。所述的主支架I和靶支架5由亞克力玻璃材料制成，主支架I和革E支架5的形狀為空心圓柱型。所述的激光通道101的孔徑尺寸為0.lmm-5mm。所述的噴氣通道102的孔徑尺寸為0.lmm-3mm。所述的激光器8為CPA激光系統(tǒng)，輸出的激光脈沖的脈寬為30fs-500fs，聚焦后的激光束寬為3μπι-30μπι，歸一化矢勢振幅大小為3-30ο所述的氣體4為氫氣或氦氣或氧氣或氮氣或氬氣。所述的固體靶6為金或銅或鋁或鈀制成的單層金屬薄片。固體靶6的金屬薄片上覆蓋有聚乙烯薄膜或金屬氧化物薄層。固體革巴6的厚度為I μ m-200 μ m。
[0018]實施例:通過靶支架5通過與主支架I之間的螺紋，旋進或旋出靶支架5，使得靶支架5的入口處的固體靶6剛好處在噴氣通道102的邊沿，由噴嘴2向噴氣通道102內(nèi)噴射氣體4，形成了由相對低密氣體4和高密固體靶6級聯(lián)在一起的結構，可以通過變化噴氣通道102的孔徑來改變氣體4的寬度。激光器8輸出的激光脈沖801經(jīng)離軸拋物鏡9聚焦在噴氣通道102左側邊沿，在主脈沖之前，預脈沖能部分電離的氣體4但由于衍射效應將發(fā)散掉；主脈沖前沿進一步電離的氣體4產(chǎn)生近臨界密度或低密度等離子體，并通過激光直接加速機制產(chǎn)生相對論電子，同時，由于相對論性自導引，依然是相對論強度的主脈沖繼續(xù)與固體革G 6相互作用繼續(xù)產(chǎn)生熱電子。這些相對論電子和熱電子透過固體革El 6，在固體革巴6后形成在高能尾部聚集大量電子的電子能譜分布狀態(tài)，從而極大地增強固體靶6后的靜電場，離子在該靜電場中獲得更高效率的加速以及能量增益。
[0019]在本實施例中，固體靶6表面與激光束傳播方向垂直，可以通過改變靶支架5的端面，使得固體靶6表面與激光束傳播方向成一傾角，固體靶6表面可以是平面或具有凸起、凹陷的微結構靶。本實用新型具有結構簡單、操作方便、能量轉換效率高的特點，可以用于小型化的激光離子加速器。
【權利要求】
1.一種等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置包括主支架(I)、噴嘴(2)、供氣裝置(3)、氣體(4)、靶支架(5)、固體靶(6)、真空室(7)、激光器(8)和離軸拋物鏡(9)，主支架(1)、噴嘴(2)、靶支架(5)、固體靶(6)和離軸拋物鏡(9 )設置在真空室(7 )內(nèi)，主支架(I)上設置有激光通道(101)和噴氣通道(102 )，噴氣通道(102)的上端設置有噴嘴(2)，噴嘴(2)與外部供氣裝置(3)相連通，靶支架(5)通過螺紋與主支架(I)固定連接，激光通道(101)的一端為激光入射口，激光通道(101)的另一端為靶支架(5)，靶支架(5)的入口設置有固體靶(6)。
2.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的主支架(I)和靶支架(5)由亞克力玻璃材料制成，主支架(I)和靶支架(5)的形狀為空心圓柱型。
3.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的激光通道(101)的孔徑尺寸為0.lmm-5mm。
4.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的噴氣通道(102)的孔徑尺寸為0.lmm-3mm。
5.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的激光器(8 )為CPA激光系統(tǒng)，輸出的激光脈沖的脈寬為30fs-500fs，聚焦后的激光束寬為3 μ m-30 μ m，歸一化矢勢振幅大小為3-30。
6.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的氣體(4)為氫氣或氦氣或氧氣或氮氣或氬氣。
7.根據(jù)權利要求1所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，所述的固體靶(6)為金或銅或鋁或鈀制成的單層金屬薄片。
8.根據(jù)權利要求1或權利要求7所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，固體靶(6)的金屬薄片上覆蓋有聚乙烯薄膜或金屬氧化物薄層。
9.根據(jù)權利要求1或權利要求7所述的等離子體級聯(lián)激光離子加速裝置，其特征在于，固體革巴(6)的厚度為I μπι-200 μmD
【文檔編號】H05H15/00GK204259270SQ201420803976
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月18日 優(yōu)先權日:2014年12月18日
【發(fā)明者】劉明偉, 周并舉, 張禹濤 申請人:湖南科技大學