等离子体级联激光离子加速装置

摘要

本发明公开一种等离子体级联激光离子加速装置，包括主支架、喷嘴、供气装置、气体、靶支架、固体靶、真空室、激光器和离轴抛物镜，主支架、喷嘴、靶支架、固体靶和离轴抛物镜处于真空室内，主支架上设置有激光通道和喷气通道，在喷气通道的上端设置有喷嘴，喷嘴与外部供气装置相连通，靶支架通过螺纹与主支架固定连接，激光通道的一端为激光入射口，激光通道的另一端为靶支架，靶支架的入口设置有固体靶。激光器输出的激光脉冲经离轴抛物镜聚焦在喷气通道边沿，电离气体并通过激光直接加速机制产生相对论电子，在固体靶后形成更强的静电场，离子获得更高效率加速。本发明具有结构简单、操作方便和能量转换效率高的特点。

说明书

技术领域

本发明涉及激光离子加速领域，尤其涉及一种等离子体级联激光离子加速装置。

背景技术

由于激光技术的迅速发展，已经可以利用超强激光脉冲与固体靶相互作用产生高能离子束，这使得建造新一代紧凑、造价相对低廉的小型化激光离子加速器成为可能，从而进一步促进肿瘤离子束治疗和PET诊断等应用。在2006年，Nature期刊上发表了基于靶后壳层加速机制的激光离子加速开创性实验结果。根据靶后壳层加速机制，激光脉冲与固体靶相互作用产生能谱呈指数衰减的热电子，透过靶的热电子在靶后形成静电场，离子在该静电场中可以获得加速。然而，该加速静电场的大小直接由热电子能谱分布来定标，特别是受热电子能谱中高能部分电子分布情况的影响很大；考虑到热电子来源于激光的作用，离子束的最大能量与激光强度的平方根成正比，这使得利用常规靶后壳层加速机制难以高效增大离子束能量。而变化固体靶结构等措施虽然可以改善离子束能谱分布，但不能从根本上改变离子束能谱的定标率；同时，由于预脉冲在固体靶表面产生预等离子体，许多固体靶中采用的微结构并不一定可行。与靶后壳层加速机制相比，激光辐射压加速机制有更高的能量转换效率，可以极大地提高离子束能量，然而该机制要求预脉冲强度足够小，这就要求激光脉冲有足够好的脉冲对比度，在更高激光强度时尤为困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种等离子体级联激光离子加速装置。该发明应具有结构简单、原理清晰、操作方便和能量转换效率提高的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种等离子体级联激光离子加速装置，包括主支架、喷嘴、供气装置、气体、靶支架、固体靶、真空室、激光器和离轴抛物镜，主支架、喷嘴、靶支架、固体靶和离轴抛物镜设置在真空室内，主支架上设置有激光通道和喷气通道，喷气通道的上端设置有喷嘴，喷嘴与外部供气装置相连通并向喷气通道内喷射气体，靶支架（5）通过螺纹与主支架固定连接，激光通道的一端为激光入射口，激光通道的另一端为靶支架，靶支架的入口设置有固体靶，激光器输出的激光脉冲经离轴抛物镜聚焦在喷气通道左侧边沿，电离的气体产生近临界密度或低密度等离子体，并通过激光直接加速机制产生相对论电子，通过相对论性自导引，相对论强度的激光脉冲继续与固体靶相互作用产生热电子，在固体靶后形成更强的静电场，产生被更高效率加速的离子束。

为实现本发明进一步优化，进一步的措施是：所述的主支架和靶支架由亚克力玻璃材料制成，主支架和靶支架的形状为空心圆柱型。所述的激光通道的孔径尺寸为0.1mm-5mm。所述的喷气通道的孔径尺寸为0.1mm-3mm。所述的激光器为CPA激光系统，输出的激光脉冲的脉宽为30fs-500fs，聚焦后的激光束宽为3μm-30μm，归一化矢势振幅大小为3-30。所述的气体为氢气或氦气或氧气或氮气或氩气。所述的固体靶为金或铜或铝或钯制成的单层金属薄片。固体靶的金属薄片上覆盖有聚乙烯薄膜或金属氧化物薄层。固体靶的厚度为1μm-200μm。

本发明的原理如下：

在激光离子靶后壳层加速机制中，离子束能量直接取决于热电子在靶后所建立的静电场的大小。激光器输出的激光脉冲经离轴抛物镜聚焦在喷气通道左侧边沿，在主脉冲之前，预脉冲能部分地电离气体但由于衍射效应将发散掉；主脉冲前沿将进一步电离的气体产生近临界密度或低密度等离子体，并通过激光直接加速机制产生相对论电子，同时，由于相对论性自导引，依然是相对论强度的主脉冲继续与固体靶相互作用继续产生热电子。从而使得更大量电子分布在热电子能谱的高能尾部，在固体靶后形成更强的静电场，离子在该静电场中可以获得更高效率的加速，增大离子束能量。

本发明的优点： 

1、可以有效消除预脉冲的影响，可使各种微结构靶更为有效。

2、通过等离子体级联，可以在电离气体段灵活控制产生适当长度和密度的等离子体，更有效利用激光直接加速机制产生相对论性电子。

3、可以使得更大量电子分布在热电子能谱的高能尾部，在固体靶后形成更强的离子加速静电场。 

4、本发明具有结构简单、原理清晰、操作方便、能量转换效率高的特点。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明等离子体级联激光离子加速装置的结构示意图。

图中：1、主支架，2、喷嘴，3、供气装置，4、气体，5、靶支架，6、固体靶，7、真空室， 8、激光器，9、离轴抛物镜，101、激光通道，102、喷气通道，801、激光脉冲。

具体实施方式

参见附图1：一种等离子体级联激光离子加速装置，包括主支架1、喷嘴2、供气装置3、气体4、靶支架5、固体靶6、真空室7、激光器8和离轴抛物镜9，主支架1、喷嘴2、靶支架5、固体靶6和离轴抛物镜9设置在真空室7内，主支架1上设置有激光通道101和喷气通道102，喷气通道102的上端设置有喷嘴2，喷嘴2与外部供气装置3相连通并向喷气通道102内喷射气体4，靶支架5通过螺纹与主支架1固定连接，激光通道101的一端为激光入射口，激光通道101的另一端为靶支架5，靶支架5的入口设置有固体靶6，激光器8输出的激光脉冲801经离轴抛物镜9聚焦在喷气通道102左侧边沿，电离的气体4产生近临界密度或低密度等离子体，并通过激光直接加速机制产生相对论电子，通过相对论性自导引，相对论强度的激光脉冲继续与固体靶6相互作用产生热电子，在固体靶6后形成更强的静电场，产生被更高效率加速的离子束。所述的主支架1和靶支架5由亚克力玻璃材料制成，主支架1和靶支架5的形状为空心圆柱型。所述的激光通道101的孔径尺寸为0.1mm-5mm。所述的喷气通道102的孔径尺寸为0.1mm-3mm。所述的激光器8为CPA激光系统，输出的激光脉冲的脉宽为30fs-500fs，聚焦后的激光束宽为3μm-30μm，归一化矢势振幅大小为3-30。所述的气体4为氢气或氦气或氧气或氮气或氩气。所述的固体靶6为金或铜或铝或钯制成的单层金属薄片。固体靶6的金属薄片上覆盖有聚乙烯薄膜或金属氧化物薄层。固体靶6的厚度为1μm-200μm。

实施例：通过靶支架5通过与主支架1之间的螺纹，旋进或旋出靶支架5，使得靶支架5的入口处的固体靶6刚好处在喷气通道102的边沿，由喷嘴2向喷气通道102内喷射气体4，形成了由相对低密气体4和高密固体靶6级联在一起的结构，可以通过变化喷气通道102的孔径来改变气体4的宽度。激光器8输出的激光脉冲801经离轴抛物镜9聚焦在喷气通道102左侧边沿，在主脉冲之前，预脉冲能部分电离的气体4但由于衍射效应将发散掉；主脉冲前沿进一步电离的气体4产生近临界密度或低密度等离子体，并通过激光直接加速机制产生相对论电子，同时，由于相对论性自导引，依然是相对论强度的主脉冲继续与固体靶6相互作用继续产生热电子。这些相对论电子和热电子透过固体靶6，在固体靶6后形成在高能尾部聚集大量电子的电子能谱分布状态，从而极大地增强固体靶6后的静电场，离子在该静电场中获得更高效率的加速以及能量增益。

在本实施例中，固体靶6表面与激光束传播方向垂直，可以通过改变靶支架5的端面，使得固体靶6表面与激光束传播方向成一倾角，固体靶6表面可以是平面或具有凸起、凹陷的微结构靶。本发明具有结构简单、操作方便、能量转换效率高的特点，可以用于小型化的激光离子加速器。