基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法

摘要

本发明公开了一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，包括真空靶室系统及设置在所述的真空靶室系统内侧的复合结构靶，所述的复合结构靶包括靶框及设置在靶框一侧的金属钽柱，在所述的靶框远离所述的金属钽柱一端覆盖有低密度碳氢层，在所述的金属钽柱与所述的靶框之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层厚度为10μm，平均密度为5mg/cm

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法，它可以作为高性能伽马射线源应用于高能量密度物理，材料状态检测以及癌症治疗等领域。

背景技术

紧聚焦短脉冲高能电子束与高Z金属材料相互作用可以产生脉冲式伽马射线源，这种源具有空间尺寸小（约数十微米）、发散度小（毫弧度量级）、能量高（光子能量可达MeV）等优点，因而在以下方面有十分巨大的应用前景：1)正电子产生；2)高Z元素金属材料照相，探测高Z材料内部特性。这种新型超快紧聚焦脉冲式伽马射线源研究引起了世界各国科学家的极大兴趣。

一般认为，超强激光与近临界密度等离子体相互作用可以产生大电荷量的高能电子束。将激光与近临界密度等离子体所产生的电子束注入到高Z金属转换体中，从而产生高亮度的伽马射线源。

在先技术[1]：采用经过特殊设计的小尺寸超声速喷嘴喷气可以产生近临界密度等离子体。例如，对于直径0.5毫米的喷嘴，当气体的背压为300-400bar时，喷出的氦气密度为10²¹/cm^{3>，全离化后相应的等离子体密度为2×1020/cm3。小尺寸超声速喷嘴喷出氦气全电离后的等离子体密度接近临界密度。该喷嘴可以安全地工作在高真空环境下，不会给涡轮分子泵太高的负载以免损坏涡轮分子泵。喷嘴产生的临界密度等离子体的密度比较均匀，但是也有几个明显缺点，主要是喷嘴等配气结构复杂，系统庞大，不利于某些场合的应用。此外，即使是小尺寸喷嘴，形成的近临界密度等离子体的尺寸仍然较大，为数毫米。法国科学家Y.>18}/cm³），焦斑大小为18μm，获得了电荷量为1.6nC（能量大于2MeV）的高能电子束，将其注入到厚度为2.5mm的钽柱中，钽柱放置在喷嘴后3mm处。最终获得的最大光子能量可超过140MeV。

在先技术[2]：通过调节预脉冲或者自发放大辐射的参数来进行控制等离子体自身膨胀的方式也可以产生具有一定密度梯度标长的近临界密度等离子体。Yogo等人证明采用调整普克尔盒的方式调整自发放大辐射持续时间范围0.5-5ns可以产生近临界密度等离子体。例如，激光功率密度为1.5×10¹⁹W/cm²，主脉冲前10ps处的自发放大辐射强度对比度为2×10⁵时，自发放大辐射入射到7.5μm厚的聚酰亚胺薄膜上可产生最高密度2×10²²/cm³的等离子体。美国劳伦斯利弗莫尔实验室的陈慧，使用功率密度为10¹²->14W/cm²预脉冲直接作用在1mm厚的金盘靶上，实验中产生了标尺长度20-50μm的预等离子体。激光主脉冲和其相互作用后的高能电子进入金盘靶内部后，最终产生能量为数十MeV的伽马光子。不过，这一技术所产生的等离子体密度仍然偏高，密度为临界密度的10倍左右，不利于产生空间发散角小的高能电子束，也就不利于控制伽马射线源的空间尺寸。

在先技术[3]：采用ns长脉冲烧蚀块状泡沫。一般采用的是2倍频或者3倍频ns钕玻璃激光来烧蚀块状泡沫材料以产生近临界等离子体。例如采用多束经过KPP束匀滑的三倍频激光入射C₁₅H₂₀O₆泡沫中，泡沫靶的直径为2.5mm，长度为500μm。平均每束激光能量在200-400J，脉冲长度为3ns，根据局域热平衡模型(LTE)获得的等离子体电子温度在1.3keV左右。对于ns长脉冲烧蚀块状泡沫的方式，光束的口径较大，因而所需的ns激光能量仍然较大。

上述三种在先技术所形成的近临界密度等离子体不是尺寸过大，就是密度过高，不利于激光在其中的稳定传输，进而导致不利于产生高亮度紧聚焦短脉冲伽马射线源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法。

本发明通过以下技术方案实现：

基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，包括真空靶室系统及设置在所述的真空靶室系统内侧的复合结构靶，所述的复合结构靶包括靶框及设置在靶框一侧的金属钽柱，在所述的靶框远离所述的金属钽柱一端覆盖有低密度碳氢层，在所述的金属钽柱与所述的靶框之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层厚度为10μm，平均密度为5mg/cm³，所述的靶框为非金属制成。

本发明中，在激光主脉冲到达之前，激光预脉冲将在低密度碳氢层的趋肤深度内被大量吸收，通过碰撞吸收和参量吸收等方式烧蚀离化材料。本发明中采用超薄低密度碳氢层，由于泡沫的平均密度较低，因此烧蚀速率高。主脉冲到达之前，持续时间为纳秒量级的激光预脉冲所产生的烧蚀波将超薄碳氢层充分离化，形成等离子体。整个碳氢层物质在烧蚀波的作用下，几乎都被加热到KeV的温度。等离子体在如此高温下，将向低密度碳氢层前后的真空膨胀。膨胀后的等离子体密度接近临界密度并进入靶框与金属钽柱所形成的密闭空间。因此金属钽柱之前可以形成一段小尺寸近临界密度等离子体。

激光主脉冲到达后，将和膨胀后的近临界密度等离子体相互作用。由于激光主脉冲功率密度大于相对论自透明阈值。激光束将发生相对论自聚焦和有质动力自聚焦。高斯激光束在等离子体中传输时，激光的有质动力径向将电子从中间区域排开，形成等离子体通道。等离子体通道中，由于电子被有质动力推开，形成准静态的径向电荷分离场，电场方向为径向。沿着通道壁的回流电子将产生准稳态的角向磁场。相对论电子被准静态电磁场束缚在等离子体通道内并和激光一起沿轴向前运动，同时电子在横向以频率ωp/2作回旋振荡。激光和电子间共振地交换能量，电子在激光场中冲浪，具有合适相位的电子将不断地从激光场中提取平均振荡能。经历多次共振后，电子将获得非常高的能量增益，形成准直的大电荷量的高能电子束，电子束的平均温度可达数个MeV。

该准直高能电子束随后进入靶框后的金属钽柱内，通过轫致辐射转换为伽马射线光子。光子能量为主要在MeV量级。考虑到准静态电磁场束缚作用，入射电子束的空间发散角很小，从而可以产生紧聚焦的伽马射线源。

由于点源投影照相的图像空间分辨率在很大程度上取决于源的大小，本发明伽马射线的产生来自于高能电子的轫致辐射。考虑到激光在等离子体传输过程的不稳定性，有必要获得小尺寸的近临界密度等离子体。和在先技术[1]相比，等离子体尺寸大大减小，抑制了激光传输不稳定性，有利于控制电子束的尺寸从而控制伽马射线源的尺寸。此外，准静态电磁场的束缚作用进一步减小了高能电子的发散角以及伽马射线源的空间尺寸。

等离子体密度的过高或者过低，都会影响到电子束平均温度，进而影响伽马射线的能量。根据强激光与近临界密度等离子体相互作用理论，等离子体密度在ne=>21/cm³时，激光在等离子体中传输的过程中，考虑到激光的群速度和电子运动的速度相近，因此，激光可以通过Betatron共振的方式将电子加速到非常高的能量，所产生的高能电子电量可达数十nC。可以预计，电子到光子的转换率是一定的，与在先技术[1]相比，伽马光子的数量大幅增加，即源亮度更高。

和在先技术[1-3]相比，本发明由于不需要庞大复杂的超声速气体喷嘴以及配气装置，也不需要单独的ns激光束，大幅降低了伽马射线源的建设成本和运行成本。

进一步的，为更好地实现本发明，所述的金属钽柱的直径为0.5mm，厚度为0.5mm。

进一步的，为更好地实现本发明，所述的靶框厚度为100-200μm。

进一步的，为更好地实现本发明，所述的真空靶室系统包括铅屏蔽层及设置在所述的铅屏蔽层内侧的激光束聚焦装置，所述的复合结构靶位于所述的铅屏蔽层内侧。

进一步的，为更好地实现本发明，在所述的复合结构靶下方设置有电子束偏转磁环，在所述的电子束偏转磁环下方设置有样品台。

进一步的，为更好地实现本发明，在所述的铅屏蔽层外侧设置有射线源点投影成像记录设备，所述的复合结构靶，样品台, 射线源点投影成像记录设备中心线等高。

进一步的，为更好地实现本发明，在所述的铅屏蔽层一侧设置有望远瞄准系统。

进一步的，为更好地实现本发明，本发明还公开了一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源产生方法，包括以下步骤：

S1：将复合结构靶安装在真空靶室系统内部，使厚度为10μm、平均密度为5mg/cm³的低密度碳氢层通过靶框覆盖在金属钽柱之前形成复合结构靶，使金属钽柱与靶框之间存在密闭空腔；

S2：在真空靶室系统内侧设置激光束聚焦装置用于对激光束进行聚焦；

S3：采用功率密度为10¹⁴W/cm²的激光预脉冲，利用激光束聚焦装置将激光聚焦到低密度碳氢层上，使激光预脉冲在临界面处被大量吸收，通过碰撞吸收和参量吸收方式烧蚀离化材料，对于密度大于临界面的地方，预脉冲形成的烧蚀波通过电子热传导的方式将碳氢层离化形成等离子体；

S4：采用功率密度为10¹⁹-10²⁰W/cm²的激光主脉冲，利用激光束聚焦装置将激光主脉冲聚焦到低密度碳氢层上，在等离子体内部传输形成等离子体通道，最终产生伽马射线源。

进一步的，为更好地实现本发明，所述的步骤S3中激光预脉冲持续时间为1ns。

进一步的，为更好地实现本发明，所述的步骤S3中离子体密度为n_e=>21/cm³。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明相比现有技术的其他激光伽马射线源相比，具有源尺寸小、源亮度高、成本低等优点。

附图说明

附图1为激光紧聚焦伽马射线源装置布局示意图；

附图2为复合结构靶主视图；

附图3为复合结构靶俯视图；

附图4为附图3A-A向剖视图。

附图标记：101.真空靶室系统，102.铅屏蔽层，103.激光束聚焦装置，104.复合结构靶，105.望远瞄准系统，106.电子束偏转磁环，107.样品台，108.射线源点投影成像记录设备，201.低密度碳氢层，202.靶框，203.金属钽柱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细介绍，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

如图1-4所示，本发明射线源包括由真空靶室系统101，铅屏蔽层102，激光束聚焦装置103，靶控制系统以及复合结构靶104，望远瞄准系统105，电子束偏转磁环106，样品台107。激光束及其聚焦装置103，复合结构靶104，样品台107, 射线源点投影成像记录设备107中心线等高。复合结构靶104, 成像记录设备108同轴。复合结构靶由超薄低密度碳氢层201、靶框202、金属钽柱203等部件构成。超薄低密度碳氢层厚度为10μm，平均密度为5mg/cm³。整个超薄低密度碳氢层通过靶框覆盖在金属钽柱之前，靶框的材质为非金属。金属钽柱的直径为0.5mm，厚度也同为0.5mm。

激光主脉冲的功率密度10¹⁹-10²⁰W/cm²，激光预脉冲与激光主脉冲之间的对比度10⁵，相应激光预脉冲功率密度为10¹⁴W/cm²。激光通过靶室内的离轴抛物面镜聚焦到复合结构靶的碳氢层上。

激光预脉冲将在临界面处被大量吸收，通过碰撞吸收和参量吸收等方式烧蚀离化材料。

对于密度大于临界面的地方，预脉冲形成的烧蚀波通过电子热传导的方式将碳氢层离化形成等离子体。

由于采用超薄低密度碳氢层，碳氢层平均密度较低，仅为5mg/cm³，等离子体内的温度下降很慢，可以保证在主脉冲到达之前，持续时间为纳秒量级的激光预脉冲将超薄碳氢层充分离化。

整个碳氢层物质在烧蚀波的作用下都被加热到KeV的温度，形成等离子体。等离子体在如此高温下，将向碳氢层前后的真空膨胀。对于碳氢泡沫层，预脉冲持续1ns，等离子体可以前后各膨胀100μm左右，膨胀后的等离子体密度接近临界密度（最终的等离子体密度约为n_e=>21/cm³）。膨胀后的等离子体进入靶框（厚度取200μm）与金属钽柱所形成的密闭空间。

激光主脉冲到达后，在等离子体内部传输，形成等离子体通道。

等离子体通道中，由于电子被有质动力推开，形成准静态的径向电荷分离场，电场方向为径向。沿着通道壁的回流电子将产生准稳态的角向磁场。相对论电子被准静态电磁场束缚在等离子体通道内并和激光一起沿轴向前运动，同时电子在横向以频率ωp/2作回旋振荡。激光和电子间共振地交换能量，电子在激光场中冲浪，具有合适相位的电子将不断地从激光场中提取平均振荡能。经历多次Betatron共振共振后，电子将获得非常高的能量增益，电子束的平均温度可达10MeV，电荷量为15nC。

此外，等离子体中存在的准稳态磁场的大小为数十兆高斯，足以将产生的电子束准直到几度的发散角。最终所产生的伽马射线源的光斑大小小于100μm。