基于激光加速器的单粒子效应测试装置

摘要

一种基于激光加速器的单粒子效应测试装置，包括飞秒激光装置、激光传输系统、激光聚焦系统、离子加速系统、离子束整形聚焦系统、单粒子效应测试系统和真空靶室系统。飞秒激光装置产生的激光脉冲经过激光传输和聚焦系统后，聚焦到离子加速系统的加速靶上产生高能离子束，利用离子束整形聚焦系统将离子束整形聚焦，传输到单粒子效应测试系统，实现单粒子效应测试。本发明将激光驱动加速的离子应用到了单粒子效应测试领域，该装置具有台式化、调向灵活、粒子种类丰富、宽能谱、能量可控等特点，可用于空间辐射环境模拟等应用。

说明书

技术领域

本发明涉及激光等离子体作用和单粒子效应领域，尤其涉及一种基于激光加速器的单粒子效应测试装置。

背景技术

银河宇宙射线、太阳宇宙射线、及地球辐射带中的高能粒子入射到电子器件中，与器件发生相互作用产生电子空穴对或原子位移损伤，引发器件的辐射效应，单粒子效应是一种常见的辐射效应。目前单粒子效应的实验研究主要采取空间搭载和地面模拟两种途径。空间搭载方法是把专用于研究单粒子效应的设备放在航天器上，测试器件的抗辐射特性；数据真实而且有效，但实验费用高，周期长。地面模拟单粒子效应主要采用传统加速器模拟和脉冲激光的方式。传统加速器可以加速的离子种类多，能量和通量都比较高，研究周期短，实验条件可控；但不能完全模拟宇宙辐射环境，且整个装置体积较大。激光器模拟是用脉冲激光辐照器件，也可以导致单粒子效应，但与离子导致的单粒子效应的物理机理不同。

随着高功率激光技术的发展，出现了利用激光产生的极端强场对粒子进行加速的概念，其加速效率是传统粒子加速器高几个量级以上，目前已经可以在毫米级加速距离上产生GeV级的高能电子束和近百MeV的高能质子束，并有望在未来获得GeV级的高能质子束。基于激光的加速器可以实现台式化，成本较低、体积较小；且容易通过改变激光系统的参数来控制和调整高能离子束的种类、能量、出射方向和发散度。强激光驱动高能粒子束具有粒子种类丰富、束流大、峰值强度高的特点，更接近宇宙辐射环境。

发明内容

本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于激光加速器的单粒子效应测试装置。该发明应具有台式化、宽能谱、粒子种类丰富、能量可控、调向灵活等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于激光加速器的单粒子效应测试装置，包括飞秒激光装置、激光传输系统、激光聚焦系统、离子加速系统、离子束整形聚焦系统、单粒子效应测试系统和真空靶室系统。其位置关系是：飞秒激光装置产生飞秒激光脉冲，经激光传输系统反射到激光聚焦系统，进一步被聚焦到离子加速系统，加速产生高能离子束，沿着高能离子束出射方向放置离子束整形聚焦系统，离子束整形系统的焦点附近放置单粒子效应测试系统。激光传输系统、激光聚焦系统、离子加速系统、离子束整形聚焦系统安装在所述真空靶室系统中。

飞秒激光装置为百太瓦到百拍瓦的激光装置，能够产生脉宽数十飞秒、光束直径大于十厘米的激光脉冲。

激光传输系统是由反射镜组构成，能够实现飞秒激光脉冲的传播。

激光聚焦系统为离轴抛物面镜，实现激光脉冲的聚焦。

离子束加速系统由加速靶及平移台构成，加速靶可以是纳米靶或者微米靶，平移台可以调节加速靶到聚焦位置，实现离子束加速。

离子束整形传输系统包括磁透镜组、真空管道和铍窗法兰，可以实现离子束的整形、聚焦，并传输到真空靶室外。

单粒子效应测试系统包括测试芯片、子板、主板及电脑。测试芯片插在子板上且置于离子束聚焦焦点位置，子板与主板通过排线连接，主板与电脑通过USB通信。

本发明有以下几个方面的优点：

1.台式化：激光加速器的加速梯度是传统加速器的4-5个数量级，离子束可以在很短的距离获得很大的能量，可以实现台式化离子加速器及单粒子效应测试平台，体积小，成本较低。

2.离子能量和种类可控：通过改变激光脉冲能量、脉宽等参数和加速靶的参数，可以控制和调整高能离子束的种类、能谱和发散度。

3.更接近宇宙辐射环境：激光加速器有几个特点，一是离子束宽能谱，可以模拟空间辐射环境中的离子分布；二是质子、重离子、射线、电子等可以同时产生，能够用于协同效应研究。

4.调向灵活：通过调节激光脉冲传输方向来控制产生离子束的出射方向，调节方便灵活，有助于本发明应用单粒子效应测试领域。

附图说明

图1基于激光加速器的单粒子效应测试装置的结构示意图

具体实施方式

为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。

先请参阅图1，图1为基于激光加速器的单粒子效应测试装置的结构示意图，由图可见，基于激光加速器的单粒子效应测试装置包括飞秒激光装置1、激光传输系统2、激光聚焦系统3、离子加速系统4、离子束整形聚焦系统5、单粒子效应测试系统6和真空靶室系统7。其位置关系是：所述飞秒激光装置1产生脉宽数十飞秒、光束直径数十厘米的所述激光脉冲101，所述激光脉冲101经所述激光传输系统2反射后入射到所述激光聚焦系统3，然后被聚焦到所述离子加速系统4的加速靶401上，加速产生高能离子束403，所述加速靶401由平移台402移动位置。所述高能离子束403入射到所述离子束整形聚焦系统5，首先经过磁透镜组501整形，整形后的准单能离子束502在真空管503传输，透过铍窗法兰504后聚焦到所述单粒子效应测试系统6。所述单粒子效应测试系统6的测试芯片601放置在离子束502焦点位置处，所述测试芯片601安装在子板602上，所述子板602通过排线与主板603连接，所述主板603通过USB线缆与电脑604通信。所述激光传输系统2、激光聚焦系统3、离子加速系统4、离子束整形聚焦系统5安装在所述真空靶室系统7中。当需要进行宽能谱离子束、或者多种类型粒子协同作用的效应研究时，可以将离子束整形聚焦系统5移走，保留铍窗法兰504。当需要在真空中进行实验时，可以只将测试芯片601和子板602放置在真空中，主板603放置在靶室外，铍窗法兰504换成带真空插头的法兰；通过真空插头转接，实现子板602与主板603连接。

下面介绍一个具体的实例：基于数百TW飞秒激光加速的质子辐照单粒子效应测试系统，研究单粒子效应中最常见的单粒子翻转。飞秒激光装置1产生波长800nm、能量15J、脉宽34fs、光束直径150mm的激光脉冲，经激光传输系统2反射后，入射到激光聚焦系统3。激光聚焦系统3为离轴角26度的f/4抛物面镜。离轴抛物面镜将光束直径150mm的激光脉冲聚焦到离子加速系统4的2微米铝靶401，通过靶后鞘层场加速得到能谱呈麦克斯韦分布、截止能量为22MeV的质子束403。该质子束入射到离子束整形传输系统5，这里整形传输系统是针对10MeV质子束整形聚焦。该质子束经过3个磁透镜组501整形后，聚焦在靶后2.5m的位置获得10MeV的准单能质子束，焦点尺寸1.02*2.04mm

上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。