CN103188860B - 用于产生离子加速的激光靶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于产生离子加速的激光靶。本发明的激光靶包括具有靶前表面和靶后表面的靶体及靶后离子源区，其中，所述靶后离子源区包括中间区域及边缘斜面区域，所述的中间区域的后表面垂直于靶体的中轴线，且边缘斜面区域的后表面与靶体中轴线形成倾斜的夹角。本发明基于强激光与固体靶作用在靶背面形成鞘层静电场来加速鞘层场中的离子/质子的加速原理，优化了靶前表面和靶后表面的结构，进一步提高了激光靶的加速性能，利用拍瓦级强激光脉冲与其作用，从而获得适用于医疗应用的高品质离子束/质子束。

Description

用于产生离子加速的激光靶

技术领域

本发明涉及加速器技术领域，具体地涉及一种通过强激光作用产生高品质离子束的激光靶。

背景技术

放射治疗是癌症治疗的一种常用方式，它采用各种粒子束和辐射源，譬如高能离子束、高能电子束、x射线或γ射线，通过将它们辐照在癌组织上以杀死癌细胞，达到治疗的目的。这一治疗方法的关键问题是如何将合适的辐射剂量输送到癌变组织，同时又能保证癌组织周围的健康组织不受损伤。

研究发现，与高能电子束、x射线或γ射线相比，采用高能离子束做放射治疗(通常称为强子束治疗-Hadrontherapy)有着多方面的优势。首先，离子束不会被原子中的电子强烈散射，有利于避免辐射粒子对癌组织周围健康组织的辐照从而不会对其造成损伤。其次，离子束的能量沉积在其靶点上存在一个非常尖锐的峰值(Braggpeak)，这一特点使其能在给定目标位置施以大量的辐射剂量从而达到精确定位杀死癌组织的效果。由于上述优势，采用离子束进行辐照治疗是一种十分有前途的癌症治疗方法。

目前一般认为质子束和碳离子束是比较理想的用于放射治疗的离子束。研究表明，采用离子束进行辐照治疗必须达到以下两个条件：首先单个离子的能量必须达到或超过一定的能量下限，譬如采用质子治疗(Protontherapy)需要单个质子能量达到200-250MeV，采用碳离子束治疗(Carbontherapy)需要的单个核子能量达到300-400MeV/u；其次离子束的束流强度必须达到≥10⁹/s，且其能散度应低于1％或同量级。

目前传统加速器技术已被用于产生符合癌症治疗要求的离子束，加速质子束一般采用回旋加速器，而加速碳离子束采用同步加速器。迄今为止国际上已经有近20台专门用于癌症治疗的离子束加速器，超过5万人接受了离子束治疗(其中大部分是质子束治疗)，并且更多的这类加速器在建造之中。虽然传统加速器在技术上已经能够满足医学应用的要求，但是其昂贵的造价严重阻碍了这一技术的普及。发展新的加速器技术，用比较小的造价来产生所需要的离子束，是离子束治疗获得广泛应用的关键前提。

随着高功率超短激光脉冲技术的快速发展，运用强激光与等离子体相互作用的方法产生高品质离子束获得人们的广泛关注。由于强激光与等离子体相互作用可以产生极高的加速梯度，有望以相对较低的成本，在较小的空间尺度系统内产生所需要的离子束。另外由于激光可以聚焦到几十微米甚至更小的空间尺度，因此产生的离子束具有天然的源束斑小、发散度小、方向性好等优点。上述特点使得用激光等离子体相互作用的方法产生用于肿瘤治疗的离子束具有重要的发展潜力。

在过去的十年中，人们提出了各种激光等离子体相互作用方案以得到高品质离子束。这其中包括靶后鞘层电场加速、库伦爆炸加速、无碰撞静电冲击波加速、激光辐射压加速等。

目前极大部分的实验结果是依据靶后鞘层电场加速机制得到的。如图1所示，激光11入射到固体薄膜靶12后，在前表面13形成等离子体14，并推动等离子体14中的一部分电子向靶内运动。电子束穿过靶背面15后造成电荷分离，从而建立起很强的鞘层静电场16，该鞘层静电场16直接对靶后的离子/质子17加速，从而获得离子/质子束。此种方式，因激光只与简单平面靶相互作用，所产生的靶后质子加速主要是由高能电子建立的鞘层电场加速的，其效率相对较低，迄今人们还没有在实验室获得超过100MeV的质子束。

在其他方案中，也具有如下缺点，库伦爆炸加速产生的离子束方向性不好，无碰撞静电冲击波加速只能产生几十MeV的离子。激光辐射压加速的方案从原理上看可以产生几百MeV甚至1GeV以上的质子束，但该机制需要采用厚度在几十纳米或者在趋肤深度量级的薄膜靶，这对制靶工艺和激光对比度提出了很高的要求，因而在实验上实现具有很大的技术难度。

因此，本领域迫切需要研发一种新型的激光靶，利用强激光脉冲与其作用后，能够获得可适用于医疗应用的高品质离子束/质子束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生离子加速的激光靶，基于强激光与固体靶作用在靶背面形成鞘层静电场来加速鞘层场中的离子/质子的加速原理，优化了靶前表面和后表面的结构，进一步提高了激光靶的加速性能，利用拍瓦级强激光脉冲与其作用可以获得适用于医疗应用的高品质离子束/质子束。

为解决上述技术问题，本发明的第一方面提供了一种用于产生离子加速的激光靶，包括一具有靶前表面和靶后表面的靶体和靶后离子源区，其中，所述靶后离子源区包括中间区域及边缘斜面区域，所述的中间区域的后表面垂直于(或基本垂直于)靶体的中轴线，且边缘斜面区域的后表面与靶体中轴线形成倾斜的夹角。

在另一优选例中，所述的中间区域的后表面平行于靶前表面。

在另一优选例中，所述的靶后离子源区位于(或附着于)所述靶体后表面。

在另一优选例中，所述靶后离子源区的中间区域高度小于二分之一的靶后离子源区整体高度。

在另一优选例中，所述靶后离子源区的边缘斜面区域与靶体中轴线(或其平行线)的夹角大于45度。(较佳地，所述夹角小于90度，例如50-85度，65-85度或70-85度)。

在另一优选例中，靶后离子源区中间区域截面为三角形，边缘斜面区域的截面为楔形。

在另一优选例中，靶后离子源区为质子层、富含氢元素的材料或富含碳元素的材料。

较佳地，所述富含氢元素的材料为碳氢材料。

较佳地，所述质子层或富含氢元素的材料的厚度小于入射激光波长。

在另一优选例中，还包括围绕靶前表面并可延伸至靶后表面的金属圆筒。

较佳地，圆筒长度接近激光脉冲的长度或达到20微米以上，口径与入射激光的聚焦光斑相当。

较佳地，所述金属圆筒内填充入高密度气体。

在另一优选例中，所述激光靶具有连接到靶前表面的金属锥。

较佳地，所述金属锥的横向尺度小于激光腰斑，长度大于20微米，锥角张口小于10度。

在另一优选例中，所述激光靶沿中轴线对称。

在另一优选例中，所述激光靶的整体横向尺寸与激光腰斑相当。

在另一优选例中，靶体的厚度为5-12微米。

在另一优选例中，靶体采用金属材料。

在另一优选例中，所述激光靶适用于质子及离子加速。

较佳地，用于碳离子加速时，将上述靶后离子源区的富含氢元素材料替换为富含碳的材料，并使碳为该材料中荷质比最大的元素。

本发明的第二方面提供了一种产生离子束的设备，其中，所述的设备包括上述的用于产生离子加速的激光靶。

在另一优选例中，所述的设备还包括一激光源。

在另一优选例中，所述的设备是放射性治疗设备。

本发明与现有技术相比，主要区别及其效果在于：

首先，本发明优化了靶后表面的结构，利用靶后表面不同位置所产生的不同初始条件的质子之间的库伦排斥作用，进一步压缩并推动其中沿前向传播的高能部分质子，使高能部分质子获得二次加速。采用激光强度为10²⁰W/cm²、脉宽在200fs左右的强激光脉冲与该靶作用即可产生符合癌症治疗要求的高能量、低能散、大电荷量的高品质质子束。

其次，所采用的激光靶的厚度是μm量级，对制靶工艺和激光对比度的要求相对较低，适合工业大批量制造及医疗推广应用。

再次，可在台面尺度系统内产生高品质质子束，可以明显降低获得高能质子束的成本。

附图说明

图1是现有技术中激光靶的结构和产生离子加速原理示意图；

图2是本发明激光靶的第一实施方式的结构示意图；

图3是本发明激光靶的第二实施方式的结构示意图；

图4是本发明激光靶的工作原理示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。首先需要说明的是，本发明并不限于下述具体实施方式，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。

图2示出了本发明激光靶的第一实施方式，图2是该激光靶的结构示意图。所述激光靶适用于质子及离子的加速。该激光靶包括：

靶前表面10：靶前表面10是一个平面，能够与入射的激光脉冲直接作用，产生大量的高能电子。靶前表面10的作用在于产生尽可能多的具有较好准直性的高能电子。

靶体20：靶体20是激光靶的中间部分，其中间区域的厚度为d2，较佳地，d2一般在10微米左右或者更薄，要求不被激光预脉冲击穿；其口径为w2，一般是金属材料。靶体20的作用在于使得在靶前表面10产生的高能电子尽可能有效地传输到靶后表面30。

靶后表面30：靶后表面30不是单一平面结构，其结构根据靶后离子源区40的形状而变化。其作用是在结构上支撑很薄的靶后离子源区40。

靶后离子源区40：它是附着在靶后表面30的一薄层厚度为w5的质子层或富含氢元素的材料或富含碳的材料。靶后离子源区40包括中间区域41及边缘斜面区域42，中间区域41的后表面垂直于靶体的中轴线6，且边缘斜面区域42的后表面与靶体中轴线6形成倾斜的夹角。中间区域41的口径为w4，斜面区域42与靶体中轴线之间的夹角为θ。较佳地，w4小于w2/2，θ角大于45度，一般为50-85度，w5小于入射激光波长。靶后离子源区40的作用在于提供质子源，其在靶后表面30附近的鞘层场的作用下被加速。中间区域41的质子层沿着水平方向加速，边缘区域42的质子层沿着一定角度加速，并向中心汇聚。汇聚的质子束因库伦场，进一步推动位于前面的来自中间区域41的高能部分质子，以对这些质子做进一步的加速，实现二次加速。

金属圆筒5：该金属圆筒5围绕靶前表面10，并可延伸到靶后表面30。较佳地，长度d1接近于激光脉冲的长度或达到20微米以上，口径w2与入射激光的聚焦光斑大小相当(一般在几十微米量级)，金属圆筒5的壁厚w1取入射激光波长量级或略小。另外，金属圆筒5在靶后表面30的延伸长度d3可以为0。较佳地，金属圆筒5内可以填充入高密度气体，其与强激光作用可以产生更多的超热电子，从而在靶后表面30产生更强的鞘层电场，有利于靶后表面离子源区40获得更大加速。此外，在本发明的某些其他实施方式中，也可以不具有该金属圆筒5。

较佳地，该激光靶沿中轴线6对称，整体横向尺寸与激光腰斑相当。靶体20的厚度没有特别限制，一般为3-20微米，较佳地5-12微米。靶体20一般采用金属材料。

图3示出了本发明激光靶的第二实施方式，图3是该激光靶的结构示意图。该实施方式与第一实施方式的区别在于：

激光靶具有连接到靶前表面10的金属锥7。金属锥7的壁厚度一般小于入射激光波长，长度与前面所述金属圆筒5的长度d1相当或略短，其张角一般小于10度。金属锥7的作用是产生更多的向靶内聚焦的电子束。

靶后离子源区40的中心区域41附着的质子层/富含氢元素/富含碳的材料的截面是三角形，所述中心区域41的后表面宜平行于靶前表面10。三角形中心区域41的质子层能够有效利用高能电子在靶后建立起的强鞘层静电场。离子源区40的边缘斜面区域42附着的质子层/富含氢元素的碳氢材料的截面宜为楔形，所述楔形边缘区域形成具有一定倾斜角的边缘斜面区域42。楔形截面能够使楔形尾端与中心区域41的交接面区域所产生的质子较少，不至于阻碍中心区域41较高能部分质子束的传输。

为了便于理解，提供本发明激光靶的工作原理。然而，应理解，本发明的保护范围并不受工作原理的限制。工作原理如下：参见图3，激光脉冲从左端入射，先与靶前表面10相互作用产生大量高能电子。高能电子在靶体20内传输到靶后表面30。高能电子束到达靶后表面30后形成很强的鞘层电场。该鞘层电场可以电离附着在靶后表面30的富含氢元素的材料的靶后离子源区40，形成一个质子层。鞘层电场使靶后离子源区40中质子沿着与靶后表面30垂直的方向加速。参见图4，t＝t1时，中间区域的一层质子层1沿着水平方向加速，边缘区域的质子层2沿着一定的角度加速，并向中心汇聚。中间区域沿水平运动的高能质子层1在远离靶体的前面运动，而向中心汇聚的质子束2在汇聚过程中通过库伦场进一步推动前面的高能质子层1，实现二次加速，如图4的t＝t2时刻所示。向中心汇聚的质子束2同时对沿前向运动的较慢的质子部分进行排斥，并使其与前面运动的高能质子层分离。由此形成一个分离的高能质子层1，如图4的t＝t3时刻所示。这部分的高能质子1具有准单能的能谱结构。

实施例

本实施例包括：激光器8和上述第二实施方式的激光靶(参见图3)，该激光靶包括靶前表面10、靶体20、靶后表面30、离子源区40、金属圆筒5及金属锥7。其中所述激光靶的材料可以是铝或铜(假设在部分电离的情况下，模拟中采用其荷质比为1/(1836×2.4))。所述离子源区40可以是碳氢材料。所述靶前表面10的金属锥7、靶后表面30、以及离子源区40均分别相对于所述激光靶的中轴线6对称排列。

所述靶前金属锥7的厚度取值为0.3μm，长度一般大于20μm，大口径取5.1μm，小口径取3μm，其倾角取值不能超过10°，在本实施例中取3°。靶前表面圆筒5长度取30μm，厚度取为0.3μm。其内径取为7.7μm，略小于本实施例中的激光腰斑尺寸w0＝8μm。所述靶前表面10结构材料可以是金属材料，各部分可以相同，也可以不同。本实施例中，金属锥7和金属靶体20采用相同的材料，譬如铝。

金属靶体20的厚度不能太厚，如果太厚将不利于所述靶前金属锥7所产生高能电子的传输；但靶体20的厚度也不能太薄，因为太薄可能导致靶体20被激光打穿而不能形成有效的鞘层加速电场。本实施例中，厚度取值为5μm。

所述靶后表面30和离子源区40的倾斜区域42的倾斜角既不能太大、也不能太小。本实施例中，所述该倾斜区域42的倾斜角取值在70度和85度之间，其中富含氢的薄层结构厚度在0.1μm左右。中间三角形的富含氢的塑料，其横向竖直高度取值2μm，纵向厚度取0.1μm，边缘楔形的富含氢的塑料，其横向竖直宽度取值0.3μm，纵向长度取0.9μm。

本实施例中，中等强度激光的激光强度为1.98×10²⁰W/cm²，聚焦光斑8μm，其脉宽为165fs。相应的峰值功率为200TW。

数值模拟表明，经过二次加速过程可以产生高密度的一团质子束，该质子束的能谱峰值能量接近200MeV、能散约为7％、质子数目约为10⁸。采用更高强度和更长脉宽的激光有利于提高加速所得质子的能量和数量。如果采用10Hz的激光，每秒产生的质子束达到10⁹个，可以满足质子束肿瘤治疗的要求。

本发明的激光靶具有以下优点：

1.实现技术要求低：由于所采用的靶体厚度是μm量级，对制靶工艺和激光对比度的要求不高；

2.产生质子束质量高：数值模拟结果表明，采用本发明的靶设计，与激光强度为10²⁰W/cm²、脉宽在数百飞秒的强激光作用即可产生符合癌症治疗要求的高能量、低能散、大电荷量的高品质质子束；

3.成本低：本发明可在台面尺度系统内产生高品质质子束，从而可以实现较低的成本。

应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (22)

1.一种用于产生离子加速的激光靶，包括具有靶前表面和靶后表面的靶体及靶后离子源区，其特征在于，所述靶后离子源区包括中间区域及边缘斜面区域，所述的中间区域的后表面垂直于靶体的中轴线，且边缘斜面区域的后表面与靶体中轴线形成倾斜的夹角，以及所述夹角小于90度。

2.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述的中间区域的后表面平行于靶前表面。

3.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述的靶后离子源区位于所述靶后表面。

4.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述靶后离子源区的中间区域高度小于二分之一的靶后离子源区整体高度。

5.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述靶后离子源区的边缘斜面区域与靶体中轴线夹角大于45度。

6.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述夹角为50-85度、65-85度或70-85度。

7.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，靶后离子源区为质子层、富含氢元素的材料或富含碳的材料。

8.根据权利要求7所述的激光靶，其特征在于，所述富含氢元素的材料为碳氢材料。

9.根据权利要求7所述的激光靶，其特征在于，所述质子层或富含氢元素的材料的厚度小于入射激光波长。

10.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，靶后离子源区中间区域截面为三角形，边缘斜面区域的截面为楔形。

11.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，还包括围绕靶前表面并可延伸至靶后表面的金属圆筒。

12.根据权利要求11所述的激光靶，其特征在于，所述金属圆筒长度接近激光脉冲的长度或达到20微米以上，口径与入射激光的聚焦光斑相当。

13.根据权利要求11所述的激光靶，其特征在于，所述金属圆筒内填充入高密度气体。

14.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述激光靶具有连接到靶前表面的金属锥。

15.根据权利要求14所述的激光靶，其特征在于，所述金属锥的横向尺度小于激光腰斑，长度大于20微米，锥角张口小于10度。

16.根据权利要求1至15任一项所述的激光靶，其特征在于，所述激光靶沿中轴线对称。

17.根据权利要求1至15任一项所述的激光靶，其特征在于，所述激光靶的整体横向尺寸与激光腰斑相当。

18.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述激光靶的靶体的厚度为5-12微米。

19.根据权利要求1所述的激光靶，其特征在于，所述激光靶的靶体采用金属材料。

20.一种产生离子束的设备，其特征在于，所述的设备包括权利要求1中所述的用于产生离子加速的激光靶。

21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述的设备还包括一激光源。

22.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，所述的设备是放射性治疗设备。