CN103310865A - 一种光阳极质子源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光阳极质子源，适用于高分辨质子照相，质子诊疗，高能量密度物质的产生，以及作为高能质子加速器的注入器。所述的光阳极质子源包括激光光源和真空靶室。本发明中的超短超强激光束穿过真空靶室窗口照射到靶室内的平面反射镜上，反射后的激光束由离轴抛面反射聚焦镜聚焦到富氢磁带靶上，产生MeV量级的连续谱质子束。质子束的能谱与发散角通过后面的束流品质调整系统后得到改善。螺线管的使用实现了束流的准直；准直后的束流通过RF腔后其能谱也受到调制，产生一系列准单能峰；最后束流通过狭缝-弯铁-狭缝结构的选能系统,产生了需要的单能峰质子束。本发明的光阳极质子源结构简单，具有良好的准直性、单色性、稳定性。

Description

一种光阳极质子源

技术领域

 本发明属于激光等离子体领域，具体涉及一种光阳极质子源。用于高分辨质子照相，质子诊疗，高能量密度物质的产生，以及作为高能质子加速器的注入器。

背景技术

传统质子直线加速器具有体积庞大，结构复杂等特点，包括注入器，低能束流输运系统以及从低能到高能的一套完整的加速结构。传统质子直线加速器的注入器通常采用倍压加速器，它由高压发生器、加速管、粒子源三部分组成，可以产生几十keV的低能质子束流。产生的低能束流需要经过一段复杂的低能束流输运系统进行整形、聚焦、聚束，使它达到直线加速器入口处时满足相空间匹配要求。满足这样条件的质子束被注入到直线加速器结构中，并进行进一步加速。根据质子能量的不同，在进一步的加速中，也需要采取不同的加速结构。对于低能质子使用高频四极子（RFQ）可以实现加速和足够的聚焦。注入器产生的几十keV的质子束输入到RFQ，可以加速到几百keV到1 MeV。然后把加速得到的MeV质子注入到漂移管型直线加速器（DTL）进行进一步加速，该结构可以加速质子到10 MeV。再注入到腔耦合直线加速器（CCL）加速结构中获得100MeV以上能量的质子。RFQ-DTL-CCL构成了质子直线加速器从低能到高能的一套完整的加速结构。这就是传统直线加速器的基本布局。

    2000年左右，国际上就开展了激光加速质子束的研究，使用超强激光与固体薄膜靶相互作用，可以产生10 MeV以上连续谱质子束，并且具有高亮度，低发射度，源尺寸小，脉宽短等特点，其横向发射度小于0.004 mm mrad，纵向发射度小于0.0001 eV s，尺寸小于15μm，脉宽ps量级。但同时具有发散角大，能谱宽，稳定性差等问题。为了解决这些问题，人们开展了许多研究。在角分布优化方面，包括使用弯曲形状靶对质子束进行聚焦；使用双光束打靶，一束光用于产生质子，另一束光用于产生聚焦电场对质子束发散角进行调整；使用微型四极铁以及螺线管结构对质子束进行聚焦。在能谱优化方面，包括使用微结构靶产生准单能质子束或使用RF腔对质子能谱进行调制。目前这些都还只是初步研究。

发明内容

为了克服已有技术中激光加速质子束发散角大、能谱宽、稳定性差的不足，以及传统质子加速器体积庞大、结构复杂的问题，本发明提供了一种光阳极质子源。

本发明将激光质子加速和传统加速技术结合起来，获取性能稳定的准直准单能质子束的方法，即所述的光阳极质子源。获得的质子源可以用于高分辨质子照相，质子诊疗，高能量密度物质的产生，以及作为高能质子加速器的注入器。

   本发明的光阳极质子源，其特点是，所述的光阳极质子源包括TW级激光器和真空靶室，所述真空靶室设置有窗口，真空靶室内放置有平面反射镜、离轴抛面反射聚焦镜、富氢磁带靶组件、螺线管、RF腔和选能系统。TW级激光器发射的红外激光束穿过真空靶室的窗口射到位于真空靶室内的平面反射镜上；由平面反射镜反射的激光束射在离轴抛面反射聚焦镜上。所述的富氢磁带靶组件含有带状富氢金属薄膜靶、从动轮、主动轮，带状富氢金属薄膜靶靶面位于离轴抛面反射聚焦镜的焦点处；带状富氢金属薄膜靶由从动轮卷起，由主动轮以一定速度拖动，满足激光每次打在带状富氢金属薄膜靶的新位置上。所述的螺线管放置在离带状富氢金属薄膜靶靶面下游位置，螺线管轴向垂直于离带状富氢金属薄膜靶靶平面，用于收集几乎全部激光产生的质子，并对一个能量附近的质子束实现准直。所述的RF腔具有两个加速间隙, RF腔位于螺线管之后，RF腔的轴线与螺线管的轴线重合；通过调节RF腔的相位, 使得准直后的质子束获得能量调制，产生准单能质子峰。所述的选能系统包括第一狭缝、弯铁、第二狭缝，用于实现对一个单能峰的选能。其中第一狭缝垂直于RF腔轴线，经过RF腔调制后的的质子束通过第一狭缝进行限束，再经弯铁偏转,不同能量质子偏转半径不同，在弯铁出口处设置平行于弯铁的第二狭缝,用于经RF腔调制产生的某个单能峰质子通过第二狭缝，产生稳定的准直准单能质子束。

所述的螺线管放置在离带状富氢金属薄膜靶靶面下游8-12mm的位置。

所述的TW级激光器具有10 Hz的重复频率，激光焦斑被离轴抛面反射镜聚焦到10微米量级尺寸。

所述的螺线管具有8.6 T的磁场强度，螺线管电流采用脉冲型，其电源触发信号通过TW级激光器提供。满足质子束产生严格同步的要求；

所述的RF腔中的两个加速间隙宽度均为1.8-2.2cm，加速电压为3-5 MV/m, 射频频率为210 MHz。

所述的质子源尺寸在20-40微米，脉宽ps量级，能谱宽度小于5%，相对于传统加速器的质子源，在相同的电流密度下，其空间电荷效应更小。

    本发明的光阳极质子源，从功能上可以划分为三大部分。第一部分包括TW级激光器、真空靶室，以及位于真空靶室内的平面反射镜和离轴抛面反射聚焦镜，这一部分用于提供聚焦打靶光源。第二部分即位于真空靶室中心的富氢磁带靶及其调整机构。这部分用于实现与脉冲激光同步地更新靶材料以及产生MeV量级的连续谱质子束。第三部分即位于真空靶室内，并放置在靶后的质子束性能调节系统。包括用于质子束角分布调整的螺线管，质子束能谱调整的RF腔，以及选能用的狭缝、弯转磁铁和狭缝。这部分用于调整激光产生的质子束到一个准直准单能的状态。

    在第一部分中，TW级激光器用于提供泵浦光源，要求是采用啁啾脉冲放大技术的超短超强激光器（脉宽为皮秒或飞秒量级）。

   本发明与传统质子加速器相比，其优点是

1. 本发明的光阳极质子源低发射度和脉冲短。本发明采用超短超强激光打靶来产生质子束，利用了激光的短脉冲特性，可以获得ps量级的质子束团。同时，由于激光焦斑可以小到10微米左右，因此产生的质子束团横向尺寸也可以小到此量级。尽管质子束发散角较大，仍可以获得比传统加速器小三个量级的束流发射度。

2.本发明的光阳极质子源尺寸小，结构简单。本发明产生的质子束能量可以达到MeV甚至10 MeV量级，因此可以省掉传统加速器的注入器和RFQ加速段，而这两个部分又是结构非常复杂的。从而也大大节约了成本。

3. 本发明的光阳极质子源同步性能好。本发明产生的质子束是由激光直接产生的，因此在激光等离子体物理实验诊断中，可以严格实现源与被探测物体时间上的同步。

    本发明与通常的激光质子加速质子源相比，具有以下几方面的优点：

1. 本发明的光阳极质子源准直性好。本发明采用了传统加速器技术，即使用螺线管，实现了对某个能量附近的质子束的准直。

2. 本发明的光阳极质子源单色性好。本发明采用了RF腔聚束器，对质子束能谱进行了调制，获得了一系列准单能质子峰。再通过选能系统，选取某个单能质子峰。

3. 本发明的光阳极质子源稳定性好。由于在靶后增加了一些加速器部件，最终出来的质子束能量和发散角都是一定的。而通常的激光质子加速由于发次之间激光和靶参数的不确定性，很难产生稳定的质子束团。

综上所述，本发明的光阳极质子源结构简单，具有良好的准直性、单色性、稳定性。

附图说明

图1 是本发明的光阳极质子源的结构示意图；

图2是本发明中的富氢磁带靶结构示意图；

图中：1.TW激光器    2.真空靶室     3.平面反射镜     4.离轴抛面反射聚焦镜     5.富氢磁带靶组件     6.螺线管     7.RF腔     8.选能系统     501.带状富氢金属薄膜靶     502.从动轮     503.主动轮     801.第一狭缝   802.弯铁     803.第二狭缝。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述

实施例1

图1 是本发明的光阳极质子源的结构示意图，图2是本发明中的富氢磁带靶结构示意图。在图1、图2中，本发明的光阳极质子源包括TW级激光器1和真空靶室2，所述真空靶室2设置有窗口201，真空靶室2内放置有平面反射镜3、离轴抛面反射聚焦镜4、富氢磁带靶组件5、螺线管6、RF腔7和选能系统8；TW级激光器1发射的红外激光束穿过真空靶室2的窗口201射到位于真空靶室2内的平面反射镜3上；由平面反射镜3反射的激光束射在离轴抛面反射聚焦镜4上；所述的富氢磁带靶组件5含有带状富氢金属薄膜靶501、从动轮502、主动轮503，带状富氢金属薄膜靶501靶面位于离轴抛面反射聚焦镜(4)的焦点处；带状富氢金属薄膜靶501由从动轮502卷起，由主动轮503以一定速度拖动，满足激光每次打在带状富氢金属薄膜靶501的新位置上；所述的螺线管6放置在离带状富氢金属薄膜靶501靶面下游10mm位置，螺线管6轴向垂直于离带状富氢金属薄膜靶501靶平面，用于收集激光产生的质子，并对一个能量附近的质子束实现准直；所述的RF腔7具有两个加速间隙, RF腔7位于螺线管6之后，RF腔7的轴线与螺线管6的轴线重合；通过调节RF腔7的相位, 使得准直后的质子束获得能量调制，产生准单能质子峰；所述的选能系统8包括第一狭缝801、弯铁802、第二狭缝803，用于实现对一个单能峰的选能；其中第一狭缝801垂直于RF腔7轴线，经过RF腔7调制后的的质子束通过第一狭缝801进行限束，再经弯铁802 偏转,不同能量质子偏转半径不同，在弯铁802出口处设置平行于弯铁802的第二狭缝803,用于经RF腔7调制产生的某个单能峰质子通过第二狭缝803，产生稳定的准直准单能质子束。

所述的TW级激光器1具有10 Hz的重复频率，激光焦斑被离轴抛面反射镜4聚焦到10微米量级尺寸。

所述的螺线管6长20cm，具有8.6 T的磁场强度，螺线管6电流采用脉冲型，其电源触发信号通过TW级激光器1提供。满足质子束产生严格同步的要求；

所述的RF腔7中的两个加速间隙宽度均为2cm，加速电压为4.1 MV/m, 射频频率为210 MHz。

所述的质子源尺寸在20-40微米，脉宽ps量级，能谱宽度小于5%，相对于传统加速器的质子源，在相同的电流密度下，其空间电荷效应更小。

本发明中采用飞秒激光器作为激光光源1，其光束参数是：波长800 nm，脉冲频率10 Hz，脉宽50 fs，但此脉冲能量100 mJ，光束直径50 mm。其输出的激光脉冲进入真空靶室2后被平面反射镜3反射到离轴抛面反射聚焦镜4上，然后被聚焦到富氢磁带靶5上。在本实施例中，激光束在真空中聚焦后的焦斑直径小于20 μm。经聚焦的激光束到达磁带靶表面，并与靶相互作用。由于激光重复频率是10 Hz，要使激光每次打在新的靶表面，磁带靶的运动速度大于10^-4m/s。

从主激光脉冲中分出一小束激光，用于触发螺线管和RF腔电源的工作，实现同步。调节触发信号的延迟，使得激光产生的质子束通过螺线管时，螺线管磁场强度最大。对RF腔，也需要通过调节触发信号的延迟，使得2.3 MeV左右质子通过RF腔间隙时，RF腔间隙电场相位为零，并且随时间变化上升，从而把高于2.3 MeV的质子减速，低于2.3 MeV的质子加速，产生2.3 MeV左右能量的准单能峰。但是同时还会产生其它能量的能散较大一些的准单能峰 。在RF腔后，放置孔径光阑和弯铁，弯铁出口处的孔径光阑放置在2.3 MeV能量所对应的位置，从而获得2.3MeV的准直准单能质子束。

本发明的光阳极质子源的具体工作过程是：

    从TW级激光器输出的激光脉冲进入真空靶室后经聚焦系统聚焦后与富氢磁带靶相互作用。离轴抛面反射聚焦镜可以把平行入射的激光束聚焦到抛物面的焦点上。调节靶位置，使得激光焦斑位于靶平面上。在这里，本发明采用具有10 Hz重复频率的激光器，可以实现连续打靶。

    聚焦后的激光束与焦点处的薄膜靶相互作用，产生高温高密度等离子体。加速产生的超热电子会穿过薄膜靶，并向真空扩散，从而在靶背形成微米尺寸，TV/m的超高鞘电场。带状富氢金属薄膜靶中的氢离子在此电场作用下被加速，产生MeV量级的短脉冲质子束团。在这里，本发明采用了固体靶，并把其加工为磁带状靶结构，结合前面说的10 Hz重复频率的激光器，可以实现连续打靶。

    激光打靶产生的质子传输到靶后10 mm位置的螺线管中进行准直。本发明从主激光中分出一小束激光用于激励螺线管电源，使得螺线管脉冲磁场与激光产生的质子束同步，在螺线管磁场最大时，质子束通过螺线管，从而实现最有效的能量利用。

    准直后的质子束穿过聚束器RF腔，产生一系列准单能的质子峰。本发明中的聚束器采用同轴共振器型，其中心部位有两个间隙作为负载，中心相距1.5βγ，使得它们都起聚束作用。这种聚束器的优点是尺寸小，维修方便，所需高频功率较低。

    最后，这一系列的准单能质子再通过一段选能系统，通过调节狭缝位置和弯转磁铁磁场强度，选取被准直的那个准单能峰，从而获得准直准单能质子源。

实施例2

本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的螺线管放置在离带状富氢金属薄膜靶靶面下游8mm位置；所述的RF腔7中的两个加速间隙宽度均为2.2cm，加速电压为3.8 MV/m。

Claims (5)

1.一种光阳极质子源，其特征在于：所述的光阳极质子源包括TW级激光器（1）和真空靶室（2），所述真空靶室（2）设置有窗口（201），真空靶室（2）内放置有平面反射镜（3）、离轴抛面反射聚焦镜（4）、富氢磁带靶组件（5）、螺线管（6）、RF腔（7）和选能系统（8）；TW级激光器（1）发射的红外激光束穿过真空靶室（2）的窗口（201）射到位于真空靶室（2）内的平面反射镜（3）上；由平面反射镜（3）反射的激光束射在离轴抛面反射聚焦镜（4）上；所述的富氢磁带靶组件（5）含有带状富氢金属薄膜靶（501）、从动轮（502）、主动轮（503），带状富氢金属薄膜靶（501）靶面位于离轴抛面反射聚焦镜(4)的焦点处；所述的螺线管（6）放置在离带状富氢金属薄膜靶(501)靶面下游位置，螺线管(6)轴向垂直于离带状富氢金属薄膜靶(501)靶平面，用于收集激光产生的质子，并对一个能量附近的质子束实现准直；所述的RF腔（7）具有两个加速间隙, RF腔(7)位于螺线管(6)之后，RF腔(7)的轴线与螺线管(6)的轴线重合；通过调节RF腔(7)的相位, 使得准直后的质子束获得能量调制，产生准单能质子峰；所述的选能系统（8）包括第一狭缝（801）、弯铁（802）、第二狭缝（803），用于实现对一个单能峰的选能；其中第一狭缝(801)垂直于RF腔(7)轴线，经过RF腔(7)调制后的的质子束通过第一狭缝(801)进行限束，再经弯铁(802) 偏转,在弯铁(802)出口处设置平行于弯铁(802)的第二狭缝(803),用于经RF腔(7)调制产生的某个单能峰质子通过第二狭缝(803)，产生稳定的准直准单能质子束。

2.根据权利要求1所述的光阳极质子枪，其特征在于：所述的螺线管（6）与离带状富氢金属薄膜靶(501)之间的距离为8mm-12mm。

3.根据权利要求1所述的光阳极质子枪，其特征在于：所述的TW级激光器（1）具有10 Hz的重复频率，激光焦斑被离轴抛面反射镜（4）聚焦到10微米量级尺寸。

4.根据权利要求1所述的光阳极质子源，其特征在于：所述的螺线管（6）具有8.6 T的磁场强度，螺线管(6)电流采用脉冲型，其电源触发信号通过TW级激光器（1）提供。

5.根据权利要求1所述的光阳极质子源，其特征在于：所述的RF腔（7）中的两个加速间隙宽度均为1.8cm-2.2cm，加速电压为3MV/m-5 MV/m, 射频频率为210 MHz。

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