CN103619118A - 激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法。具体地，本发明的激光等离子体加速器包括激光参数和气体靶参数，其中，所述激光参数包括激光光强，脉宽和束腰半径，所述的气体靶参数包括气体类型，密度和混合比例。本发明基于超短激光在低密度气体靶中传输时形成的等离子体尾场加速电子束的原理，优化了激光参数和气体靶参数，在仅使用一束激光和一个气体靶的情况下得到高品质的电子束，从而获得简单易行的适用于医疗、工业和国防等领域的高品质电子束。

Description

激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法

技术领域

本发明涉及加速器，具体涉及一种通过强激光作用产生高品质电子束的激光等离子体加速器。

背景技术

高能电子束作为重要的X射线、γ射线发射驱动源，在工业、医疗和国防等领域有着重要的应用价值。传统的高能电子束一般来源于大型的直线或环形加速器，这些加速器往往很庞大(有的甚至占地数百亩，相当于多个足球场的面积)，同时造价高昂，这些不利因素限制了其使用范围和普及度。

研究发现，光强达到或超过相对论光强(10¹⁸瓦特每平方厘米)的激光在经过气体靶时能激发等离子体尾波；这个尾波能承载一定的电子并使其加速至具有数十至数千兆电子伏特的能量。这种由激光器-气体靶组成的装置就叫做激光等离子体加速器。由于激光器占地小，激光尾波加速梯度大，一百平方米左右的面积的全套激光等离子体加速器装置就能实现占地数百亩的传统加速器所能实现的功能，同时造价也将大大降低。由于上述优势，激光等离子体加速器有可能在数年至数十年内普及成为一种造价低、占地小的高能粒子源发射器。

目前一般认为提高激光等离子体加速器产生的电子束品质是增加其与传统加速器竞争优势的关键因素。随着高功率超短激光脉冲技术的快速发展，不断提高激光束质量可以增加加速器的稳定性，从而间接增加被加速电子束的品质。但之前的电子束注入方式过于复杂，要求非常高的空间、时间匹配技术，一定程度上增加了激光等离子体加速器的应用门槛。最近研究发现电离注入是一种稳定而简单的注入方式，但目前的注入品质往往不高，难以达到实用所需的水平。

因此，本领域迫切需要研发一种简单易行、可靠性好激光等离子体加速器，使产生电子束质量高的电离注入技术实际应用于工业、医疗和国防等领域。

发明内容

本发明的目的是通过优化匹配激光与气体靶的参数，简化电子束的注入方式从而提供一种简单易行、可靠性好的激光等离子体加速器，它不仅能克服传统加速器占地面积过大、造价过高的缺点，而且能够通过稳定而简单的方式产生高品质的电子束。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于产生电子束的激光等离子体加速器，该激光等离子体加速器包括：一激光器，激光器用于产生激光脉冲；一真空室，真空室内设有压缩器、聚焦系统、和气体发生装置；其中，压缩器用于压缩入射激光的脉宽，从而产生飞秒量级的激光脉冲；聚焦系统用于对经压缩器压缩后的激光脉冲进行聚焦；气体发生装置用于产生气体靶；其中，激光器产生的激光脉冲入射进入真空室内的压缩器，经压缩器压缩、聚焦系统聚焦后，入射到的气体靶，从而使得气体靶中的气体分子被激光束电离，产生电子注入并同步加速电子，从而获得电子束。

在另一优选例中，产生的电子束具有以下特性：

(a)能量100到1000兆电子伏特；

(b)电量1到200皮库；

(c)能散5%以下(含)；

(d)发射度小于3毫米毫弧度。

在另一优选例中，该真空室设有玻璃窗口，激光器产生的激光脉冲通过该玻璃窗口进入真空室。

在另一优选例中，聚焦系统将激光聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。

在另一优选例中，微米量级的激光束指光斑半径为3-50微米。

在另一优选例中，飞秒量级的激光束的脉宽为1至1000飞秒，较佳地10-100飞秒。

在另一优选例中，激光束的峰值功率为10-1000太瓦(1太瓦=10¹²瓦特)，较佳地10-200太瓦。

在另一优选例中，聚焦系统聚焦后的激光束，其束腰半径为3-50微米，较佳地5-25微米。

在另一优选例中，气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。

在另一优选例中，低原子序数气体在混合气体中占较大比例(≥90%，较佳地≥99%)。

在另一优选例中，气体发生装置所产生的具有以下特征的气体靶：密度接近均匀分布；总气体分子所含电子数密度为10¹⁶至10¹⁹个每立方厘米；气体均匀分布区域半径为1毫米至10毫米。

在另一优选例中，该真空室内还设有级联加速系统，级联加速系统用于加速的电子束，从而获得更高能量的电子束。

在另一优选例中，该真空室内还设有振荡器，振荡器用于将电子束转化为X射线或γ射线。

在另一优选例中，在真空室内还设有级联加速系统和振荡器，级联加速系统用于加速电子束以获得更高能量的电子束，振荡器用于将更高能量的电子束转化为更高能量的X射线或γ射线。

根据本发明的第二方面，提供了一种产生电子束的方法，包括步骤：

(a)提供脉宽为飞秒量级的激光脉冲；

(b)将激光脉冲经聚焦后，产生光斑半径为微米量级的经聚焦的激光束；

(c)将经聚焦后的激光束导入气体靶，从而产生并加速电子束；

其中，气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。

在另一优选例中，该激光束为一束激光。

在另一优选例中，该气体靶为一个气体靶。

在另一优选例中，该激光束的脉宽为数十至数百飞秒。

在另一优选例中，该激光束的峰值功率为数十太瓦至数百太瓦(1太瓦=10¹²瓦特)。

在另一优选例中，激光束的束腰半径为数微米到数十微米。

在另一优选例中，激光束为基模高斯光束。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1是本发明的激光等离子体加速器的结构示意图；

图2是本发明的激光等离子体加速器中激光束入射气体靶产生电子束的示意图；

图3是本发明的激光等离子体加速器使用的电离注入方法的原理示意图；以及

图4是本发明的激光等离子体加速器产生的典型电子束能谱图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次研发了一种结构新颖的、可用于高品质电子束的激光等离子体加速器。本发明基于超短激光在低密度气体靶中传输时形成的等离子体尾场加速电子束的原理，优化了激光参数和气体靶参数，在仅使用一束激光和一个气体靶的情况下得到高品质的电子束。在此基础上完成了本发明。

本发明的激光等离子体加速器具有重复率高、单能性好、发射度小、电量和能量可控的优点，特别适用于场地有限、电子束品质要求高的应用场所，适合大范围普及推广。

如本文所用，术语“飞秒量级”指激光脉冲的脉宽为1至1000飞秒。

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1是本发明的激光等离子体加速器的结构示意图。如图1所示，本发明的激光等离子体加速器包括真空室1和激光器2，在真空室内设有压缩器3、聚焦系统4、气体发生装置5、级联加速系统6和振荡器7。

激光器2产生的激光脉冲通过玻璃窗口进入真空室1后，首先通过压缩器3使得该激光脉冲被压缩成脉宽为飞秒量级的激光脉冲，飞秒量级的激光脉冲再经过聚焦系统4使得该激光脉冲被聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。

由此获得的激光束可具有10至100飞秒的脉宽，10至200太瓦的峰值功率，10至100微米的束腰半径，0.8微米或者1.06微米的波长，且该激光束只能在真空中传播。

气体发生装置5能够产生密度一定的超音速气体靶作为加速载体和电子提供源。该气体靶为低原子序数气体(氢气或氦气)与高原子序数气体(氮气，氧气或氩气等气体)相混合，低原子序数气体与高原子序数气体的分子数密度混合比例一般介于100:5至100:0.01之间，混合气体的所含电子总数密度一般为10¹⁶至10¹⁹个每立方厘米。

在本发明中，代表性的低原子序数气体包括(但并不限于)：氢气、氦气、或其组合。较佳地，低原子序数气体为安全性高的气体如氦气等惰性气体。

在本发明中，代表性的高原子序数气体包括(但并不限于)：氮气、氧气、氩气或其组合。较佳地，高原子序数气体为安全性高的气体如氮气。

较佳地，激光束为基模高斯光束。激光束入射到气体靶中可产生高质量的电子束：能量100到1000兆电子伏特，电量1到200皮库，能散5%以下，归一化发射度小于3毫米毫弧度。

该电子束可穿出真空室1直接应用；该电子束也可通过振荡器7生成X射线或γ射线；该电子束还可经过级联加速系统6从而获得更高能量的电子束；经过级联加速系统6产生的更高能量的电子束再通过振荡器7可生成更高能量的X射线或γ射线。

图2示出了本发明的激光等离子体加速器中激光束入射气体靶产生电子束的示意图。如图所示，气体发生装置5中的气体喷嘴8喷射出混合气体9作为气体靶，气体喷嘴8的宽度为1至10毫米。飞秒量级激光束10沿激光束路径11射入混合气体9，在气体之中传播的激光束电离气体产生等离子体区域12，而后获得电子束13。其中，混合气体、飞秒量级激光束和电子束的各项参数如上文所述。

图3示出了本发明的激光等离子体加速器采用的电离注入方法的工作原理。激光预脉冲射入混合气体，将混合气体中的低原子序数气体(氢气或氦气)分子电离成正负电荷分离的等离子体背景14。激光主脉冲15射入等离子体背景14将电子排开后形成正电荷富集区域，将该正电荷富集区域称为离子球16。被激光主脉冲15推开之后又被离子球16拉回的等离子体背景14中的电子在离子球16周围形成具有球壳状结构的电子壳层17。激光主脉冲15峰值附近的高原子序数气体(氮气，氧气或氩气等)分子被电离出内壳层电子18。高原子序数气体的内壳层电子18能够在采用电离注入方法的激光等离子加速器中获得持续加速。

根据所需输入激光的峰值功率和光束半径，该激光束在入射到气体靶中时足以通过电离气体产生电子注入。激光束传播数百微米后，经过例如自聚焦的自生演化，使得尾波场产生大的演化，从而导致电离气体产生电子注入的过程自动终止。这一截止过程，大大减小了电离注入的长度，使得注入的电子束具有最终能散低的特点，是本发明的基本原理之一。然而，应理解，本发明的保护范围并不受上述基本原理的限制。

较佳地，激光主脉冲15是由激光器产生并经过压缩器压缩和聚焦系统聚焦形成的飞秒量级激光束，其各项参数为：脉宽10到100飞秒，峰值功率10到200太瓦，束腰半径3到50微米。在主脉冲之前入射的预脉冲（ASE）相对较弱，例如主脉冲与预脉冲的光强对比度大于10³。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

本实施例采取图1所述的激光等离子体加速器装置，其中激光束为基模高斯光束，激光束的脉宽为33飞秒，峰值功率为39太瓦，束腰半径为11微米。气体靶由氦气和氮气以100:0.15的分子数密度比例混合而成，激光束从超音速气体喷嘴喷出，该气体喷嘴的宽度1.5毫米，气体分子数密度为2.8×10¹⁸个每立方厘米。

数值模拟得到的结果表明，该实施例的激光等离子体加速器产生了高品质电子束，该电子束的电量为14.6皮库，中心能量为383兆电子伏特，半宽全高能散度为3.33%，发射度为3毫米毫弧度。

图4示出了该电子束的能谱图，表明产生的电子束属于单能电子束。

本发明优化了激光束参数和气体靶参数，利用激光束在气体中的自演化效应达到同步注入电子和同步加速的功能，使得使用数十太瓦的激光器就能产生100至1000兆电子伏特、能散5%以下、电量1至200皮库、归一化发射度3毫米毫弧度以下的电子束。本发明的激光等离子体加速器具有以下优点：

1．实现技术要求低：产生电子束的过程仅需一束激光与一团气体相作用而无需高要求的时间、空间同步，因此只需要校准激光脉冲和气体靶而无需额外控制过程，简化了调试安装过程，同时提高了可靠性，适合各领域普及应用。

2．产生电子束质量高、性能稳定：每发电子束之间品质差异不大，而且单能性好、发射度低；

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

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，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 (10)

1.一种用于产生电子束的激光等离子体加速器，其特征在于，所述激光等离子体加速器包括：

一激光器，所述激光器用于产生激光脉冲；

一真空室，所述真空室内设有压缩器、聚焦系统、和气体发生装置；

其中，所述压缩器用于压缩入射激光的脉宽，从而产生飞秒量级的激光脉冲；

所述的聚焦系统用于对经所述压缩器压缩后的激光脉冲进行聚焦；

所述的气体发生装置用于产生气体靶；

其中，所述激光器产生的激光脉冲入射进入所述真空室内的压缩器，经所述压缩器压缩、所述聚焦系统聚焦后，入射到所述的气体靶，从而使得所述气体靶中的气体分子被所述激光束电离，产生电子注入并同步加速电子，从而获得电子束。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述的聚焦系统将激光聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。

3.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述的飞秒量级的激光束的脉宽为1至1000飞秒，较佳地10-100飞秒。

4.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述激光束的峰值功率为10-1000太瓦(1太瓦=10¹²瓦特)，较佳地10-200太瓦。

5.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述聚焦系统聚焦后的激光束，其束腰半径为3-50微米，较佳地5-25微米。

6.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。

7.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述气体发生装置所产生的具有以下特征的气体靶：

密度接近均匀分布；

总气体分子所含电子数密度为10¹⁶至10¹⁹个每立方厘米；

气体均匀分布区域半径为1毫米至10毫米。

8.如权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述真空室内还设有级联加速系统，所述级联加速系统用于加速所述的电子束，从而获得更高能量的电子束。

9.如权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述真空室内还设有振荡器，所述振荡器用于将所述电子束转化为X射线或γ射线。

10.一种产生电子束的方法，其特征在于，包括步骤：

(a)提供脉宽为飞秒量级的激光脉冲；

(b)将所述激光脉冲经聚焦后，产生光斑半径为微米量级的经聚焦的激光束；

(c)将所述经聚焦后的激光束导入气体靶，从而产生并加速电子束；

其中，气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。

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