CN105283924B - 用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置 - Google Patents

用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置(1)，所述装置包括：用于发出激光脉冲(3)的激光源(2)；真空腔室(4)，在所述真空腔室中布置有靶(5)，所述靶(5)在所述激光脉冲与所述靶的相互作用的期间能够产生激光等离子体(6)；以及绕组(8)，所述绕组(8)能够在所述激光等离子体中产生脉冲磁场，所述装置的特征在于，所述绕组(8)布置在容纳冷却剂(11)的再凹入腔室(10)中。

Description

用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置
技术领域
本发明涉及一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置。
更具体地，本发明涉及一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置，该装置包括真空腔室，在真空腔室中放置有靶，该靶在其与激光脉冲相互作用的期间能够产生激光等离子体；以及绕组，所述绕组能够被供电，以在所述激光等离子体中产生脉冲磁场。
背景技术
现有技术中已知的是，高功率激光脉冲与固体靶或气体靶之间的相互作用允许产生等离子体，该等离子体通常被称为激光等离子体。该等离子体的产生伴随有强烈的带电粒子束的发出。
这种束具有多种应用，例如在物理效应的探测中、在惯性聚变中或者甚至在强辐射的产生中。
为了产生激光等离子体，激光脉冲必须具有高强度并且被聚焦在靶上的横向小尺寸的焦点上。因此，需要提供真空腔室，至少在激光脉冲的末端(terminal leg)中，高强度和横向小尺寸的脉冲趋向于使位于其路径上的任何气体(尤其是周围空气)离子化，导致对激光光学器件的损害、来自激光脉冲的功率的损失以及在附近存在的人员受到伤害的风险。
这些强烈的带电粒子束通常是高度发散的并且期望的是能够在上述应用中将它们聚焦。
已知的是，在激光等离子体中产生高强度脉冲磁场允许改善带电粒子束的聚焦，然后带电粒子受到围绕磁场线的旋转运动，该运动通常是以拉莫尔半径为特征。
由O.V.Gotchev等人发表的文献“Laser-driven Magnetic-Flux Compression inHigh-Energy-Density Plasmas(在高能量密度的等离子体中的激光驱动的磁通量压缩)”(物理评论快报(Physical Review Letters)，215004期第103卷)描述了一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的示例性装置，其包括放置在真空腔室中、在靶的任一侧上且非常紧密地接近于靶的线圈，因此，当足够大的电流(大约80kA)流动穿过线圈时，该线圈适合于在靶中产生5特斯拉到9特斯拉的磁场。
这种装置有若干的缺点。
由电流穿过线圈的流动所产生的热量导致了线圈的毁坏，因此每次发射激光时有必要更换线圈。因此发射激光的速度被降低。
线圈的毁坏可能损害用于聚焦激光脉冲的光学器件，光学器件本身也通常被放置在真空腔室中，并且至少意味着真空腔室的频繁清洁。
由于瞬时的磁场通过测量流动穿过线圈的电流、然后通过应用考虑线圈的几何结构的计算来确定，因此线圈因产生磁场而逐渐毁坏使得磁场的计算不可靠，这是因为线圈的几何结构随时间以难以预测的方式改变。
脉冲磁场的最长的持续时间和最大的强度被线圈的毁坏所限制，并且利用这种装置难以产生高于10特斯拉且大于300纳秒的脉冲磁场。
流动穿过线圈的高电流意味着，必须使用特别设计用于真空的电导线(“真空引线(vacuum feedthrough)”)，以防止线圈的电能在真空腔室中产生电弧。
因此，需要一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置，该装置至少解决了一些上述问题。
发明内容
为此，根据本发明，这种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置的特征在于，绕组被放置在容纳冷却流体的再凹入腔室(re-entrant chamber)中。
由于这些布置，用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置可以产生高于10特斯拉、范围达40特斯拉及以上、具有大于300纳秒的持续时间的脉冲磁场，从而允许带电粒子束被更好地聚焦。另外，该聚焦还可以很长时间地保持稳定。
由于在激光的每一次发射之后不再需要改变绕组的元件，因而激光的发射速度得以提高。
对光学器件、腔室的元件和人员的损害风险得以降低。
在激光等离子体中所产生的磁场是可以确定的并被精确且可靠地控制。
不必使用专门的真空导线来向绕组供电。
在本发明的优选实施方式中，还可以可选地依靠以下布置的一者和/或其它：
-所述再凹入腔室包括轴向真空导通导管，所述轴向真空导通导管包括两个轴向端部，所述轴向端部的每一者与所述真空腔室连通；
-所述绕组包括环绕所述轴向真空导通导管的至少一个线圈；
-所述绕组包括环绕所述轴向真空导通导管的两个线圈，所述线圈由中央板分开；
-所述再凹入腔室还包括至少一个径向真空导通导管，所述径向真空导通导管包括两个径向端部，所述径向端部的每一者与所述真空腔室连通；
-所述径向真空导通导管位于将所述两个线圈分开的所述中央板中；
-所述靶基本上被放置在所述绕组的中间；
-所述靶基本上被放置在所述绕组的一个端部处；
-所述冷却流体为气体或低温流体，尤其是液氮或液氦；
-所述再凹入腔室包括弱导电耐真空材料(weakly conductive vacuum-resistant material)，尤其是不锈钢；
-所述脉冲磁场为磁场强度高于几特斯拉的磁场，优选地高于大约10特斯拉，并且优选地高于40特斯拉；
-所述装置还包括用于发出激光脉冲的激光源，所述激光脉冲能够与所述靶相互作用，以产生所述激光等离子体，并且所述激光脉冲具有基本上包括在1吉瓦与1拍瓦之间、尤其是在1太瓦与大约100太瓦之间的功率；
-所述激光脉冲具有基本上包括在大约10飞秒与大约10纳秒之间、尤其是在大约10飞秒与大约10皮秒之间的持续时间。
附图说明
本发明的其它特征和优点从其以下以非限制示例的方式给出并关于附图的多个实施方式的描述将变得显而易见，其中：
图1和图2为根据本发明的一个实施方式的装置的正视图和侧视图的示意性图示；
图3为根据本发明的另一个实施方式的装置的示意性图示；以及
图4为根据本发明的又一个实施方式的装置的示意性图示。
在不同的附图中，相同或类似的元件用相同的附图标记指出。
具体实施方式
图1至图4示出了根据本发明的一个实施方式的用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置1。
这种装置1包括激光源2。该激光源2能够发出激光脉冲3，例如如下详细所述，当激光脉冲聚焦到小尺寸的焦点中时，该激光脉冲3具有包括在每平方厘米1吉瓦与1拍瓦之间(取决于脉冲是短的还是长的)，尤其是在1太瓦与大约100太瓦之间的高功率。
该激光脉冲3具有基本上包括在大于10飞秒与大约10纳秒之间的持续时间。例如，激光脉冲可以具有几焦耳的能量和几纳秒的持续时间。
在其它的实施方式中，激光脉冲的强度可以更低，例如几毫焦耳，并且激光脉冲的持续时间也可以更短，例如几飞秒。
激光源2可以包括一个或多个激光振荡器和光学元件27，光学元件27例如为透镜、水晶和/或光栅。
激光脉冲3在传播方向X上传播。
装置1包括真空腔室4，靶5被放置在真空腔室4中，靶5在激光脉冲3与其相互作用的期间能够产生激光等离子体6。
靶5可以是固体靶、液体靶或气体靶，例如在由T.Toncian等人发表且在本文中中引用的参考文献“Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-selectmega-electron volt protons(超快速激光驱动的显微镜头来聚焦并能量选择兆电子伏特质子)”(SCIENCE(科学)，2006年4月21日213卷)中所描述的15微米厚度的铝薄膜。
它可以基本上在延伸平面YZ(例如垂直于传播方向X的平面)中延伸。
脉冲3与靶5之间的相互作用可以通过借助于光学聚焦装置将所述脉冲至少部分地聚焦到靶5的前侧上，并进入到例如大约6微米的半高全宽(full-width at halfmaximum，FWHM)强度的小尺寸的焦点中来实现。
激光脉冲3通过使位于焦点中的靶原子离子化来在靶的前侧上生成激光等离子体6。
激光脉冲3加热靶5，并将大量的热能传递给所述靶的电子，大量的热能可以使一些所述电子穿过靶并经由后侧从此处逸出，所述后侧为靶的在靶在厚度方向X’上与前侧相对的一侧，所述厚度方向X’例如基本上垂直于靶的延伸平面YZ。
在一个实施方式中，靶5的厚度方向X’与激光脉冲的传播方向X可以基本上共线。
在另一个实施方式中，激光的传播方向X将可能例如以45°或更大角度地倾斜于靶的厚度方向X’。
因此，激光脉冲3产生电子穿过靶5的厚度的运动，该运动形成基本上在靶5的厚度方向X’上进行移动的电子束。
通过在后侧上延伸出靶，这些电子可以在所述后侧上生成高电场，大约1太伏特/米。
尤其是，这些电场可以强到足以从后侧撕下离子(例如在相对的表面上困住的杂质)，从而生成带电粒子束7。
例如，所述带电粒子(通常有大约几微微库伦(picocoulomb)到几奈库伦(nanocoulomb)的电荷)的能量可以高达60兆电子伏特到100兆电子伏特，例如，用量可以为大约10^11粒子/脉冲到10^13粒子/脉冲。在该电子的情况下(当使用气体靶时)，能量可以达到几千兆电子伏特(gigaelectronvolt)。
例如，这种束7的一个脉冲可以持续小于1皮秒，即基本上持续第一个激光脉冲的持续时间，因此，所产生的电流可以大约为几千安培(kiloamper)到几百千安培。
通过激光脉冲而移动穿过产生靶的厚度的电子束可以是发散的。因此，所生成的带电粒子束7本身也可以是发散的。
因此必要的是，将所述粒子束7聚焦，以能够将其使用在包括前面所提及的若干应用中。
因此，装置1还包括能够在激光等离子体6中产生脉冲磁场9的绕组8(或电磁体)。
脉冲磁场9为强度高于几特斯拉的磁场。
因此，例如在图1中的示例中，脉冲磁场9的强度高于大约10特斯拉并且高于大约40特斯拉。
这样，粒子束7的聚焦得以改善。
在图1中的示例中，绕组8由合适的电源25通过供电电缆28来供电。
例如，电源25能够通过在16千伏特的电压下传递至少50千安培的电流(通常100千安培)，将30千焦耳到50千焦耳传递到绕组8。
绕组8被放置在容纳冷却流体11的再凹入腔室10中。
再凹入腔室10为基本上穿透到真空腔室4的内部中的腔室。
在图1中，再凹入腔室10在垂直于传播方向X的竖直方向Z上穿透真空腔室4。
冷却流体11可以为气体，例如如在图1和图2的实施方式中的空气。
在其它的实施方式中，冷却流体11可以为低温流体，例如如在图3的实施方式中的液氮或液氦。不管与电磁体是否直接接触，均可使用任何其它的液体、水、溶剂或任何类型的油。
冷却流体11可以放置成便于与绕组8接触，以允许冷却绕组8。
作为变型，毛细管可以被放置成与绕组8接触，使第二冷却流体在毛细管中流动。
在该变型实施方式中，再凹入腔室可以容纳例如空气的冷却流体11。
在图1至图4示出的实施方式中，靶5基本上被放置在绕组8的中间。
作为变型，靶5可以基本上被放置在绕组的一个端部处。这样，靶5是可更易于接近的。
在图1中的实施方式中，再凹入腔室10包括轴向导管12。
轴向导管12为真空导通导管。
轴向导管包括两个轴向端部13、14，每一个轴向端部与真空腔室4连通。
在图1的示例中，轴向导管12在其两个轴向端部13、14之间基本上在传播方向X上延伸。
轴向导管12在真空腔室中被放置在激光的轴线上，以便激光脉冲3穿过轴向导管12。
因此，在图1示出的实施方式中，靶5位于轴向导管12中，例如基本上位于轴向导管12的中间。
在图1的示例中，绕组8包括环绕轴向真空导通导管12的两个线圈15、16。
作为变型，如图3中的实施方式所示出的，可以提供单个线圈15。
在提供了两个线圈15、16的实施方式中，线圈可以由中央板17分开。
中央板17设计成遏制(contain)由绕组8所产生的磁压力。
例如，中央板17由通过环氧树脂片绝缘的不锈钢制成，例如，环氧树脂片粘接结合到由不锈钢制成的板的一侧或两侧。
例如，中央板可以基本上位于轴向导管12的中间。
例如，中央板可以基本上位于与靶5平齐。
在一个实施方式中，如图2中更具体地所示，再凹入腔室10还包括至少一个径向真空导通导管18。
径向导管18包括两个轴向端部19、20，每一个端部与真空腔室4连通。
在图1中的示例中，径向导管18在其两个轴向端部19、20之间基本上在横向方向Y上延伸，横向方向Y基本上垂直于传播方向且垂直于竖直方向Z。
在图1至图4中的实施方式中，径向导管18在交叉区域21中横切轴向导管12。
例如，径向导管18可以基本上位于轴向导管12的中间。
例如，径向导管18可以基本上位于与靶5平齐。
在图1中的示例中，交叉区域21从而基本上位于轴向导管12的中间且与靶5平齐。
这样，如图4中的实施方式所示，用于诊断激光等离子体6的装置可以通过径向导管18接近激光等离子体。
例如，这种诊断装置(diagnosing device)包括能够穿过激光等离子体6并且通过模块29发出并收集的至少一个激光束26。
在图1示出的实施方式中，径向真空导通导管18位于将两个线圈15、16分开的中央板17中。
这样，在脉冲磁场中由径向导管18所生成的磁间断性得以最小化。
轴向导管12和径向导管18利用大到足以容置一个或多个分别的激光束的空间足迹的直径和孔径张角来标示尺寸。
再凹入腔室10的元件(尤其是中央板17)至少部分地由可能是合成材料的材料制成，该种材料不是磁性的或不是非常有磁性的，且在机械上强到足以抵抗磁压力并且真空和充分的非导电体性使由于感应的损耗不会过高，该种材料例如为不锈钢。
真空腔室4可以装备有窗口22，该窗口22允许粒子束7离开真空腔室。
真空腔室4可以装备有准直仪23，该准直仪23允许外围粒子或辐射停止在该装置的出口处。
真空腔室4可以装备有用于使辐射停止的模块，该模块例如包括高原子序数的材料，例如铁、铅或铀。
真空腔室4还可以装备有偏束模块，该偏束模块允许带电粒子束与具有类似传播方向的辐射分开，该偏束模块例如为基于磁场的偏转模块。
真空腔室4可以通过一个或多个真空泵24被放置并保持在真空下。

Claims (15)

1.一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置，所述装置包括：
真空腔室(4)，在所述真空腔室(4)中放置有靶(5)，所述靶(5)在所述靶(5)与激光脉冲(3)的相互作用的期间能够产生激光等离子体(6)；以及
绕组(8)，所述绕组(8)能够被供电，以在所述激光等离子体中产生脉冲磁场(9)，
所述装置的特征在于，所述绕组被放置在基本上穿透到所述真空腔室(4)的内部中且容纳冷却流体(11)的再凹入腔室(10)中。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再凹入腔室(10)包括轴向真空导通导管(12)，所述轴向真空导通导管(12)包括两个轴向端部(13，14)，所述轴向端部的每一者与所述真空腔室(4)连通。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述绕组(8)包括环绕所述轴向真空导通导管(12)的至少一个线圈(15)。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，所述绕组(8)包括环绕所述轴向真空导通导管(12)的两个线圈(15，16)，所述线圈由中央板(17)分开。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再凹入腔室(10)还包括至少一个径向真空导通导管(18)，所述径向真空导通导管(18)包括两个径向端部(19，20)，所述径向端部的每一者与所述真空腔室(4)连通。
6.根据权利要求5所述的装置，其中所述绕组(8)包括环绕轴向真空导通导管(12)的两个线圈(15，16)，所述线圈由中央板(17)分开，并且其中，所述径向真空导通导管(18)位于将所述两个线圈(15，16)分开的所述中央板(17)中。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述靶(5)基本上被放置在所述绕组(8)的中间。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述靶(5)基本上被放置在所述绕组(8)的一个端部处。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却流体(11)为气体或液体。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述冷却流体(11)为液氮或液氦。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再凹入腔室(10)包括弱导电耐真空材料。
12.根据权利要求1所述的装置，其中，所述再凹入腔室(10)包括不锈钢。
13.根据权利要求1所述的装置，其中，所述脉冲磁场(9)为磁场强度高于10特斯拉的磁场。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，所述装置还包括用于发出激光脉冲(3)的激光源(2)，所述激光脉冲(3)能够与所述靶(5)相互作用，以产生所述激光等离子体(6)，并且其中，所述激光脉冲具有基本上包括在1吉瓦与1拍瓦之间的功率。
15.根据权利要求14所述的装置，其中，所述激光脉冲(3)具有基本上包括在10飞秒与10纳秒之间的持续时间。
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