CN105789001B - 一种离子束产生的方法与装置 - Google Patents

Abstract

一种离子束产生的方法，其包括步骤：用一束飞秒激光射击在一个转动的薄金属靶边缘；薄金属靶通过不断的转动在没有受光的位置浸润待电离物；薄金属靶受飞秒激光照射的背面产生一个强电场；强电场将电离产生的各种离子射出；通过飞秒激光的时间信息门控离子束。一种离子束产生的装置，其包括：飞秒激光器模块、几何光学模块、时间测量模块、薄金属靶模块、离子束甄选模块。通过采用本发明的离子束产生的方法与装置，能有效减少高能离子束产生装置的占地面积和功耗，大幅减少离子束的成本，避免由于离子束昂贵而无法装备在低价的医疗系统中，特别适合于离子治疗、材料改性和分析等应用场合。

Description

一种离子束产生的方法与装置

技术领域

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、生物信息和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种离子束的产生方法与装置。

背景技术

离子束是指离子以一定的速度向一个近似相同的方向运动的粒子流。离子束在材料与器件加工、医学诊疗、快点火和高能物理实验当中均有广泛的应用。

现有的离子束产生方法主要是加速器方法。加速器方法主要是通过加速粒子并使不同的粒子撞击，打散原子获得离子的方法。离子源从加速器获得的离子束的能量一般从几百电子伏到几万电子伏。因为用高引出电压方式获得较高能量的离子束受到击穿的限制，所以必须使离子在电场和磁场中加速，这类装置叫做加速器。使用各种加速器可以使离子获得很高的能量（如几百吉电子伏），也可以使离子减速，以获得能量较低的（如几十电子伏）但流强很高的离子束。

由于以上方法通常需要较高的成本和运行费用，有必要提出一种制备时间短、体积小、结构简单且成本低廉、运行费用低的离子束产生方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种离子束产生的方法与装置，该方法与装置能在低成本和低运行成本的条件下，产生具有一定速度的离子束。由于该装置不需要将粒子进行对撞，且射出时已经具有一定的动量，可以潜在地成为离子加速器的替代品。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种离子束的产生方法，其包括步骤：

S1：用一束飞秒激光射击在一个转动的薄金属靶边缘；

S2：薄金属靶通过不断地转动，在没有受光的位置浸润待电离物；

S3：薄金属靶受飞秒激光照射的背面产生一个强电场；

S4：强电场将电离产生的各种离子射出；

S5：通过飞秒激光的时间信息门控离子束。

优选地，在上述的离子束的产生方法中，所述的采用的飞秒激光器的脉冲宽度小于周期的千分之五，同时也小于1 纳秒。

优选地，在上述的离子束的产生方法中，所述的转动的金属靶在两个相对地球静止的不同位置分别接受飞秒激光照射和浸润待电离物。

优选地，在上述的离子束的产生方法中，所述的采用的薄金属靶厚度小于2毫米，而可以使飞秒激光电离薄金属靶背后的浸润物质。

优选地，在上述的离子束的产生方法中，所述的在仪器工作时，采用的薄金属靶本身不是消耗品。

优选地，在上述的离子束的产生方法中，所述的离子束，指原子由于自身或外界的作用失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个（氦原子）或没有电子（氢离子、四中子）的稳定微粒所构成的射束。

一种离子束的产生装置，其中包括飞秒激光器模块、几何光学模块、时间测量模块、薄金属靶模块、离子束甄选模块，其中，

飞秒激光器模块，由一台飞秒激光器组成，用于产生超短激光脉冲，产生的激光束射入几何光学模块；

几何光学模块，由带部分透光的反射镜和聚焦反射镜，用于控制飞秒激光在空间上的光路；

时间测量模块，由光电转换器、前端电子学、时间甄别电子学、数字信号处理电路构成，用于测量飞秒激光的光脉冲时间信息；

薄金属靶模块，由转动的薄金属靶、传动装置、带电离物给料装置和电离环境控制器构成，用于薄金属靶的运动控制和持续涂料；

离子束甄选模块，通过制备一个可控电磁场，对薄金属靶直接射出的离子束进行甄选和处理。

从上述技术方案可以看出，通过采用本发明的离子束产生的方法与装置，能在低成本和低运行成本的条件下，产生具有一定速度的离子束。由于该装置不需要将粒子进行对撞，且射出时已经具有一定的动量，可以潜在地成为离子加速器的替代品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）低建造成本：本发明不需要庞大的粒子加速装置；

（2）低运行成本：该发明方法和装置运行时所需要的能源用量明显小于现有技术；

（3）较好的准直性：该发明方法和装置输出的离子束具有较为一致的方向性；

（4）较高的离子通量：该发明方法和装置输出的离子束在相同成本下具有更高的离子流通量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明离子束的产生方法的流程图；

图2为本发明离子束的产生的装置结构图；

图3为本发明的系统原型模块间示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种离子束的产生方法与装置，该方法与装置能有效地产生具有可用通量和准直度的离子束，降低了运行成本和建造成本。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明公开的一种离子束的产生方法与装置通过以低重复频率高功率飞秒激光在薄金属片背后建立鞘层电场射出离子束，再利用相应的电磁场电磁波技术甄选和处理可用的离子束，具体的方法步骤为：

S1：用一束飞秒激光射击在一个转动的薄金属靶边缘；

S2：薄金属靶通过不断地转动，在没有受光的位置浸润待电离物；

S3：薄金属靶受飞秒激光照射的背面产生一个强电场；

S4：强电场将电离产生的各种离子射出；

S5：通过飞秒激光的时间信息门控离子束。

以上离子束产生的方法与装置中，所述的采用的飞秒激光器的脉冲宽度小于周期的千分之五，同时也小于1 纳秒。

以上离子束产生的方法与装置中，所述的转动的金属靶在两个相对地球静止的不同位置分别接受飞秒激光照射和浸润待电离物。

以上离子束产生的方法与装置中，所述的采用的薄金属靶厚度小于2毫米，而可以使飞秒激光电离薄金属靶背后的浸润物质。

以上离子束产生的方法与装置中，所述的在仪器工作时，采用的薄金属靶本身不是消耗品。

以上离子束产生的方法与装置中，所述的离子束，指原子由于自身或外界的作用失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个（氦原子）或没有电子（氢离子、四中子）的稳定微粒所构成的射束。

如图2所示，本发明公开的一种离子束产生的装置，其中包括飞秒激光器模块、几何光学模块、时间测量模块、薄金属靶模块、离子束甄选模块，其中，

飞秒激光器模块，由一台飞秒激光器组成，用于产生超短激光脉冲，产生的激光束射入几何光学模块；

几何光学模块，由带部分透光的反射镜和聚焦反射镜，用于控制飞秒激光在空间上的光路；

时间测量模块，由光电转换器、前端电子学、时间甄别电子学、数字信号处理电路构成，用于测量飞秒激光的光脉冲时间信息；

薄金属靶模块，由转动的薄金属靶、传动装置、带电离物给料装置和电离环境控制器构成，用于薄金属靶的运动控制和持续涂料；

离子束甄选模块，通过制备一个可控电磁场，对薄金属靶直接射出的离子束进行甄选和处理。

图1为本发明离子束的产生方法的流程图；图2为本发明离子束的产生的装置结构图；图3为本发明的系统原型模块间示意图。结合图1、图2及图3，通过几个具体的实施例，对本发明离子束产生方法与装置做进一步描述。本发明提出的单脉冲时间分辨的离子束产生方法与装置，其涉及到的重复频率、光照强度、金属片厚度、浸润物溶度和浸润厚度需要根据与获取数据的特点进行调节以达到足够的质子射出动能和较大的质子流通量。此处列出所涉及的应用实施例处理数据的参数。

实例1：

此处列出本实施例1处理数据的参数：

步骤（1）飞秒激光器的重复频率为1 MHz，激光波长为450nm；

步骤（2）采用半径为50 cm的铝制薄片圆环作为金属靶，浸润待电离物的位置和激光射中位置相差180度，薄片厚度为10微米；

步骤（3）产生鞘层电场的空间不含有其他气氛；

步骤（4）待电离物为H₂O，鞘层电场同时射出氢离子、电子以及少量的氧离子；

步骤（5）通过飞秒激光器输出的脉冲时间，门控射束中不同的离子、电子，挑选其中荷质比及动量在选点窗内的粒子。

实例2：

此处列出本应用实例2处理数据的参数：

步骤（1）飞秒激光器的重复频率为5 KHz，激光波长为350nm；

步骤（2）采用半径为100 cm的铜制薄片圆环作为金属靶，浸润待电离物的位置和激光射中位置相差180度，薄片厚度为12微米；

步骤（3）产生鞘层电场的空间只含有少量的氮气，气压在10^-5个标准大气压以下；

步骤（4）待电离物为CH₄，鞘层电场同时射出氢离子、电子以及少量的碳离子；

步骤（5）通过飞秒激光器输出的脉冲时间，门控射束中不同的离子、电子，挑选其中荷质比及动量在选点窗内的粒子。

本发明涉及高能物理与粒子物理应用、生物信息和生物医学诊疗领域，尤其涉及一种离子束的产生方法与装置。

通过对比可以看出，通过采用本发明的方法与装置能在低成本和低运行成本的条件下，产生具有一定速度的离子束。由于该装置不需要将粒子进行对撞，且射出时已经具有一定的动量，可以潜在地成为离子加速器的替代品。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

（1）低建造成本：本发明不需要庞大的粒子加速装置；

（2）低运行成本：该发明方法和装置运行时所需要的能源用量明显小于现有技术；

（3）较好的准直性：该发明方法和装置输出的离子束具有较为一致的方向性；

（4）较高的离子通量：该发明方法和装置输出的离子束在相同成本下具有更高的离子流通量。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种离子束产生的方法，其特征在于包括步骤：

S1：用一束飞秒激光射击在一个转动的薄金属靶边缘，所述薄金属靶为厚度小于2毫米的片状圆环，所述飞秒激光的脉冲宽度小于周期的千分之五，同时也小于1纳秒，所述飞秒激光的重复频率为5kHz或1MHz；

S2：所述薄金属靶通过不断地转动，在没有受光的位置浸润待电离物，转动的所述薄金属靶在两个相对地球静止的不同位置分别接受所述飞秒激光射击和浸润所述待电离物，两个所述位置在所述薄金属靶上相差180度；

S3：所述薄金属靶受所述飞秒激光射击的背面产生一个强电场；

S4：所述强电场将电离产生的各种离子射出；

S5：通过所述飞秒激光的时间信息门控离子束。

2.根据权利要求1所述的离子束产生的方法，其特征在于：在仪器工作时，采用的薄金属靶本身不是消耗品。

3.根据权利要求1所述的离子束产生的方法，其特征在于：所述离子束，指原子由于自身或外界的作用失去或得到一个或几个电子使其达到最外层电子数为8个或2个或没有电子的稳定微粒所构成的射束。

4.根据权利要求1所述的离子束产生的方法，其特征在于：通过飞秒激光的时间信息门控离子束时，采用飞秒激光器内部产生电路部分的时间信号，或者采用输出激光的时间信号。

5.一种离子束产生的装置，其特征在于包括：飞秒激光器模块、几何光学模块、时间测量模块、薄金属靶模块、离子束甄选模块，其中，

飞秒激光器模块，由一台飞秒激光器组成，用于产生飞秒激光，产生的飞秒激光射入几何光学模块，所述飞秒激光的脉冲宽度小于周期的千分之五，同时也小于1纳秒，所述飞秒激光的重复频率为5kHz或1MHz；

几何光学模块，由带部分透光的反射镜和聚焦反射镜，用于控制飞秒激光在空间上的光路；

时间测量模块，由光电转换器、前端电子学、时间甄别电子学、数字信号处理电路构成，用于测量飞秒激光的光脉冲时间信息；

薄金属靶模块，由转动的薄金属靶、传动装置、待电离物给料装置和电离环境控制器构成，用于薄金属靶的运动控制和持续涂料，所述薄金属靶为厚度小于2毫米的片状圆环，转动的所述薄金属靶在两个相对地球静止的不同位置分别接受所述飞秒激光射击和浸润所述待电离物，两个所述位置在所述薄金属靶上相差180度；

离子束甄选模块，通过制备一个可控电磁场，对薄金属靶直接射出的离子束进行甄选和处理。