CN105977785A - 一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，首先使用激光与激光靶系统相互作用，通过尾波场加速产生带电粒子，然后所产生带电粒子入射晶体靶系统，通过沟道效应产生光子。本发明有效改善了光子辐射源的能量、时间、空间等品质，能够获得能量分布近似高斯、脉冲宽度达到飞秒、前向性良好的光子辐射源。本发明所产生光子辐射源，可用于建设超快强脉冲γ激光源。

Description

一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法

技术领域

本发明涉及基于激光尾波场加速和沟道效应的光子辐射源，属于核技术及应用、高能量密度物理、粒子物理与原子核物理等多学科交叉领域中辐射源研究。

背景技术

光子辐射源在核科学、材料、考古、地球科学、生物医学领域有着广泛的应用。光子辐射源主要分为韧致辐射光源、同位素光子辐射源、中子辐射俘获-康普顿散射光子辐射源、正带电粒子湮没光子辐射源。其中韧致辐射光源无法提供准单能γ能谱；同位素光子辐射源存在能量单一，源参数无法调节的缺点；中子辐射俘获-康普顿散射光子辐射源需要中子源，并且屏蔽准直系统复杂；正带电粒子湮没光子辐射源造价高昂，辐射源强度较低，并且存在较强本底。以上几种光子辐射源均存在可调性差、单色性差、方向性差等缺点。为得到方向性良好的准单能光子辐射源，人们目前大力研制自由电子激光器，利用电子行进中的横向摆动与它所产生的电磁波的自耦合产生光子，电子激光器是将自由带电粒子能量通过康普顿散射、正带电粒子湮没、切伦科夫过程转换为光子能量，目前的自由电子激光器中自由电子由传统加速器提供，另外自由电子将能量交付给光子的过程也所需要相关系统。

沟道效应是20世纪50年代发现的物理现象，所谓沟道效应是指当带电粒子束入射到晶体上，当入射方向与晶轴(或晶面)的夹角足够小时，库仑作用将使入射粒子被限制在晶轴(或晶面)之间运动，而穿透率特别高的现象，而在这过程中将产生高亮度、高单色性光子。同自由带电粒子激光器相比,作沟道运动的带电粒子将受到上百万高斯的晶格场作用,而晶格间距只有埃的量级,正是这个原因导致沟道效应产生光子的能量比自由带电粒子激光高得多。但是入射晶体的带电粒子发生沟道效应条件苛刻，通常要求带电粒子的发射度在mrad量级，因此应用受到限制。激光尾波场加速是近年来发展迅速的新型加速方式，具有加速成本低，加速带电粒子品质高的的特点，其加速的带电粒子的不仅能量高，而且具有良好的方向性，带电粒子的发射度处于mrad量级，完全符合发生沟道效应的要求。但目前并未发现同时将激光尾波场与沟道效应用于光子辐射源建设。

与目前的韧致辐射光源、同位素光子辐射源、中子辐射俘获-康普顿散射光子辐射源、正带电粒子湮没光子辐射源不同的是：本发明使用自由带电粒子作为γ光子的来源，与目前的自由带电粒子激光器不同的是：本发明的自由带电粒子是通过沟道效应产生光子，并且使用激光作为自由带电粒子的来源。本发明将激光尾波场与沟道效应相结合，产生具有单能、定向、可调的光子辐射源，将会为各个领域提供独一无二的光子辐射源。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，该方法基于激光尾波场加速和沟道效应，有效改善了光子辐射源的单色性、方向性、时间分辨能力；本发明可用于建设超快强脉冲γ激光源。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，至少包括激光发生器系统、激光靶系统、晶体靶系统；其中：

(1)激光发生器系统提供本发明能量来源：激光发生器功率大于1Tw，激光发生器发生激光束方式可人工手控发射或自动发射，自动发射激光束重复频率在1-1MHZ，两种方式所产生的激光束的脉冲能量大于10mJ，脉冲能量变异系数小于5％，脉冲对比度大于10⁹，脉冲宽度在1fs-50μs之间。

(2)激光靶系统提供本发明的自由带电粒子来源：基于成熟的激光尾波场加速方案，激光束(2)的预脉冲首先与激光靶系统相互作用在激光靶系统中生成等离子，然后激光束(2)主脉冲与等离子体相互作用，产生与激光的传播方向平行的纵向电场加速带电粒子。

(3)晶体系统提供本发明的光子来源：是指当产生于激光靶束系统的高能带电粒子入射到晶体靶系统上，当入射方向与晶轴(或晶面)的夹角足够小时，库仑作用将使入射粒子被限制在晶轴(或晶面)之间运动，带电粒子总是在中心平面附近振荡，或沿晶轴前进的同时将绕晶轴作椭圆运动,且这些椭圆还不断绕晶轴进动，在这个过程中，由于带电粒子的加速度不为零，从而向外辐射光子，所发射的光子具有良好的方向性，带电粒子的速度v越快，所发射光子发射角γ越小。

具体实现步骤如下：

(1)调节激光发生器系统产生激光束：使用输出功率大于1Tw的激光发生器系统，调节各参数使得到达激光靶系统位置处的激光参数如下：激光束束斑小于50mm、激光束功率密度大于10¹⁵W/cm²，激光束脉冲能量变异系数小于5％，脉冲对比度大于10⁹。

(2)步骤(1)激光束在激光靶系统中通过尾波场加速产生高能带电粒子：激光靶系统可以是固体靶系统或气体靶系统。固体靶材料是由原子序数小于109的元素一种或几种组成的，若是不同元素组成，则不同元素既可均匀分布，也可按元素种类在在激光束入射方向分层分布，固体靶厚度控制在1nm-1cm之间；若选择气体靶系统，则要求激光束功率密度大于10¹⁵W/cm²，气体靶系统至少包括气体供应系统、气体喷嘴系统、同步系统、气压调节系统、气体供应系统所供的气体可以是气体是H₂、N₂、He、Ne、Ar，Kr、Xe中一种或若干种，气体喷嘴系统的喷嘴任意方向尺寸小于10cm，可以是长方形或圆形，气体喷嘴系统开关闭合与步骤(1)激光发生器开关同步关联，由同步系统完成同步，激光束到达气体靶喷嘴系统时保证气体喷嘴系统处于打开状态。气压调节系统调节气体喷嘴系统所喷出气体的压力，调节范围为0.1-100大气压，调节精度在0.01-1大气压。激光束(2)与激光靶系统(3)相互作用产生高能带电粒子。

(3)步骤(2)产生的高能带电粒子轰击晶体靶系统通过沟道效应产生光子：所述晶体靶系统至少包括晶体靶和角度调整系统，其中：晶体靶是由晶体材料，该晶体材料包括但不限于离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体，如LiF、C、Si、Ge、LiF晶体。角度调整系统可调整晶体靶三维坐标和俯仰角度，其中俯仰角度的调整精度小0.1mrad，最终保证其晶体靶已知晶轴或晶面与高能带电粒子(4)入射方向夹角小于临界角β。这时晶体内的电场强度可与原子内的电场强度相比。这种强电场可以将带正电的粒子逼到两晶面之间，沿晶面的一个方向运动。

(4)在晶体靶后可布置磁场区以去除透射过晶体靶的带电粒子：晶体靶系统后布置有磁场区，使得从透射晶体靶过晶体靶的带电粒子能够与沟道辐射光子分开，分开后的带电粒子进入收集器。

综上所述本发明与现有技术相比的有益效果在于：

(1)与已有的基于沟道效应的光子辐射源方案相比：现有基于沟道效应的光子辐射源中自由带电粒子来源为传统的加速器，本发明中自由带电粒子来源为激光靶系统，由激光驱动带电粒子加速，相对于传统加速器，激光驱动带电粒子加速具有成本低、加速梯度高、单色性好、准直性好、脉冲短的优点，尤其是准直性好的优点大大提供了沟道效应的强度，从而使得本发明所产生的沟道效应光子具有成本低、强度高、单色性好、脉冲短的优点。

(2)与现有在建或已建的光子辐射源方案比：现有光子辐射源，包括韧致辐射光源、同位素光子辐射源、中子辐射俘获-康普顿散射光子辐射源、正带电粒子湮没光子辐射源、自由电子激光器，这些光子辐射源中光子产生的物理过程与本发明完全不同，本方面产生光子的物理过程是带电粒子在晶体中的沟道效应，所产生的光子辐射既依赖于带电粒子的质量、电量、速度，同时光子辐射的特征频率(辐射峰)随入射粒子的能量或入射角度的不同而不同，因而它具有连续可调性；

(3)与目前所有光子辐射源相比：本发明的光子辐射源方案是结合激光尾波场加速与沟道效应两种物理过程，因此所产生的光子辐射源兼具激光加速的超快脉冲、能量高优点，并具有沟道效应的单色性好、准直性好的优点。

附图说明

图1为本发明的硬件系统示意图。

图2为本发明中加速所得高能带电粒子束的能谱与束斑示意图。

图3为本发明中激光靶系统的沟道效应的效果图。

图4为通过本发明所产生的光子辐射源情况示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法具体实现如下：

a.调节激光发生器系统1产生激光束2：激光发生器系统1可以是半导体激光器、气体激光器、液体激光器，输出功率大于1TW，通过调节激光发生器系统1中激光参数，如激光波长、激光偏振态、激光脉冲宽度、激光焦斑、对比度，另外调节调节激光发生器系统1中光路参数，如离轴镜位置等参数，最终使得激光束2到达激光靶系统3位置处的参数如下：激光束束斑小于50mm、激光束功率密度大于10¹⁵W/cm²，激光束脉冲能量变异系数小于5％，脉冲对比度大于10^-9。

b.激光束2在激光靶系统3中通过尾波场加速产生高能带电粒子：步骤a中激光束2到达激光靶系统3，激光靶系统3可以是固体靶系统，也可以是气体靶系统。固体靶系统要求固体靶材料是由原子序数小于109的元素一种或几种组成的，若是不同元素组成，则不同元素既可均匀分布，也可按元素种类在在激光束入射方向分层分布，固体靶厚度控制在1nm-1cm之间；气体靶系统至少包括气体供应系统、气体喷嘴系统、同步系统、气压调节系统、气体供应系统所供的气体可以是气体是H₂、N₂、He、Ar中一种或若干种，气体喷嘴系统的喷嘴任意方向尺寸小于10cm，可以是长方形或圆形，气体喷嘴系统开关闭合与步骤a的激光发生器开关同步关联，由同步系统完成同步，保证激光束到达气体靶喷嘴系统50μs前气体喷嘴系统处于打开状态，激光束通过气体靶喷嘴系统50μs后气体喷嘴系统处于闭合状态。气压调节系统调节气体喷嘴系统所喷出气体的压力，调节范围为0.1-100大气压，调节精度在0.01-1大气压。激光束2前端或前一发激光束2到达激光靶系统3时，在激光靶系统3中形成等离子体，当激光束2后端或下一发激光束2到达所形成的等离子体时形成有质动力推动电子向前运动，离子由于质量大将几乎保持不动，因此电子与离子分开，形成加速梯度可以达到GV/m的数量级的激光尾波场，等离子体中带电粒子在激光尾波场中加速成高能带电粒子4。

c.步骤b产生的高能带电粒子4轰击晶体靶系统5通过沟道效应产生光子：晶体靶系统5至少包括晶体靶和角度调整系统，其中：晶体靶是由晶体材料，该晶体材料包括但不限于离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体，如LiF、C、Si、Ge、LiF晶体。角度调整系统可调整晶体靶三维坐标和俯仰角度，其中俯仰角度的调整精度小0.1mrad，最终保证其晶体靶已知晶轴或晶面与高能带电粒子(4)入射方向夹角小于晶体临界角β

$\mathrm{\β}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}\left|V_{max}\right|}{{\mathrm{mc}}^2({\mathrm{\γ}}^2-1)}}---\left(1\right)$

式(1)中γ为高能带电粒子的相对论因子，V_max为高能带电粒子的速度，m为高能带电粒子的质量，c为光速。这时晶体内的电场强度可与原子内的电场强度相比。这种强电场可以将带正电的粒子逼到两晶面之间，沿晶面的一个方向运动。

d.在晶体靶后可布置磁场区6以去除透射过晶体靶的带电粒子：晶体靶系统5后布置有磁场区6，使得从透射过晶体靶的带电粒子7能够与沟道效应产生的光子9分开，分开后的带电粒子7进入收集器8。

如图2所示，本发明所加速的高能带电粒子的能谱。本发明通过调节输出功率为30TW激光发生器系统，使得激光束到达气体靶系统(N₂)时激光束束斑为3mm、激光束功率10¹⁹W/cm²，激光束脉冲能量变异系数3％，脉冲对比度大于10^-9，N₂气体靶系统气体喷嘴为圆形，半径0.5cm，气体喷嘴系统所喷出气体的压力为1个大气压，随后产生了如图2所示的高能带电粒子，其能谱分布近似高斯，中心能量为69MeV，束斑近似椭圆形，长轴为2.6mm,短轴为1.8mm，由束斑推断出高能带电粒子的发射角为2mmrad。

如图3所示，本发明中激光靶系统的沟道效应的效果图。60MeV单能电子以4mrad入射厚度为10μm的金刚石晶体在三种晶向({1,0,0}，{1,1,0}，{1,1,1})下的通过沟道效应产生的光子能谱；金刚石(1,0,0)面的沟道效应产生的光子能谱具有良好的单能性，在140keV处存在一个良好的高斯峰，并且能散度好于2％，峰值强度是低能区的近3倍。

如图4所示，通过本发明所产生的光子辐射源情况。本发明使用输出功率为30TW激光发生器系统、气体靶系统(N2)、激光靶系统(金刚石)，通过调节实验参数，使得激光束到达时激光束束斑为3mm、激光束功率10¹⁹W/cm2，激光束脉冲能量变异系数3％，脉冲对比度大于10⁹，气体靶系统气体喷嘴为圆形，半径0.5cm，气体喷嘴系统所喷出N2气体的压力为1个大气压，激光靶系统的金刚石晶体为1mm厚以(1,0,0)晶面方向面向高能带电粒子束入射方向，(1,0,0)晶面晶面与高能带电粒子入射方向夹角小于3mrad。最终产生的光子辐射源如图4所示，本发明所产生的光子辐射源在能量上具有良好的单色性，同时在方向上也具有出色的准直性。

Claims (9)

1.一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于至少包括三个硬件系统：激光器发生器系统(1)、激光靶系统(3)、晶体靶系统(5)；具体实现步骤如下：

首先使用激光发生器系统(1)产生激光束(2)轰击激光靶系统(3)，导致激光靶系统(3)产生激光尾波场，激光尾波场加速带电粒子产生高能带电粒子(4)；然后所产生的高能带电粒子(4)轰击晶体靶系统(5)，高能带电粒子(4)被晶体靶系统(5)的晶面或晶轴捕获发生沟道效应，高能带电粒子(4)在沟道效应过程中产生光子(9)；同时，沿着光子(9)传播方向布置一个磁场区(6)，利用磁场将带电粒子(7)偏转到收集器(8)中。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述激光发生器(1)功率大于1Tw，激光束(2)的脉冲能量变异系数小于5%，脉冲对比度大于10⁹。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述激光靶系统(3)采用固体靶系统，所述固体靶系统至少包括一个固体靶，固体靶由一种元素或多种元素构成的固体。

4.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述激光靶系统(3)采用气体靶系统，所述气体靶系统至少包括气体喷嘴、气体供应系统、气体调节系统，气体是H2、N2、He、Ne、Ar，Kr、Xe中一种或若干组合。

5.根据权利要求1所示的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述的高能带电粒子(4)的发射角在0-10mrad之间，能量在1-2000MeV之间。

6.根据权利要求1所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述晶体靶系统（5）至少包括晶体靶、角度调整系统、晶面间距调节系统。

7.根据权利要求6所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述晶体靶是指具有已知晶向的单晶结构物质，采用C、Si、Ge或LiF晶体。

8.根据权利要求6所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述角度调整系统可调整晶体靶三维坐标和俯仰角度，其中俯仰角度的调整精度小0.1mrad，最终保证其晶体靶已知晶轴或晶面与高能带电粒子（4）入射方向夹角小于5mrad。

9.根据权利要求6所述的一种基于激光尾波场和沟道效应的光子辐射源产生方法，其特征在于所述晶面间距调节系统可对晶体靶的晶面间距进行调节，调节方法向晶体靶施加包括超声波、交变电场。