CN112188719A - 一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器 - Google Patents

一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，为由一个横截面为直角三角形的介质棱镜和至少一个横截面为直角梯形的介质棱镜组成的多介质直角三棱镜，按激光脉冲入射方向，所有介质棱镜从1开始编号，第1个介质棱镜为直角梯形介质棱镜，最后一个为直角三角形介质棱镜，第1个介质棱镜的横截面的下底等于多介质直角三棱镜横截面上被激光脉冲所入射的那个直角边的边长，每个直角梯形介质棱镜的横截面的斜边与下底的夹角都等于多介质直角三棱镜的底角，直角三角形介质棱镜的横截面的其中一个锐角等于多介质直角三棱镜的底角。本发明在没有采用任何外加措施的情况下避免了粒子偏转，不需要额外的波前矫正技术就可满足激光场与粒子同步。

Description

一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器
技术领域
本发明涉及一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，属于粒子加速器技术领域。
背景技术
粒子加速器作为当代科学研究的重要利器，不仅具有重要的科学价值，而且具有广阔的商用前景。然而，传统加速器能耗高、成本高，这极大地限制了其应用范围，尤其是在一些特殊领域(比如航空航天等对便携性、低能耗需求较高的场景)，加速器的应用推广困难重重。发展新体制加速器，尤其是实现可集成的、便携式芯片级片装加速器一直是研究者们追求的目标。
基于激光驱动微纳结构的激光介质加速器(DLA)是最有希望实现这一目标的方案之一。它一方面利用高强度的激光脉冲(峰值功率比传统微波加速器的微波功率高几个量级)，可以提供更大的加速场强；另一方面，它利用高损伤阈值的介质(击穿电场比传统微波加速器的金属波导结构提高几个量级)，使可承受的加速梯度提高几个量级。此外，它利用当前先进的微纳加工技术，可以实现芯片级的微纳介质结构，这些结合使得高加速梯度的片装加速器成为可能。
但现有DLA在实际应用中面临如下问题：1)DLA必须采用周期结构且周期很小，加工比较困难，同时限制了可被加速的粒子团的电荷量；2)DLA的加速结构存中激光传输存在严重色散，激光利用率低；3)DLA存在严重的粒子偏转，限制了粒子的加速长度。因此，解决DLA在实际应用中面临的问题是发展真正片装加速器的关键。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，解决了DLA在实际应用中面临的问题。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，所述粒子加速器为由一个横截面为直角三角形的直角三角形介质棱镜和至少一个横截面为直角梯形的直角梯形介质棱镜组成的多介质直角三棱镜；按激光脉冲入射方向，将所有介质棱镜从1开始编号，第1个介质棱镜为直角梯形介质棱镜，最后一个介质棱镜为直角三角形介质棱镜，第1个介质棱镜的横截面的下底等于多介质直角三棱镜横截面上被激光脉冲所入射的那个直角边的边长，将多介质直角三棱镜上被激光脉冲所入射的那个直角面与斜面的夹角记为多介质直角三棱镜的底角，每个直角梯形介质棱镜的横截面的斜边与下底的夹角都等于多介质直角三棱镜的底角，直角三角形介质棱镜的横截面的其中一个锐角等于多介质直角三棱镜的底角，另一个锐角等于90°减去多介质直角三棱镜的底角；
每个介质棱镜的折射率、粒子速度满足如下关系式：
Figure BDA0002723893570000021
其中，ni表示第i个介质棱镜的折射率，v0表示粒子初始速度，δi表示粒子在经过前面i-1个介质棱镜加速后速度的增量，c表示真空中的光速，α表示多介质直角三棱镜的底角。
作为本发明的一种优选方案，所述介质棱镜所采用的材料由介质棱镜的折射率决定。
作为本发明的一种优选方案，所述直角三角形介质棱镜和直角梯形介质棱镜的损伤阈值为1～3焦耳/平方厘米。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、在以往DLA中，横向电磁场将对粒子施加横向电磁力，导致粒子偏转，在本发明中，当粒子速度接近光速的情况下，两个横向偏转力近似相互抵消，这极大程度上减弱了粒子的偏转。而本发明在没有采用任何外加措施的情况下就避免了粒子偏转。
2、本发明不需要额外的波前矫正技术即可满足激光场与粒子的同步。并且，它利用同一个激光波形就可以实现对粒子的全程加速，极大提高了加速效率。
附图说明
图1是本发明基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器的三维示意图。
图2是本发明实施例仿真得到粒子能量随运动距离的变化关系。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明提供一种利用激光脉冲驱动介质片堆积结构的粒子加速器，其原理图如图1所示，它利用平行极化的激光脉冲入射到由若干高损伤阈值的介质棱镜组成的多介质直角三棱镜的一个直角面，待加速的粒子沿多介质直角三棱镜的斜面平行运动。介质棱镜通常选择损伤阈值较高的材料，一般在1～3焦耳/平方厘米，这比通常金属的损伤阈值高了两个量级左右。激光入射到多介质直角三棱镜里面，将在斜面激励起表面波，表面波的纵向电场分量会对粒子进行加速或减速。当每个介质棱镜的折射率、粒子速度、以及棱镜角满足关系式：
Figure BDA0002723893570000031
其中ni是第i个介质棱镜的折射率，v0是粒子初始速度，δi是粒子在经过前面i-1段介质棱镜加速后速度的增量，c是真空中的光速，α为多介质直角三棱镜的底角，即激光脉冲入射面与斜面的夹角，如图1。当上述公式的关系满足时，粒子运动速度将一直与表面波相速度接近，即粒子与加速场同步。通过设计使粒子处在加速相位，即可实现对粒子的持续加速。
下面以一实施例进行说明。
多介质直角三棱镜由一个直角三角形介质棱镜和两个直角梯形介质棱镜构成。各个介质棱镜在电子运动方向的长度分别为L1＝70微米，L2＝120微米，L3＝170微米，多介质直角三棱镜的底角α为45度，三个介质棱镜的折射率分别为：n1＝1.82，n2＝1.7，n3＝1.6，电子的初始动能为300千电子伏特，采用的激光脉冲峰值场强8吉伏/米(GV/m)。
图2为仿真和计算得到辐射频率随电子注能量的变化关系。从图中可以看到电子动能从300千电子伏特增加到600千电子伏特，成功实现对电子的加速。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，其特征在于，所述粒子加速器为由一个横截面为直角三角形的直角三角形介质棱镜和至少一个横截面为直角梯形的直角梯形介质棱镜组成的多介质直角三棱镜；按激光脉冲入射方向，将所有介质棱镜从1开始编号，第1个介质棱镜为直角梯形介质棱镜，最后一个介质棱镜为直角三角形介质棱镜，第1个介质棱镜的横截面的下底等于多介质直角三棱镜横截面上被激光脉冲所入射的那个直角边的边长，将多介质直角三棱镜上被激光脉冲所入射的那个直角面与斜面的夹角记为多介质直角三棱镜的底角，每个直角梯形介质棱镜的横截面的斜边与下底的夹角都等于多介质直角三棱镜的底角，直角三角形介质棱镜的横截面的其中一个锐角等于多介质直角三棱镜的底角，另一个锐角等于90°减去多介质直角三棱镜的底角；
每个介质棱镜的折射率、粒子速度满足如下关系式：
Figure FDA0002723893560000011
其中，ni表示第i个介质棱镜的折射率，v0表示粒子初始速度，δi表示粒子在经过前面i-1个介质棱镜加速后速度的增量，c表示真空中的光速，α表示多介质直角三棱镜的底角。
2.根据权利要求1所述基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，其特征在于，所述介质棱镜所采用的材料由介质棱镜的折射率决定。
3.根据权利要求1所述基于激光驱动介质片堆积的粒子加速器，其特征在于，所述直角三角形介质棱镜和直角梯形介质棱镜的损伤阈值为1～3焦耳/平方厘米。
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