CN112911784B - 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置 - Google Patents

一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112911784B
CN112911784B CN202110164228.4A CN202110164228A CN112911784B CN 112911784 B CN112911784 B CN 112911784B CN 202110164228 A CN202110164228 A CN 202110164228A CN 112911784 B CN112911784 B CN 112911784B
Authority
CN
China
Prior art keywords
channel
discharge
laser
discharge electrode
capillary
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110164228.4A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112911784A (zh
Inventor
林晨
杨童
晏炀
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Peking University
Original Assignee
Peking University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Peking University filed Critical Peking University
Priority to CN202110164228.4A priority Critical patent/CN112911784B/zh
Publication of CN112911784A publication Critical patent/CN112911784A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112911784B publication Critical patent/CN112911784B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/04—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof
    • H05H2007/043—Magnet systems, e.g. undulators, wigglers; Energisation thereof for beam focusing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Abstract

本发明公开一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置，涉及激光加速的宽能谱脉冲质子束流传输技术领域，包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、放电电路、第一安装件和第二安装件；所述放电电路的负极连接所述第一放电电极；所述放电电路的正极连接所述第二放电电极；所述放电电路用于为所述第一放电电极和所述第二放电电极提供电压降；所述第一放电电极和所述第二放电电极利用所述电压降击穿所述第四通道中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体，所述等离子体形成承载强放电电流的同时使穿越所述第四通道的所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦。本发明公开的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，能够实现激光加速宽能谱束流的短程聚焦。

Description

一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置
技术领域
本发明涉及激光加速的宽能谱脉冲质子束流传输技术领域，特别是涉及一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置。
背景技术
带电粒子加速器是高能物理和核物理等研究领域，以及材料、生物和医疗等应用领域的重要工具。庞大的体积、昂贵的建造维护费用成为了目前加速器在许多应用领域发展的主要瓶颈，急切需要技术的革新。
激光加速器利用超强激光与等离子体相互作用，在厘米甚至微米尺度上就可以将电子或离子加速到相对论能量。截至目前，激光加速已经成功获得能量4.2GeV的准单能电子束和最高能量为93MeV的质子束以及0.5GeV的碳离子束。这种超小型加速器，特别是离子加速器，在癌症治疗、空间辐射环境模拟、聚变科学等领域都具有重要的应用价值。
激光加速质子束具有散焦大、能谱宽、流强高、脉冲短、束斑小的显著特征，已经有研究尝试了永磁四级透镜、脉冲螺线管和激光触发微透镜等新方法对激光加速脉冲质子束流聚焦。然而传统聚焦装置螺线管由于结构本身的限制，能够提供的聚焦力不足；传统聚焦装置永磁四级铁聚焦能力比螺线管强，但是单个不能实现轴对称聚焦，只能通过多个永磁四级铁组合，组合透镜尺寸大、传输距离长。采用传统聚焦装置如螺线管、永磁四级铁传输这样的离子束具有很强的挑战性：传统聚焦装置聚焦能力有限，不具备短程聚焦的能力，也很难抵消高流强束流因空间电荷效应导致的发散；而且体积庞大，在激光加速器上应用它们将丧失其小型化的优势；其中，短程聚焦即焦距短，在厘米量级，作用就是在短距离内获得小尺寸束斑。空间电荷效应即束流内部的带同号电荷的粒子会相互排斥而造成束流的自然发散，束斑尺寸越小，电荷密度越高，空间电荷效应越强。传统聚焦装置传输束流的管道是真空的，无法抑制空间电荷，传输束斑在毫米量级；传统聚焦装置不具备良好的消色散能力，色散即不同能量带电粒子的焦距不同，传统聚焦装置无法短程聚焦，不同能量粒子的焦距差异大，消色散能力差，在传输过程中，与目标能量差别大的带电粒子就会打到传输管道的管壁上而损失，传输宽能谱的束流时就会损失大量粒子。许多质子束应用领域，例如医学治疗对束流能谱分布、电量分布有着严格限制，传统聚焦装置必须利用复杂磁透镜组合方案才能实现。
综上，传统聚焦装置聚焦激光加速束流的缺陷是十分明显的：激光加速束流的焦斑尺寸特别小，空间电荷力大，传统聚焦装置无法中和空间电荷；激光加速束流为宽能谱，传统聚焦装置不具备良好的消色散能力；传统聚焦装置由于电流承载能力的限制，提供的聚焦力有限，尺寸大，传输距离长。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置，能够实现激光加速宽能谱束流的短程聚焦。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置，所述装置包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、放电电路、第一安装件和第二安装件；
所述第一安装件和所述第二安装件用于将所述第一放电电极和所述第二放电电极分别固定于所述毛细管的两端；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极和所述第二放电电极包裹所述毛细管；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极、所述第二放电电极和所述毛细管均设置于真空中；
所述第一安装件的中部设置第一通道；所述毛细管的两端分别设置关于所述第一通道对称的第二通道和第三通道；所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道的通道方向一致；所述毛细管的中部设置第四通道；所述毛细管与所述第一安装件之间设置第五通道；所述第四通道贯穿所述第一放电电极和所述第二放电电极；所述第四通道和所述第五通道均与所述第二通道和所述第三通道的通道方向垂直；所述第四通道与所述第二通道和所述第三通道均连通；所述第五通道与所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道均连通；所述第一通道为气体入口；所述第四通道为激光加速的脉冲质子束流聚焦通道；气体经所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道和所述第三通道进入所述第四通道；所述激光加速的脉冲质子束流经第一端口进入所述第四通道；所述第一端口为所述第四通道贯穿所述第二放电电极形成的端口；
所述放电电路的负极连接所述第一放电电极；所述放电电路的正极连接所述第二放电电极；所述放电电路用于为所述第一放电电极和所述第二放电电极提供电压降；所述第一放电电极和所述第二放电电极利用所述电压降击穿所述第四通道中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体，所述等离子体形成承载强放电电流的同时使穿越所述第四通道的所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦。
可选地，所述放电电路分别与所述第一放电电极和所述第二放电电极焊接。
可选地，所述第一放电电极和所述第二放电电极的材料均为金属材料或石墨材料。
可选地，所述金属材料包括铜。
可选地，所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道由块状壁材料激光刻蚀获得。
可选地，所述毛细管的材料为耐烧蚀的绝缘材料。
可选地，所述绝缘材料包括人造蓝宝石。
可选地，所述第一通道连接充气管道，所述充气管道连接气源；所述气源为盛有所述气体的钢瓶；所述充气管道与所述气源之间设置调节阀门；所述调节阀门与压力控制器连接；所述调节阀门根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道内所述气体的压强稳定。
可选地，所述放电电路具体包括高压电源、等离子体开关、泄放电阻和放电电容；
所述放电电容和所述泄放电阻均与所述高压电源串联，所述等离子体开关并联在所述高压电源的两端，所述毛细管并联在所述泄放电阻的两端；所述等离子体开关断开时，所述高压电源对所述放电电容进行充电；充电完成后，所述高压电源关闭；当所述激光加速的脉冲质子束流经所述第一端口进入所述第四通道时，所述等离子体开关闭合，所述放电电容两端的电压加载到所述第一放电电极和所述第二放电电极上；在不使用所述毛细管对所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦时，所述等离子体开关闭合，所述泄放电阻释放所述放电电容储存的电能。
可选地，所述气体包括氢气。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，利用毛细管在外接放电电路提供强电流的配合下，使强电流脉冲通过毛细管，电流内部产生轴对称聚焦磁场，聚焦力比永磁四级铁还要大一个量级，而且是轴对称的，因此获得了短的焦距，因为焦距短，不同能量粒子的焦距差异小，因此消色散能力强。通过控制激光与等离子体开关之间的触发延迟，可以在放电等离子形成承载强电流的同时，让激光加速的脉冲质子束流穿越毛细管，激光加速质子束初始焦斑小、密度高，毛细管等离子体本身能够有效中和高密度脉冲质子束流的空间电荷，抑制束流发散。本发明能够实现对激光加速的高密度、小束斑、宽能谱、窄脉宽的脉冲质子束流短程聚焦和消色散聚焦，整个装置尺寸仅有几个厘米，安装简便灵活，可调性高，将整个束流传输设备小型化。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明激光加速脉冲质子束的聚焦装置实施例的剖面结构示意图。
具体实施方式
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清楚、完整地描述，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。
本发明的目的是提供一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置，能够实现激光加速宽能谱束流的短程聚焦。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明激光加速脉冲质子束的聚焦装置实施例的剖面结构示意图。参见图1，该激光加速脉冲质子束的聚焦装置包括毛细管2、第一放电电极1-1、第二放电电极1-2、放电电路b、第一安装件3-1和第二安装件3-2。其中，第一放电电极1-1、第二放电电极1-2、毛细管2、第一安装件3-1和第二安装件3-2组成电离毛细管a，电离毛细管a在真空内使用，第一安装件3-1和第二安装件3-2要求绝缘密封，以防止高压击穿或漏气。
所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2的材料均为良导体材料，该良导体材料包括金属材料和石墨材料，该金属材料包括铜，所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2的材料为铜，形状为圆环，能够保证电离高压电位的均匀性。所述毛细管2的材料为耐高温、耐烧蚀的绝缘材料，以承受气体弧光放电过程，该绝缘材料包括人造蓝宝石。
所述第一安装件3-1和所述第二安装件3-2用于将所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2分别固定于所述毛细管2的两端；所述第一安装件3-1、所述第二安装件3-2、所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2包裹所述毛细管2。该包裹为密封包裹。所述第一安装件3-1、所述第二安装件3-2、所述第一放电电极1-1、所述第二放电电极1-2和所述毛细管2均设置于真空中。所述第一安装件3-1分别与所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2接触；所述第二安装件3-2分别与所述第一放电电极1-1、所述第二放电电极1-2和所述毛细管2接触；所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2均与所述毛细管2接触。
所述第一安装件3-1的中部设置第一通道9-1。
所述毛细管2的两端分别设置关于所述第一通道9-1对称的第二通道9-2和第三通道9-3。所述第一通道9-1、所述第二通道9-2和所述第三通道9-3的通道方向一致。
所述毛细管2的中部设置第四通道9-4；所述第二通道9-2、所述第三通道9-3和所述第四通道9-4构成毛细管道，该毛细管道由块状壁材料激光刻蚀获得，通常为“一横两竖”的“π”形状，横向为等离子体通道，竖向为气体入口。其中，“一横两竖”的“π”形状是实验经验和气流模拟获得的结果，可通过气体动力学分析定性得到，这种结构能使毛细管2内部、第一放电电极1-1和第二放电电极1-2两端的气体密度均匀且恒定。
所述毛细管2与所述第一安装件3-1之间设置第五通道9-5。
所述第四通道9-4贯穿所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2。
所述第四通道9-4和所述第五通道9-5均与所述第二通道9-2和所述第三通道9-3的通道方向垂直。
所述第四通道9-4与所述第二通道9-2和所述第三通道9-3均连通。
所述第五通道9-5与所述第一通道9-1、所述第二通道9-2和所述第三通道9-3均连通。
所述第一通道9-1为气体入口；所述第四通道9-4为激光加速的脉冲质子束流聚焦通道。所述第一通道9-1连接充气管道，所述充气管道连接气源；所述气源为盛有所述气体的钢瓶；所述充气管道与所述气源之间设置调节阀门；所述调节阀门与压力控制器连接；所述压力控制器设置于所述充气管道的上游，用于维持气体入口压强稳定；气体压强决定了毛细管道内部的气体密度，气体密度影响毛细管2的电流承载能力，一般取压强在几十到几百torr量级。所述调节阀门根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道9-1、所述第五通道9-5、所述第二通道9-2、所述第三通道9-3和所述第四通道9-4内所述气体的压强稳定。气体经所述第一通道9-1、所述第五通道9-5、所述第二通道9-2和所述第三通道9-3进入所述第四通道9-4；所述激光加速的脉冲质子束流经第一端口B进入所述第四通道9-4；所述第一端口B为所述第四通道9-4贯穿所述第二放电电极1-2形成的端口。所述气体为易电离、无毒、高稳定性的气体，该气体包括氢气，毛细管道内充入氢气，压强为100torr。
图1中特殊的毛细管道设计使管道内部、第一放电电极1-1和第二放电电极1-2两端的气体密度均匀且恒定，保证了电离过程中的电流密度均匀。毛细管2的内径(整根毛细管2的直径)在百微米到几个毫米量级，例如，内径为500微米，长度为3厘米。管道接收孔径小，因此装置使用时，整个毛细管设备需要利用六轴(三轴空间位置、三轴角度)电控台精确调节，确保与质子源的位置和束流入射方向一致。毛细管2工作时，第一放电电极1-1与第二放电电极1-2之间的气体发生弧光放电。
所述放电电路b的负极连接所述第一放电电极1-1；所述放电电路b的正极连接所述第二放电电极1-2；该连接为焊接。
所述放电电路b用于为所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2提供电压降。
所述放电电路b具体包括高压电源4、等离子体开关5、泄放电阻7和放电电容6。所述高压电源4为30kV电源。所述等离子体开关5为晶闸管。所述放电电容6为1.7nF电容。
所述放电电容6和所述泄放电阻7均与所述高压电源4串联，所述等离子体开关5并联在所述高压电源4的两端，所述毛细管2并联在所述泄放电阻7的两端。所述等离子体开关5断开时，所述高压电源4对所述放电电容6进行充电。充电完成后，所述高压电源4关闭；当所述激光加速的脉冲质子束流经所述第一端口B进入所述第四通道9-4时，所述等离子体开关5闭合，所述放电电容6两端的电压加载到所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2上。所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2利用所述电压降击穿所述第四通道9-4中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体，所述等离子体形成承载强放电电流的同时使穿越所述第四通道9-4的所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦。在不使用所述毛细管2对所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦时，所述等离子体开关5闭合，所述泄放电阻7释放所述放电电容6储存的电能，保证人员安全。所述泄放电阻7为1MΩ电阻。
所述放电电路b还包括高压电缆8。所述高压电缆8为同轴电缆，用于穿越真空和大气的转接。
图1中放电电路b除去泄放电阻7和高压电源4的部分为RC型放电回路，整个电路通过晶闸管切换放电模式和充电模式。充电工作时，高压电源串联大容量电容，对其进行充电，电压越高，电容越大，放电电流越强；随后，晶闸管导通，放电回路导通，电路由充电转为放电状态，电容两端电压加载到毛细管2两端电极上，击穿其间气体弧光放电。毛细管2内部的气体电离为等离子体，能够承载极大的电流强度，且电阻极低，能量损耗小。
强电流脉冲通过毛细管2，根据安培定律，电流内部产生轴对称聚焦磁场，其分布：
Figure BDA0002937018980000081
磁场的梯度可达几千个T/m，对应的聚焦强度为：
Figure BDA0002937018980000082
其中，B表示磁场大小，μ0表示真空磁导率，r表示到毛细管的轴线的径向距离，R表示毛细管的内径，I表示通过毛细管的电流，K表示B对应的聚焦强度，q表示带电粒子电量，m表示带电粒子质量，v表示带电粒子的速度。实际使用中，设计管道内径为所聚焦束斑尺寸的3倍以获得充分聚焦。
通过控制激光与等离子体开关之间的触发延迟，可以在放电等离子形成承载强电流的同时让激光加速的脉冲质子束流从第一端口B穿越毛细管2。其中，放电脉冲的形成过程为：第一放电电极1-1和第二放电电极1-2加载高电压(该高电压远大于这段气体的击穿电压)后，气体两端电极之间存在巨大电位降，管道内部产生巨大电场将气体电离为等离子体，并进行弧光放电。气体一旦电离为弧光放电等离子体，在电路中可视为良导体导线。其两端的电压与气体参数及放电过程有关，但是电压相比电容电压来说很小，可忽略。放电的电流取决于RC放电回路的电流。气体击穿后，就是放电回路的一段导线，其电流就是放电回路的电流。信号延迟时间(触发延迟)等于激光脉冲周期减去放电回路电流上升时间，上升时间可由放电电容6调节。具体的控制过程为：激光器产生第一发脉冲激光，并且激光器提供与激光脉冲时间上严格同步的高电平信号。高电平信号可接入信号延迟器延迟，延迟后接到闸流管上，闸流管可由高电平上升沿触发。触发后电路导通，气体放电，在放电电流峰值时刻，第二发脉冲激光同步加速质子束流。激光加速质子束初始焦斑小、密度高，毛细管等离子体本身能够有效中和高密度脉冲质子束流的空间电荷，抑制束流发散。与此同时，在电流产生的强聚焦磁场作用下，聚焦的焦距可描述为：
Figure BDA0002937018980000091
其中，L表示毛细管的长度，f表示焦距大小，一般在厘米量级。根据束流接收位置选择放电电路b的放电电流。当束流接收位置设在焦点，即可根据焦距计算不同的电流。因此，毛细管具有很强的聚焦能力。电离毛细管内部具有轴对称的高梯度磁场分布，相比传统聚焦装置，消色散能力明显提高，即焦距对质子束能量的依赖不明显。
激光加速的脉冲质子束流近似为打靶点处的点源，对于既定的电离毛细管，其传输特性只取决于放电电流的变化，通过调节充电回路的充电电压，可以控制放电回路的放电电流，达到对不同中心能量束流的最佳聚焦效果，聚焦参数十分容易调节。整个装置尺寸仅有几厘米，安装简便灵活，可调性高。
本实施例采用30kV的充电电压和1.7nF的电容，能够提供峰值强度为300A的放电电流。在该电流强度下，聚焦5±1.5MeV宽能谱的激光加速质子束焦距为2.8厘米，束斑大小仅为26微米。
本发明公开一种基于放电等离子体的高梯度聚焦装置，适用于激光加速束流，采用等离子体作为传输介质，基于等离子体通道实现短程聚焦，等离子体具有极强的电磁承受能力，可以承载大电流，而大电流内部能够产生极强的轴对称聚焦磁场，因此能够获得短的焦距。等离子体能够中和空间电荷，因此抑制束流的自然发散，可以将束斑维持在几十微米量级。本发明采用强电流内部的磁场，聚焦力比永磁四级铁(目前世界上最先进的四级铁)还要大一个量级，而且是轴对称的，因此获得了短的焦距，由于焦距短，不同能量粒子的焦距差异小，因此消色散能力强，由于消色散能力强，因此能够聚焦不同能量的带电粒子(即宽能谱束流)到几乎相同的位置，从而减小粒子损失。本发明利用等离子体放电的弧光放电电流产生的高梯度轴对称磁场聚焦，通过调节脉冲放电电流的大小和脉冲时间，实现对束流能谱分布、电量分布进行控制，聚焦力强，焦距短。
本发明公开的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，利用电离毛细管在外接放电电路提供强电流的配合下，实现了对激光加速的高密度、小束斑、宽能谱、窄脉宽的脉冲质子束流短程消色散聚焦，其中，短程聚焦能够达到将整个束流传输设备小型化的效果，整个聚焦装置尺寸小，消色散聚焦能够达到传输宽能谱束流的效果。该聚焦装置可装到平行台上，其位置和姿态均容易调节，外电路电流容易调节，整个装置具有很高的可调性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述装置包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、放电电路、第一安装件和第二安装件；
所述第一安装件和所述第二安装件用于将所述第一放电电极和所述第二放电电极分别固定于所述毛细管的两端；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极和所述第二放电电极包裹所述毛细管；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极、所述第二放电电极和所述毛细管均设置于真空中；
所述第一安装件的中部设置第一通道；所述毛细管的两端分别设置关于所述第一通道对称的第二通道和第三通道；所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道的通道方向一致；所述毛细管的中部设置第四通道；所述毛细管与所述第一安装件之间设置第五通道；所述第四通道贯穿所述第一放电电极和所述第二放电电极；所述第四通道和所述第五通道均与所述第二通道和所述第三通道的通道方向垂直；所述第四通道与所述第二通道和所述第三通道均连通；所述第五通道与所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道均连通；所述第一通道为气体入口；所述第四通道为激光加速的脉冲质子束流聚焦通道；气体经所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道和所述第三通道进入所述第四通道；所述激光加速的脉冲质子束流经第一端口进入所述第四通道；所述第一端口为所述第四通道贯穿所述第二放电电极形成的端口；整根毛细管的直径在百微米到几个毫米量级；所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道构成毛细管道；管道接收孔径小，装置使用时，整个毛细管设备利用六轴即三轴空间位置、三轴角度电控台精确调节，确保与质子源的位置和束流入射方向一致；所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道由块状壁材料激光刻蚀获得；
所述放电电路的负极连接所述第一放电电极；所述放电电路的正极连接所述第二放电电极；所述放电电路用于为所述第一放电电极和所述第二放电电极提供电压降；所述第一放电电极和所述第二放电电极利用所述电压降击穿所述第四通道中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体，所述等离子体形成承载强放电电流的同时使穿越所述第四通道的所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦；所述放电电路具体包括高压电源、等离子体开关、泄放电阻和放电电容；所述放电电容和所述泄放电阻均与所述高压电源串联，所述等离子体开关并联在所述高压电源的两端，所述毛细管并联在所述泄放电阻的两端；所述等离子体开关断开时，所述高压电源对所述放电电容进行充电；充电完成后，所述高压电源关闭；当所述激光加速的脉冲质子束流经所述第一端口进入所述第四通道时，所述等离子体开关闭合，所述放电电容两端的电压加载到所述第一放电电极和所述第二放电电极上；在不使用所述毛细管对所述激光加速的脉冲质子束流实现聚焦时，所述等离子体开关闭合，所述泄放电阻释放所述放电电容储存的电能；通过控制激光与等离子体开关之间的触发延迟，在放电等离子形成承载强电流的同时，让激光加速的脉冲质子束流穿越毛细管；信号延迟时间，即触发延迟等于激光脉冲周期减去放电回路电流上升时间，上升时间由放电电容调节；具体的控制过程为：激光器产生第一发脉冲激光，并且激光器提供与激光脉冲时间上严格同步的高电平信号；高电平信号接入信号延迟器延迟，延迟后接到闸流管上，闸流管由高电平上升沿触发；触发后电路导通，气体放电，在放电电流峰值时刻，第二发脉冲激光同步加速质子束流；激光加速质子束初始焦斑小、密度高，毛细管等离子体本身能够有效中和高密度脉冲质子束流的空间电荷，抑制束流发散；与此同时，电流产生强聚焦磁场；根据束流接收位置选择放电电路的放电电流；通过调节充电回路的充电电压，控制放电回路的放电电流，达到对不同中心能量束流的最佳聚焦效果。
2.根据权利要求1所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述放电电路分别与所述第一放电电极和所述第二放电电极焊接。
3.根据权利要求1所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述第一放电电极和所述第二放电电极的材料均为金属材料或石墨材料。
4.根据权利要求3所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述金属材料包括铜。
5.根据权利要求1所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述毛细管的材料为耐烧蚀的绝缘材料。
6.根据权利要求5所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述绝缘材料包括人造蓝宝石。
7.根据权利要求1所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述第一通道连接充气管道，所述充气管道连接气源；所述气源为盛有所述气体的钢瓶；所述充气管道与所述气源之间设置调节阀门；所述调节阀门与压力控制器连接；所述调节阀门根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道内所述气体的压强稳定。
8.根据权利要求1所述的激光加速脉冲质子束的聚焦装置，其特征在于，所述气体包括氢气。
CN202110164228.4A 2021-02-05 2021-02-05 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置 Active CN112911784B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110164228.4A CN112911784B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110164228.4A CN112911784B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112911784A CN112911784A (zh) 2021-06-04
CN112911784B true CN112911784B (zh) 2022-08-26

Family

ID=76123168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110164228.4A Active CN112911784B (zh) 2021-02-05 2021-02-05 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112911784B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103559993B (zh) * 2013-11-20 2015-09-16 哈尔滨工业大学 预脉冲隔离电感及利用该电感的毛细管放电软x射线激光装置
CN104394642B (zh) * 2014-12-07 2017-03-08 湖南科技大学 激光等离子体共振x光源
CN106163075B (zh) * 2016-07-14 2018-04-13 中国科学院上海光学精密机械研究所 一种充气型放电毛细管的夹持装置
CN111326947B (zh) * 2020-03-04 2021-05-25 上海交通大学 激光等离子体光学装置及产生超短超强中红外脉冲的方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Observation of optical transition radiation from electron beams generated by laser plasma accelerator;LIN Chen等;《Chinese Physics C》;20130201;全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN112911784A (zh) 2021-06-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20090071610A (ko) 의료 치료를 위한 콤팩트 가속기
Belchenko et al. Studies of ion and neutral beam physics and technology at the Budker Institute of Nuclear Physics, SB RAS
JP2011529612A (ja) 中性粒子発生器
Gushenets et al. Electrostatic plasma lens focusing of an intense electron beam in an electron source with a vacuum arc plasma cathode
Faircloth Ion sources for high-power hadron accelerators
US2892114A (en) Continuous plasma generator
CN112911784B (zh) 一种激光加速脉冲质子束的聚焦装置
Frolova et al. Deuterium ions in vacuum arc plasma with composite gas-saturated zirconium cathode in a magnetic field
Arianer et al. Cryebis, a multi-purpose ebis for the synchrotron SATURNE II
US20130188764A1 (en) Systems and methods for generating electron spiral toroids
US3275867A (en) Charged particle generator
Bryzgunov et al. Efficiency improvement of an electron collector intended for electron cooling systems using a Wien filter
CN112930019B (zh) 一种紧凑型同步辐射产生装置
US5382866A (en) Method of focusing a charged particle beam and plasma lens therefor
van der Geer et al. Nonlinear electrostatic emittance compensation in kA, fs electron bunches
Tauschwitz et al. Heavy-ion beam focusing with a wall-stabilized plasma lens
US4748378A (en) Ionized channel generation of an intense-relativistic electron beam
Oks et al. Electron beam extraction from a broad-beam vacuum-arc metal plasma source
Hamilton et al. Multimomentum 650 mA ion source
Ko et al. Pulsewidth and rising time of relativistic electron beam in gas-filled diode
Arianer Generation of the high-Q ions by the Cryebis method
Kondo et al. Well-defined atomic hydrogen target driven by electromagnetic shock wave for stopping power measurement
Manegold et al. Studies of Collision and Compression of Pulsed Plasmas Generated by Coaxial Accelerators
CN112996212A (zh) 一种等离子体通道产生装置
Kim et al. Beam emittance measurements of transformer coupled plasma ion source for focused ion beam

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant