CN113543451B - 双束激光驱动离子加速装置 - Google Patents

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Abstract

一种双束激光驱动离子加速装置，主要包括激光分束系统、光学延时系统、预热系统、加速系统。本发明首先利用激光分束系统将主激光脉冲分为预热光和泵浦光，利用光学延时系统调节预热光和泵浦光之间的时间延时，然后利用预热系统将预热光与激光靶相互作用加热扩散激光靶，最后利用加速系统将泵浦光与膨胀扩散的激光靶相互作用加速离子。本发明通过调节双束激光参数可以优化激光离子加速过程中激光靶的密度分布，能有效的加速离子束，具有操作方便、延时精确、重复率高、能量转化效率高等优点。

Description

双束激光驱动离子加速装置
技术领域
本发明涉及激光离子加速技术领域，尤其涉及一种双束激光驱动离子加速装置。
背景技术
紧凑型高品质离子源(低能散、高能量、高流强)在国家能源战略和民用需求方面具有广阔的应用前景，如肿瘤治疗、质子成像、传统加速器的注入级和激光聚变中快点火方案等。2018年诺贝尔物理学奖颁发给了Mourou和Strickland，以表彰他们在超短超强激光脉冲产生方面的贡献；现在，啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)能将激光聚焦功率密度推进甚至超过1022W/cm2量级，这种超短超强激光脉冲为离子加速提供一种全新的物理条件和途径。相比于传统加速器，基于强激光与等离子体相互作用的离子加速的加速梯度能提高4-5个数量级，有望实现加速装置的台式化、小型化，将大大降低加速器的建造费用，有助于肿瘤治疗等应用的推广和普及。因此，激光驱动离子加速逐渐成为国际上非常活跃的前沿研究领域。
根据实际应用的需求，激光加速离子主要研究目标是获得低能散、高能量、高流强的高性能离子束，同时提高激光能量的转化效率。近期，激光驱动的激波加速机制被提出作为一种产生高品质离子束的有效方案。当强激光与近临界密度等离子体相互作用时，离子会在激光有质动力作用下形成一个陡峭的密度峰，然后激发静电激波；当激波的马赫数大于临界马赫数时，激波上游的离子会被这个移动激波的静电场俘获并反射，产生准单能的离子束。激光加速机制关键是要产生近临界密度的等离子体。
利用激波加速机制获得准单能离子束，最早由波长10微米的CO2激光器与气体靶相互作用在实验上实现的。Haberberger等采用线偏振CO2激光脉冲序列(单个脉冲是3皮秒，脉冲间隔为18皮秒)作用在氢气喷流上，获得了20MeV准单能质子束(详见DanHaberberger et al.,Collisionless shocks in laser-produced plasma generatemonoenergetic high-energy proton beams.Nature Physics,2012.95(8):p.95-99.)。然而，CO2激光驱动激波加速机制在现有的激光技术条件下离子能量很难定标到100s MeV量级(100s MeV离子加速需要较高功率的CO2激光系统)，并且激光能量的转换效率很低(远小于1％)。相比于CO2激光，波长800纳米-1000纳米的超短激光能提供功率10PW甚至100PW的高功率激光，有助于将激波加速的离子定标到更高的能量。Hui等人首次提出并验证了800纳米飞秒激光驱动激波加速准单能离子方案，实验上利用预脉冲加热碳薄膜靶并将其扩散成近临界密度等离子体，主激光驱动膨胀靶加速产生了准单能碳离子(详见Hui Zhang etal.,Collisionless shocks driven by 800nm laser pulses generate high-energycarbon ions.Physics of Plasmas,2015.013113(22):p.013113:1-6.)。然而激光的预脉冲是不可控的，因此产生的近临界密度等离子体的密度分布是不稳定的，导致加速产生的离子束参数重复性不强，不能满足肿瘤治疗等实际应用的需求。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种双束激光驱动离子加速装置。该装置具有操作方便、延时精确、重复率高、能量转化效率高等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种双束激光驱动离子加速装置，其特点在于包括激光器、激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统，所述的激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统置于真空室内：所述的激光分束系统为分束镜，所述的光学延时系统由第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜构成，所述的预热系统为凸透镜，所述的加速系统由第四反射镜、离轴抛物面镜和激光靶构成，
沿所述的激光器输出的主激光脉冲方向设置所述的分束镜，该分束镜将主激光脉冲分为预热光和泵浦光；在所述的预热光方向依次是所述的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、凸透镜和激光靶，所述的第二反射镜和第三反射镜放置在电动平移台上，且该电动平移台的移动方向与所述的预热光的传播方向平行，通过所述的电动平移台的移动调节预热光的光程来控制预热光与泵浦光之间的延时；所述的凸透镜放置在支撑架上，该支撑架具有位置和角度的电动调节功能，利用所述的凸透镜将所述的预热光聚焦在激光靶上，加热扩散所述的激光靶；沿所述的泵浦光方向依次是所述的第四反射镜、离轴抛物面镜和激光靶，利用所述的离轴抛物面镜将所述的泵浦光聚焦在膨胀扩散后的激光靶上，加速产生离子束。
所述的主激光脉冲的脉宽范围是15飞秒-500飞秒，中心波长范围是500纳米-1500纳米。
所述的泵浦光聚焦后的光强范围是1018W/cm2-1023W/cm2。
所述的泵浦光和预热光分别聚焦于激光靶的前表面和后表面，且入射方向与激光靶表面法线方向的夹角可以改变。
所述的激光靶的厚度范围是1纳米-10000纳米。所述的激光靶为富含有氢元素的固体薄膜，则所述的加速产生的离子束为质子。
所述的激光靶为富含有碳元素的固体薄膜，则所述的加速产生的离子束为碳离子。
所述的激光靶为金属薄膜，则所述的加速产生的离子束为与金属膜薄相应的金属离子。
所述的膨胀扩散后激光靶的密度大于临界密度ncr＝1×1021/cm3。
本发明有以下几个方面的优点：
1、操作方便：控制预热光的参数主要是通过调节凸透镜(6)的位置和角度来实现的，控制预热光与泵浦光之间的时间延时是通过调节第二反射镜(4)、第三反射镜(5)的位置来实现，这两个方面的调节都可以通过电动控制装置在真空的条件下实现，操作方便，有助于实际应用的推广。
2、延时精确：预热光和泵浦光之间的时间延迟是由控制第二反射镜(4)、第三反射镜(5)的电动平移台(10)的位置确定的，其移动的精度能达到微米量级，所以延迟时间能精确到皮秒量级，可以精确控制激光靶的膨胀扩散时间。
3、重复率高：到达激光靶上的预热光的参数可以精确控制，同时激光靶的膨胀扩散时间通过延时系统也能实现精确控制，最终获得的膨胀后激光靶的等离子体密度分布是精确可控的，因此泵浦光加速产生的离子束的参数是稳定的，具有很高的重复率，有利于获得适用于医疗应用的高品质离子束。
4、能量转化效率高：膨胀扩散后的激光靶的密度在临界密度以上，相比于气体靶，泵浦光的能量更容易转移到离子，激光到离子束的能量转化效率高。
附图说明
图1为本发明双束激光驱动离子加速装置的结构示意图。
图2为膨胀扩散后激光靶的密度分布。
图3为激光加速质子束的能谱。
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
参见图1，图1为本发明双束激光驱动离子加速装置的结构示意图。由图可见，本发明双束激光驱动离子加速装置，包括激光器1、激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统，所述的激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统置于真空室12内：所述的激光分束系统为分束镜2，所述的光学延时系统由第一反射镜3、第二反射镜4和第三反射镜5构成，所述的预热系统为凸透镜6，所述的加速系统由第四反射镜8、离轴抛物面镜9和激光靶7构成，
沿所述的激光器1输出的主激光脉冲101方向设置所述的分束镜2，该分束镜2将主激光脉冲101分为预热光102和泵浦光103；在所述的预热光102方向依次是所述的第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、凸透镜6和激光靶7，所述的第二反射镜4和第三反射镜5放置在电动平移台10上，且该电动平移台10的移动方向与所述的预热光102的传播方向平行，通过所述的电动平移台10的移动调节预热光102的光程来控制预热光102与泵浦光103之间的延时；所述的凸透镜6放置在支撑架11上，该支撑架11具有位置和角度的电动调节功能，利用所述的支撑架11调节所述的凸透镜6将所述的预热光102聚焦在激光靶7上，加热扩散所述的激光靶7；沿所述的泵浦光103方向依次是所述的第四反射镜8、离轴抛物面镜9和激光靶7，利用所述的离轴抛物面镜9将所述的泵浦光103聚焦在膨胀扩散后的激光靶7上，加速产生离子束。
所述的主激光脉冲101的脉宽范围是15飞秒-500飞秒，中心波长范围是500纳米-1500纳米。所述的泵浦光103聚焦后的光强范围是1018W/cm2-1023W/cm2。所述的泵浦光103和预热光102分别聚焦于激光靶7的前表面和后表面，且入射方向与激光靶7表面法线方向的夹角可以改变。所述的激光靶7的厚度范围是1纳米-10000纳米。所述的激光靶7为富含有氢元素的固体薄膜，则所述的加速产生的离子束为质子。所述的激光靶7为富含有碳元素的固体薄膜，则所述的加速产生的离子束为碳离子。所述的激光靶7为金属薄膜，则所述的加速产生的离子束为与金属膜薄相应的金属离子。所述膨胀扩散后激光靶7的密度大于临界密度ncr＝1×1021/cm3。
本发明实施例：
激光主脉冲101的参数是：中心波长是800纳米，脉冲宽度是30飞秒，激光的最大能量是300焦，光束直径是500毫米。真空室12是真空状态。激光靶7是含氢固体薄膜靶，厚度为60纳米，密度是360ncr。分束镜2的激光反射率是0.1％。激光主脉冲101经过分束镜2后分为预热光102和泵浦光103。预热光102经过第一反射镜3反射后进入光学延时系统和预热系统。根据膨胀扩散后激光靶的密度分布的要求，调节电动平移台10的位置控制预热光102和泵浦光103之间的时间延时，实现对激光靶7膨胀扩散时间的控制；调节支撑架11的位置和角度控制聚焦在激光靶7上预热光参数。预热光102聚焦在激光靶7的后表面，与激光靶表面法线的夹角是30度。图2所示的是，最终获得的膨胀扩散后激光靶的密度分布。泵浦光103经第四反射镜8反射后，被离轴抛物面镜9聚焦。离轴抛物面镜9的焦距是1000毫米，泵浦光聚焦焦斑直径的半高全宽是10微米，能量集中度为55％，焦点处的激光光强是7×1021W/cm2。离轴抛物面镜9的焦点在激光靶7的前表面，入射方向与激光靶表面法线方向的夹角是30度。在泵浦光103驱动的激波的作用下，激波下游的离子会被激波反射加速，在这种加速条件下泵浦光能量被有效的传递给离子，加速产生的高能离子束从激光靶后表面出射，出射方向为法线方向。图3所示的是激光加速质子束的能谱，质子能谱峰的中心能量为163MeV，能散5％。
在本实施例中，离子束的产生频率是由激光器1的频率来决定的，通过改变激光的频率可以控制离子束的束流强度。
实验表明，本发明具有操作方便、延时精确、重复率高、能量转化效率高等特点，可以应用于小型化激光离子加速器。

Claims (6)

1.一种双束激光驱动离子加速装置，其特征在于包括激光器(1)、激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统，所述的激光分束系统、光学延时系统、预热系统和加速系统置于真空室(12)内：所述的激光分束系统为分束镜(2)，所述的光学延时系统由第一反射镜(3)、第二反射镜(4)和第三反射镜(5)构成，所述的预热系统为凸透镜(6)，所述的加速系统由第四反射镜(8)、离轴抛物面镜(9)和激光靶(7)构成，
沿所述的激光器(1)输出的主激光脉冲(101)方向设置所述的分束镜(2)，该分束镜(2)将主激光脉冲(101)分为预热光(102)和泵浦光(103)；在所述的预热光(102)方向依次是所述的第一反射镜(3)、第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、凸透镜(6)和激光靶(7)，所述的第二反射镜(4)和第三反射镜(5)放置在电动平移台(10)上，且该电动平移台(10)的移动方向与所述的预热光(102)的传播方向平行，通过所述的电动平移台(10)的移动调节预热光(102)的光程来控制预热光(102)与泵浦光(103)之间的延时；所述的凸透镜(6)放置在支撑架(11)上，该支撑架(11)具有位置和角度的电动调节功能，利用支撑架(11)调节所述的凸透镜(6)将所述的预热光(102)聚焦在激光靶(7)上，加热扩散所述的激光靶(7)；沿所述的泵浦光(103)方向依次是所述的第四反射镜(8)、离轴抛物面镜(9)和激光靶(7)，利用所述的离轴抛物面镜(9)将所述的泵浦光(103)聚焦在膨胀扩散后的激光靶(7)上，加速产生离子束；
当所述的激光靶(7)为富含有氢元素的固体薄膜时，则所述的加速产生的离子束为质子；
当所述的激光靶(7)为富含有碳元素的固体薄膜时，则所述的加速产生的离子束为碳离子；
当所述的激光靶(7)为金属薄膜时，则所述的加速产生的离子束为与金属膜薄相应的金属离子；
激光主脉冲(101)的参数是：中心波长是800纳米，脉冲宽度是30飞秒，激光的最大能量是300焦，光束直径是500毫米；真空室(12)是真空状态；激光靶(7)是含氢固体薄膜靶，厚度为60纳米，密度是360ncr；分束镜(2)的激光反射率是0.1％；
离轴抛物面镜(9)的焦距是1000毫米，泵浦光聚焦焦斑直径的半高全宽是10微米，能量集中度为55％，焦点处的激光光强是7×1021W/cm2；离轴抛物面镜(9)的焦点在激光靶(7)的前表面，入射方向与激光靶表面法线方向的夹角是30度。
2.根据权利要求1所述的双束激光驱动离子加速装置，其特征在于，所述的主激光脉冲(101)的脉宽范围是15飞秒-500飞秒，中心波长范围是500纳米-1500纳米。
3.根据权利要求1所述的双束激光驱动离子加速装置，其特征在于，所述的泵浦光(103)聚焦后的光强范围是1018W/cm2-1023W/cm2。
4.根据权利要求1所述的双束激光驱动离子加速装置，其特征在于，所述的泵浦光(103)和预热光(102)分别聚焦于激光靶(7)的前表面和后表面，且入射方向与激光靶(7)表面法线方向的夹角可以改变。
5.根据权利要求1所述的双束激光驱动离子加速装置，其特征在于，所述的激光靶(7)的厚度范围是1纳米-10000纳米。
6.根据权利要求1至5任一项所述的双束激光驱动离子加速装置，其特征在于，所述的膨胀扩散后激光靶(7)的密度大于临界密度ncr＝1×1021/cm3。
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