CN113640849A - 一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，包括主激光及其反射与聚焦镜组、射线产生系统、磁谱仪、转换靶、次级激光延时镜组、次级激光反射和聚焦镜组、薄膜靶、探测器。主激光与射线产生系统作用产生伽马射线，沿伽马射线的入射方向，依次放置所述的磁谱仪、转换靶和薄膜靶；次级激光沿垂直于伽马射线方向入射到薄膜靶上，产生靶后鞘层场。本发明将激光驱动产生的超快伽马射线通过康普顿散射转换为电子束，电子束通过靶后鞘层电场后发生偏转。调节靶后鞘层场形成的时间，根据偏转信息可以得到电子脉宽，进而得到伽马射线脉宽。该方法可用于测量轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等机制产生的伽马射线脉宽。
Description
技术领域
本发明涉及超强激光及伽马射线的测量，具体是一种超强激光驱动产生的超快伽马射线的脉宽探测装置。
背景技术
最近几年，国内外的激光装置突破到PW后，逐渐推进到10拍瓦峰值功率甚至开展100W级激光装置的设想和建设。PW级激光经聚焦后得到相对论强度激光脉冲，可以加速产生几十MeV到数GeV的高能电子束。高能电子束可以通过轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等多种机制产生伽马射线；基于飞秒相对论超强激光产生的伽马射线源，其脉宽一般小于皮秒量级。
目前，基于超强激光的伽马射线源的脉冲宽度主要根据电子束的脉宽或者激光的脉宽推断，尚未被准确测量。先技术[1](Taira Y,Adachi M,Zen H,et al.Pulse widthmeasurement of laser Compton scattered gamma rays in picosecond range[J].Nuclear Instruments&Methods in Physics Research Section A-acceleratorsSpectrometers Detectors and Associated Equipment,2012:233-237.)采用切伦科夫辐射测量伽马射线脉宽，受限于探测器的时间分辨率，一般只能到数皮秒；若探测器采用飞秒条纹相机可以测得亚皮秒量级脉宽，但无法实现小于数百飞秒的脉宽探测，且成本较高。先技术[2](202011239600.5)通过探测渡越辐射的频谱推出散射电子束的脉宽，进而得到伽马射线的脉宽。该技术需要覆盖可见光到THz波段的光谱仪，可以实现小于皮秒的脉宽探测。先技术[3](Shi Y,Shen B,Zhang X,et al.Ultra-bright,ultra-broadband hard x-ray driven by laser-produced energetic electron beams[J].Physics of Plasmas,2013,20(9):3102.)给出了靶后鞘层电场模型以及电子在靶后鞘层场的运动方程，可以进一步推得电子偏转角度和运动轨迹。
发明内容
本发明的目的在于克服在上述现有测量技术的不足，提出一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，实现超快伽马射线的脉宽测量，脉宽测量范围可以从飞秒到大于皮秒。该发明可以实现超快伽马射线脉宽的精确测量，且动态范围大，使用灵活。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特点在于，包括入射激光、分束镜、主激光反射与聚焦镜组、射线产生系统、磁谱仪、转换靶、次级激光延时镜组、次级激光反射和聚焦镜组、薄膜靶和探测器。
所述的入射激光经过分束镜后分为主激光和次级激光，所述的主激光经过所述的主激光反射与聚焦镜组聚焦到射线产生系统产生超快伽马射线，沿该伽马射线的前进方向依次设置有所述的磁谱仪、转换靶和薄膜靶，所述的伽马射线经过所述的转换靶通过康普顿散射产生散射电子束；所述的次级激光经过所述的次级激光延时镜组、次级激光反射和聚焦镜组后，垂直于所述伽马射线的方向入射到薄膜靶上，产生靶后鞘层场，使所述的散射电子束偏转，入射到所述的探测器上。
所述的靶后鞘层电场存在时间较短，一般小于散射电子束的脉宽，在鞘层电场形成期间，散射电子中部分电子到达薄膜靶后，会在靶后鞘层电场作用下偏转，并被探测器记录。
通过调整次级激光延时光路，来调整鞘层电场的形成时间。当鞘层电场形成时间提前或落后于散射电子束中电子到达薄膜靶后的时间，此时散射电子束内电子没有受到电场作用，不会发生偏转，即探测器上完全探测不到电子偏转信息。则上述靶后鞘层电场形成时间提前和落后电子到达时间的时间差即反映了散射电子束的脉宽信息。
伽马射线入射到转换靶，通过康普顿散射产生散射电子束的过程会有一定的时间展宽te，散射电子从转换靶后表面到薄膜靶后表面的飞行过程中也会有时间展宽tf。结合上述基于靶后鞘层电场测得的散射电子束总脉宽tall，可以得到伽马射线的脉宽tγ，上述脉宽关系式为：
射线产生系统用于产生超快伽马射线，包括不限于以下产生方式：轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等。磁谱仪用于将射线产生系统出射的粒子束中带电粒子偏开，超快伽马射线不受磁场影响，直接穿出磁谱仪。其后，超快伽马射线经过转换靶后通过康普顿散射产生电子束。
次级激光延时镜组用于调节次级激光与主激光光路的延时，调节靶后鞘层场的形成时间。延时光路的调节精度为微米量级，对应时间精度为数飞秒。
与在先技术相比，本发明的技术效果如下：
1.动态范围大，量程可变，可以实现飞秒到大于皮秒的超快伽马射线宽动态范围脉宽探测。
2.探测精度高，时间分辨率可以到几个飞秒。
3.通过将伽马射线转换为电子，通过电子脉宽的探测，可以实现轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等多种机制产生的伽马射线的脉宽探测。
附图说明
图1为本发明超快伽马射线脉宽探测装置的示意图。
图2为散射电子在靶后鞘层场作用下偏转示意图。
图3为不同能量散射电子偏转角与薄膜靶倾斜角度关系图。
图中：
1-入射激光、2-分束镜、3-主激光反射与聚焦镜组、4-射线产生系统、5-磁谱仪、6-转换靶、7-次级激光延时镜组、8-次级激光反射和聚焦镜组、9-薄膜靶、10-探测器、101-主激光、102-次级激光、301-聚焦光束、401-粒子束、402-伽马射线、501-铅限孔、601-散射电子束、701-延时次级激光、801-次级聚焦激光、901-偏转电子束。
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。
先请参阅图1，图1为本发明超快伽马射线脉宽探测装置的结构示意图，由图可见，一种超快伽马射线脉宽探测器包括入射激光1、分束镜2、主激光反射与聚焦镜组3、射线产生系统4、磁谱仪5、转换靶6、次级激光延时镜组7、次级激光反射和聚焦镜组8、薄膜靶9、探测器10。其位置关系是：入射激光1经过分束镜2后分为两束光：主激光101和次级激光102。主激光101经过其反射和聚焦镜组3后，聚焦光束301入射到射线产生系统4，产生的粒子束401包含带电粒子和伽马射线402。粒子束401经过铅限孔501入射到磁谱仪5，带电粒子被偏转开，伽马射线402不受磁场影响，继续传播入射到康普顿散射转换靶6，产生散射电子束601。同时次级激光102经过延时镜组7、反射和聚焦镜组8后，次级聚焦激光801垂直于伽马射线402的出射方向聚焦到薄膜靶9上，在薄膜靶的靶后法线方向产生了很强的鞘层电场，散射电子束601在鞘层电场形成时到达薄膜靶9后，则会受强电场影响，发生偏转(如图2所示)，并被探测器10记录。通过调整次级激光延时镜组7，可以控制薄膜靶9后鞘层电场形成的时间。当鞘层电场形成时间提前或落后于散射电子束601中电子到达薄膜靶9后的时间，散射电子束601内电子不会发生偏转。则通过靶后鞘层电场形成时间提前和落后电子到达时间的时间差可以得到散射电子束601的脉宽信息。通过蒙特卡罗模拟可以得到伽马射线402入射到转换靶6产生散射电子束601过程的时间展宽te，以及散射电子束601从转换靶6后表面到薄膜靶9后表面的飞行过程的时间展宽tf。再结合基于靶后鞘层电场测得的散射电子束601总脉宽tall，根据关系式为：
可以得到伽马射线402的脉宽tγ。
本发明实施例：假设波长800nm的次级激光的归一化峰值矢势a＝2.2，入射到等离子体密度为5nc(nc为临界密度)的薄膜靶。根据先技术[3]给出的靶后鞘层电场模型及电子运动方程，可以推得电子在上述次级激光和等离子密度条件下产生的靶后鞘层电场作用下发生偏转，偏转角度θ与入射电子能量(γ为相对论因子)及薄膜靶的倾斜角α的关系：
根据上述表达式，不同能量电子在不同倾斜角的薄膜靶后产生的鞘层电场作用下偏转角度的计算结果如图3所示。实验时，可以根据计算结果选择合适的倾斜角。
上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，包括入射激光(1)、分束镜(2)、主激光反射与聚焦镜组(3)、射线产生系统(4)、磁谱仪(5)、转换靶(6)、次级激光延时镜组(7)、次级激光反射和聚焦镜组(8)、薄膜靶(9)和探测器(10)；
所述的入射激光(1)经过分束镜(2)后分为主激光(101)和次级激光(102)，所述的主激光(101)经过所述的主激光反射与聚焦镜组(3)聚焦到射线产生系统(4)产生超快伽马射线(402)，沿该伽马射线(402)的前进方向依次设置有所述的磁谱仪(5)、转换靶(6)和薄膜靶(9)，所述的伽马射线(402)经过所述的转换靶(9)通过康普顿散射产生散射电子束(601)；所述的次级激光(102)经过所述的次级激光延时镜组(7)、次级激光反射和聚焦镜组(8)后，垂直于所述伽马射线(402)的方向入射到薄膜靶(9)上，产生靶后鞘层场；
在鞘层电场形成期间，散射电子束(601)中部分电子到达薄膜靶(9)后，会在靶后鞘层电场作用下偏转，并被探测器(10)记录；
当鞘层电场形成时间提前或落后于散射电子束(601)中电子到达薄膜靶(9)后的时间，此时散射电子束(601)内电子没有受到电场作用，不会发生偏转，探测器(10)探测不到电子偏转信息，即靶后鞘层电场形成时间提前和落后电子到达时间的时间差反映了散射电子束(601)的脉宽信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的伽马射线(402)的脉宽tγ计算公式如下：
其中，te为伽马射线(402)入射到转换靶(6)通过康普顿散射产生散射电子束(601)的时间展宽，tf为散射电子束(601)从转换靶(6)后表面到薄膜靶(9)后表面的时间展宽，tall为所述的基于靶后鞘层电场测得的散射电子束(601)的总脉宽。
3.根据权利要求1所述的一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的射线产生系统(4)产生超快伽马射线的方式，包括轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射。
4.根据权利要求1所述的一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的铅限孔(501)用于限制入射到磁谱仪(5)的粒子束(401)的尺寸。
5.根据权利要求1所述的一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的次级激光延时镜组(7)用于调节次级激光与主激光光路的延时，调节靶后鞘层场的形成时间；延时光路的调节精度为微米量级，对应时间精度为数飞秒。
6.根据权利要求1所述的一种基于靶后鞘层场的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的探测器(10)用于探测偏转电子束(901)的偏转信息，探测器是成像板或者荧光屏，能够实现偏转电子束(901)的离线或实时探测。
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