CN114302552A - 复合转换靶 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种复合转换靶，所述复合转换靶包括：超临界密度等离子体靶层，用于反射混合束流中的激光脉冲，所述混合束流由激光脉冲和粒子束组成；高原子序数材料转换靶层，用于将穿过所述超临界密度等离子体靶层的所述粒子束转换为次级粒子或射线；所述超临界密度等离子体靶层和所述高原子序数材料转换靶层紧邻且沿所述混合束流的前进方向自上游至下游依次设置。本发明的技术方案可以减少转换靶的损耗和碎屑污染。

Description

复合转换靶

技术领域

本发明涉及激光等离子体加速器领域，尤其涉及一种复合转换靶。

背景技术

激光等离子体加速器是一种基于超短超强激光的新加速机制。在激光等离子体电子加速中，超短超强激光脉冲打入均匀等离子体后，会在其后形成空泡结构的等离子体尾波场，然后采用可控注入方式将低能电子注入到尾波场的加速相位，注入的电子就会得到持续、高效的加速，最终得到高品质的高能电子束。由于等离子体中没有击穿阈值的限制，激光等离子体电子加速器具有超高的加速梯度，比传统射频加速器高三个数量级，因此可以大大缩短电子的加速距离。在激光等离子体质子、离子加速中，超短超强激光脉冲轰击超薄靶，通过靶背鞘层加速、光压加速等机制可以将靶中的质子或离子加速至高能量，加速梯度较传统技术高出四个数量级，可大大缩小质子、离子加速器的规模。

近年来随着超快激光技术的不断进步，激光等离子体加速器技术得到了长足的发展，装置整体规模大幅减小，目前已经可在桌面规模下产生MeV至GeV量级的高品质电子束和稳定的高品质质子、离子束。

得益于激光等离子体加速器的一系列优势，由激光等离子体加速得到的电子、质子、离子等粒子束驱动的次级粒子源和轫致辐射伽马射线源也成为该领域研究的热点，有望在超高精度工业无损检测等领域发挥重要作用。

带电粒子束可以通过与高原子序数材料作用产生正电子、中子等次级粒子和轫致辐射伽马射线，该高原子序数材料便被称为转换靶。激光等离子体加速器产生的粒子束天然具有微米级的焦点尺寸与飞秒至皮秒级的脉冲长度，将转换靶直接放置在等离子体加速器出口，就可以获得微焦点、短脉冲的高品质次级粒子束或伽马射线束，避免了传统加速器中冗长的传输线，大大减小了系统规模。

但是，由于激光等离子体加速器中激光与粒子束同向，加速过程结束后残余激光的光强在等离子体出口处依然很强，激光直接打到转换靶上就会造成很大的损伤，严重限制转换靶的使用寿命。同时，激光直接轰击固态靶产生的碎屑将会污染真空环境，影响次级粒子源或射线源的稳定运行。

申请内容

本发明提供一种复合转换靶，用以解决现有技术中转换靶易损耗且碎屑污染的缺陷，以得到较为优质的转换靶。

本发明提供一种复合转换靶，包括：超临界密度等离子体靶层，用于反射混合束流中的激光脉冲，所述混合束流由激光脉冲和粒子束组成；高原子序数材料转换靶层，用于将穿过所述超临界密度等离子体靶层的所述粒子束转换为次级粒子或射线；所述超临界密度等离子体靶层和所述高原子序数材料转换靶层紧邻且沿所述混合束流的前进方向自上游至下游依次设置。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述高原子序数材料转换靶层的材料包括以下至少一种金属或其合金：钨、金、铜和钽。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述超临界密度等离子体靶层为固态薄膜层，所述固态薄膜层能在激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

根据本发明提供的一种复合转换靶，超临界密度等离子体靶层为气态层，所述气态层能在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

根据本发明提供的一种复合转换靶，超临界密度等离子体靶层为液态层，所述液态层能在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述固态薄膜层固定在拉动机构上，能在所述拉动机构的拉动下相对于所述高原子序数材料转换靶层横向移动。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述拉动机构包括第一转动轴和第二转动轴，所述固态薄膜层的固态薄膜的两端分别缠绕在所述第一转动轴和所述第二转动轴上，并随着所述第一转动轴和所述第二转动轴的转动收起和拉出。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述复合转换靶包括气体喷射机构，用于喷射气态的超临界密度等离子体靶层材料，以在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述复合转换靶包括液体流出机构和液体回收结构，所述液体流出机构用于流出液态的超临界密度等离子体靶层材料，以在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体，所述液体回收结构用于回收所述液态的超临界密度等离子体靶层材料。

根据本发明提供的一种复合转换靶，所述超临界密度等离子体靶层对应的超临界密度等离子体的临界密度n_C的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，m_e为电子质量，ω_L为激光频率，e为电子电荷量。

本发明提供的复合转换靶包括超临界密度等离子体靶层和所述高原子序数材料转换靶层，在包括激光脉冲和粒子束的混合束流入射到超临界密度等离子体靶层时，激光电离超临界密度等离子体靶层生成的超临界密度等离子体对激光具有强反射作用，从而减少了激光对高原子序数材料转换靶层的损伤，同时减少了复合转换靶所在真空环境的碎屑污染。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的复合转换靶原理的结构示意图；

图2是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为固态薄膜层时的复合转换靶的结构示意图；

图3是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之一；

图4是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为气态层时的复合转换靶的结构示意图；

图5是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之二；

图6是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为液态层时的复合转换靶的结构示意图；

图7是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之三。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例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的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。

在相关技术中，在进行基于激光等离子体加速器的次级粒子源和射线源的研究过程中，转换靶的使用寿命短和真空污染问题是较为关键的待解难题。

为解决该问题，本发明提供一种复合转换靶，以保护转换靶受到较少的损伤，并减少真空污染。

以下结合附图，详细说明本发明各实施例提供的技术方案。

图1是本发明提供的复合转换靶原理的结构示意图。如图1所示，本发明提供的复合转换靶包括：

超临界密度等离子体靶层102，用于反射混合束流中的激光脉冲，所述混合束流由激光脉冲和粒子束组成。

具体地，物质由分子构成，分子由原子构成，原子由带正电的原子核和围绕它的、带负电的电子构成。当物质被加热到足够高的温度或其他原因，外层电子摆脱原子核的束缚成为自由电子，这个过程就叫做电离。这时，物质就变成了由电子、离子和分子组成的气体状混合体，且该混合体正负电荷总量相等，近似呈电中性，故称为等离子体(plasma)。等离子体的运动主要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为，被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。

超临界密度等离子体指的是超过特定临界密度的等离子体。超临界密度等离子体靶层，指的是在激光电离等条件诱发下产生超临界密度等离子体的靶层。

激光的发生器可以为连续波激光器或脉冲激光器，本发明中的激光脉冲是脉冲激光器产生的，但并不局限于此。

电子、质子及离子等粒子束由激光等离子体加速器产生。在激光等离子体电子加速器中，超短超强激光脉冲打入均匀等离子体后，会在激光有质动力的作用下形成空泡结构的等离子体尾波场，然后采用可控注入方式将低能电子注入到尾波场的加速相位，注入的电子就会得到持续、高效的加速，最终得到高品质的高能电子束。由于等离子体中没有击穿阈值的限制，激光等离子体电子加速器具有超高的加速梯度，比传统射频加速器高三个数量级，因此可以大大缩短电子的加速距离。在激光等离子体质子、离子加速中，超短超强激光脉冲轰击超薄靶，通过靶背鞘层加速、光压加速等机制可以将靶中的质子或离子加速至高能量，加速梯度较传统技术高出四个数量级，可大大缩小质子、离子加速器的规模。由于上述优势，激光等离子体加速器有望普及成为一种规模紧凑、造价低的高能粒子源发射器。然而，本发明并不局限于此，也可以用于产生粒子束的其他方式和设备，只要这些方式和设备不偏离本发明的教导即可。

当激光脉冲到达超临界密度等离子体靶层102时，超临界密度等离子体靶层102会被电离，产生超过临界密度的等离子体。等离子体可以作为光传播的介质，但是当等离子体的密度超过临界密度时，其对于激光就会表现出非常强的反射性，即超过临界密度的等离子体相对于激光来说相当于反射镜，也称等离子体镜。由于超过临界密度的等离子体对激光脉冲具有反射作用，因而可以改变激光脉冲的前进方向，使得激光脉冲不经过高原子序数材料转换靶层104，从而减少激光脉冲对高原子序数材料转换靶层104的损伤，同时避免了激光脉冲与高原子序数材料转换靶层104作用产生的碎屑对真空环境的污染。

高原子序数材料转换靶层104，用于将穿过超临界密度等离子体靶层102的粒子束转换为次级粒子或射线。

具体地，高原子序数材料中的原子序数是指元素在周期表中的序号，在数值上等于原子核的核电荷数或中性原子的核外电子数。高原子序数材料即为高原子序数的材料，又称为高Z材料。

高原子序数材料转换靶层指的是高原子序数材料组成的转换靶，粒子束可以通过与转换靶中的高原子序数材料作用产生正电子、中子等次级粒子和轫致辐射伽马射线等。

在本发明中，超临界密度等离子体靶层102和高原子序数材料转换靶层104紧邻且沿混合束流的前进方向自上游至下游依次设置。如图1中的箭头所示的方向即为混合束流的前进方向。

具体地，混合束流包括由例如脉冲激光器产生的激光脉冲和由例如激光等离子体加速器产生的粒子束。由于超临界密度等离子体靶层102和高原子序数材料转换靶层104沿混合束流的前进方向自上游至下游依次设置，因此，当包括激光脉冲和粒子束的混合束流前进到复合转换靶时，混合束流中的激光脉冲和粒子束首先经过超临界密度等离子体靶层102，然后经过高原子序数材料转换靶层104。

在包括激光脉冲和粒子束的混合束流入射到超临界密度等离子体靶层后，混合束流中的激光脉冲的前沿可将超临界密度等离子体靶层电离，从而使得超临界密度等离子体靶层产生超过临界密度的等离子体。混合束流中的激光脉冲的主脉冲在到达该超过临界密度的等离子体时会被反射，从而改变激光脉冲的前进方向，使得激光脉冲不会入射到高原子序数材料转换靶层。

这样，当激光脉冲和粒子束到达电离的超临界密度等离子体靶层102时，混合束流中的激光脉冲会被电离产生的超临界密度等离子体靶层102反射而改变前进方向，改变方向的激光脉冲不再前进到高原子序数材料转换靶层104。

与之相反，超过临界密度的等离子体对粒子束不具有反射作用，因此，当包括激光脉冲和粒子束的混合束流到达电离的超临界密度等离子体靶层102时，混合束流中的粒子束并没有被电离的超临界密度等离子体靶层102反射。因此，混合束流中的粒子束保持原来的前进方向，穿过被电离的超临界密度等离子体靶层102并到达高原子序数材料转换靶层104。

因此，根据本发明的实施方式的复合转换靶既可以保证高原子序数材料转换靶中的高原子序数材料不会受到激光的损坏，又可以保证粒子束到达高原子序数材料转换靶层并与之相互作用，从而产生所需的次级粒子或射线。

具体地，本发明的技术方案利用超临界密度等离子体靶层被电离时形成等离子体镜，可以反射激光脉冲但不反射粒子束，从而将激光等离子体加速完成后出射的混合束流中的粒子束和激光脉冲分离，使得粒子束可穿过被电离的超临界密度等离子体靶层，而激光脉冲不穿过被电离的超临界密度等离子体靶层。这样，避免了激光脉冲对高原子序数材料转换靶层的高原子序数材料的损伤，大大延长了复合转换靶的使用寿命，同时可以有效降低靶碎屑对真空环境的污染。

激光等离子体加速器产生的粒子束没有被电离的超临界密度等离子体靶层102反射，而是穿过被电离的超临界密度等离子体靶层102入射到高原子序数材料转换靶层104上，与高原子序数材料转换靶层104中的高原子序数材料作用，以产生正电子、中子等次级粒子，或者发生轫致辐射现象，产生轫致辐射伽马射线等。

轫致辐射(bremsstrahlung)是指高速电子骤然减速产生的辐射。泛指带电粒子与原子或原子核发生碰撞时突然减速发出的辐射。例如一个高能电子与一个原子核相碰撞时就产生这种辐射。轫致辐射广泛应用于医学和工业。

在相关技术中，带电粒子束和高原子序数材料相互作用可以产生次级粒子或射线。

在本发明实施例中，高原子序数材料转换靶层的材料包括以下至少一种金属或其合金：钨、金、铜和钽，但并不局限于此。

这里，这些材料具有原子序数高、可加工性强、价格较低以及散热性能较好的优点。

在本发明实施例中，高原子序数材料还可以包括钼、铬、钴、镍、锆、钌、钯、镧、钍、铅、铋和铀中的至少一种或者其合金。此外，高原子序数材料还可以包括不锈钢。此外，高原子序数材料还可以包括硅化物，例如，WSi₂(二硅化钨)和MoSi₂(二硅化钼)。

在本发明实施例中，超临界密度等离子体靶层对应的超临界密度等离子体的临界密度n_C的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，m_e为电子质量，ω_L为激光频率，e为电子电荷量。

超临界密度等离子体靶层可以为气态层、液态层或者固态层。下文描述了超临界密度等离子体靶层为气态层、液态层或者固态层的实施例，但这些实施例仅用于说明性目的，并不对本发明进行限制。此外，本发明并不限于下文所述的具体实施例。

实施例一

超临界密度等离子体靶层为固态层，例如，固态层包括固态薄膜层，固态薄膜层在激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

固态薄膜层固定在拉动机构上，能在拉动机构的拉动下相对于高原子序数材料转换靶层横向移动。

图2是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为固态薄膜层时的复合转换靶的结构示意图。图3是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之一。

由于固态薄膜层的固态薄膜在被激光脉冲电离后会有损伤，因此，复合转换靶需要设有拉动机构，以通过拉动机构的转动轴转动让固态薄膜相对高原子序数材料转换靶层移动，以保持固态薄膜层在被电离时对激光脉冲的反射效率。这样，通过移动固态薄膜层，复合转换靶便可长期稳定工作。

如图2所示，拉动机构包括第一转动轴211和第二转动轴212，固态薄膜层202紧贴高原子序数材料转换靶层204设置。固态薄膜层202的固态薄膜的两端分别缠绕在第一转动轴211和第二转动轴212上。

高原子序数材料转换靶204位置不动，例如，可通过复合转换靶的固定机构(未示出)来将高原子序数材料转换靶204固定。固态薄膜层202的固态薄膜随着第一转动轴211和第二转动轴212的转动从收纳盒中收起和拉出，而且，通过第一转动轴211和第二转动轴212的旋转，固态薄膜层202的固态薄膜紧贴高原子序数材料转换靶204相对且平行移动。

第一转动轴211和第二转动轴212可以由直流无刷电机控制。例如，可以由一个直流无刷电机控制第二转动轴212作为主动转轴，以第一转动轴211作为被动转轴。但是，本发明不局限于此，例如，可以由一个直流无刷电机控制第一转动轴211作为主动转轴，以第二转动轴212作为被动转轴。此外，第一转动轴211和第二转动轴212可由两个直流无刷电机同步控制，第一转动轴211和第二转动轴212均作为主动转轴。在图3中，位于第一转动轴211上的箭头所示的即为第一转动轴211的转动方向，位于第二转动轴212上的箭头所示的即为第二转动轴212的转动方向，但第一转动轴211和第二转动轴的转动方向不局限于此，例如，第一转动轴211和第二转动轴的转动方向可以是与图中所示的方向相反的方向。

此外，本发明并不限制电机的类型，例如，第二转动轴212可以由步进电机控制，也可以由压电陶瓷电机控制。

如图3所示，激光等离子体加速完成后出射的混合束流330中包括激光脉冲341和粒子束342，激光脉冲341和粒子束342的前进方向与混合束流的前进方向相同，如附图标记330所标的虚线框中的箭头所指的方向。

在包括激光脉冲341和粒子束342的混合束流330到达固态薄膜层(超临界密度等离子体靶层)202时，由于激光脉冲的光强非常强，激光脉冲341的前沿将固态薄膜层202电离从而形成超过临界密度的等离子体。如上所述，超过临界密度的等离子体具有等离子体镜的功能，使得后续到达的激光脉冲341的主脉冲在到达固态薄膜层202时会被反射，从而改变激光脉冲341的前进方向。

如图3所示，由于固态薄膜层202被激光脉冲341的前沿电离而具有等离子体镜的反射作用，所以后续到达的激光脉冲341的主脉冲在到达被电离的固态薄膜层202后，激光脉冲341的前进方向被改变，例如，改变成如图3中所示的与原来的前进方向相反，使得改变方向的激光脉冲341不再穿过高原子序数材料转换靶层204。由于电离的固态薄膜层202不改变粒子束342的前进方向，所以粒子束342保持原来的前进方向，穿过电离的固态薄膜层202并到达高原子序数材料转换靶层204。之后，粒子束342和高原子序数材料转换靶层204相互作用产生次级粒子或射线343，次级粒子或射线343从高原子序数材料转换靶层204射出。次级粒子或射线343的前进方向与粒子束342的前进方向相同。

根据本发明实施例可知，激光脉冲和粒子束离开等激光等离子体加速器后，激光脉冲首先到达固态薄膜层，由于激光脉冲光强非常强，激光脉冲的前沿即可将固态薄膜层中的固态薄膜电离形成超临界密度的等离子体，激光脉冲的主脉冲到达时便会被该超临界密度的等离子体反射从而不再穿过固态薄膜层到达高原子序数材料转换靶层，使得复合转换靶中的高原子序数材料得到保护。粒子束则不会受到超临界密度的等离子体的影响，穿过超临界密度的等离子体后在高原子序数材料中产生所需次级粒子或射线。

实施例二

图4是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为气态层时的复合转换靶的结构示意图。图5是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之二。

如图4所示，超临界密度等离子体靶层402为气态时，复合转换靶可以包括气体喷射机构412，用于喷射气态的超临界密度等离子体靶层材料，形成气态的超临界密度等离子体靶层402。如图4所示，气体喷射机构412可设置在高原子序数材料转换靶层404的一侧，气体喷射机构412的喷射方向与高原子序数材料转换靶层404的表面平行或者成预定角度，或者与混合束流330的前进方向垂直或成预定角度，使得喷射的气态的超临界密度等离子体靶层材料在高原子序数材料转换靶层404的前面形成超临界密度等离子体靶层402。图4中示出了一个气体喷射机构412，但是气体喷射机构412的数量不限于此，例如，气体喷射机构412可设置为多个，可以分别设置在高原子序数材料转换靶层404的两侧、三侧或所有侧。

如图5所示，激光等离子体加速完成后出射的混合束流330中包括激光脉冲341和粒子束342。激光脉冲341和粒子束342的前进方向与混合束流的前进方向相同，均为指向高原子序数材料转换靶层404的方向，例如，可为图4中的附图标记330的虚线框中的箭头所指的方向。

在激光脉冲341和粒子束342沿前进方向传播时，到达由气体喷射机构412所喷射的气态的超临界密度等离子体靶层材料所形成的超临界密度等离子体靶层402。由于激光脉冲的光强非常强，激光脉冲的前沿将气态的超临界密度等离子体靶层402电离形成超过临界密度的等离子体。如上所述，超过临界密度的等离子体具有等离子体镜的功能，激光脉冲的主脉冲在到达该等离子体镜时会被反射，从而改变前进方向。改变前进方向的激光脉冲341不再到达高原子序数材料转换靶层404。

如图5所示，由于超临界密度等离子体靶层402被激光脉冲341的前沿电离而具有等离子体镜的反射作用，所以后续到达的激光脉冲341的主脉冲在到达被电离的超临界密度等离子体靶层402后将被反射，激光脉冲341的前进方向被改变，将不再到达高原子序数材料转换靶层404。而被电离的超临界密度等离子体靶层402不改变粒子束342的前进方向，从而粒子束342仍保持原来的前进方向，穿过超临界密度等离子体靶层402并到达高原子序数材料转换靶层404。之后，粒子束342和高原子序数材料转换靶层404相互作用产生次级粒子或射线343并从高原子序数材料转换靶层404射出。次级粒子或射线343的前进方向与粒子束的前进方向相同。

根据本发明实施例可知，激光脉冲和粒子束离开等激光等离子体加速器后，激光脉冲首先到达由气体喷射机构喷射形成的气态的超临界密度等离子体靶层。由于激光脉冲的光强非常强，预先到达的激光脉冲的前沿即可将气态的超临界密度等离子体靶层电离形成超临界密度的等离子体，激光脉冲的主脉冲到达时便会被该超临界密度的等离子体反射从而不再穿过气态的超临界密度等离子体靶层到达高原子序数材料转换靶层，使得复合转换靶中的高原子序数材料得到保护。粒子束则不会受到超临界密度的等离子体的影响，穿过超临界密度的等离子体后在高原子序数材料中产生所需的次级粒子或射线。

实施例三

图6是本发明提供的超临界密度等离子体靶层为液态层时的复合转换靶的结构示意图。图7是本发明提供的混合束流穿过复合转换靶的作用过程示意图之三。

如图6所示，超临界密度等离子体靶层602为液态时，复合转换靶可以包括液体流出机构611和液体回收结构612，液体流出机构611用于流出液态的超临界密度等离子体靶层材料，形成液态的超临界密度等离子体靶层602，液体回收结构612用于回收液态的超临界密度等离子体靶层材料。如图6所示，液体流出机构611和液体回收结构612可设置在高原子序数材料转换靶层404的相对两侧，液体流出机构611和液体回收结构612之间的液态的超临界密度等离子体靶层材料的流出方向与高原子序数材料转换靶层604的表面平行或者成预定角度，或者与混合束流330的前进方向垂直或成预定角度，使得从液体流出机构611朝着液体回收结构612流出(例如，喷射)的液态的超临界密度等离子体靶层材料在高原子序数材料转换靶层604的前面形成超临界密度等离子体靶层602。图6中示出了一个液体流出机构611和一个液体回收结构612，但是液体流出机构611和液体回收结构612的数量不限于此，例如，液体流出机构611和液体回收结构612均可设置为多个，分别设置在高原子序数材料转换靶层604的相对的多侧上。

如图7所示，激光等离子体加速完成后出射的混合束流330中包括激光脉冲341和粒子束342。激光脉冲341和粒子束342的前进方向与混合束流的前进方向相同，均为指向高原子序数材料转换靶层604的方向，例如，可为图7中的附图标记330的虚线框中的箭头所指的方向。

在激光脉冲341和粒子束342沿前进方向传播时，到达由液体流出机构611所流出的液态的超临界密度等离子体靶层材料所形成的超临界密度等离子体靶层602。由于激光脉冲的光强非常强，激光脉冲的前沿将液态的超临界密度等离子体靶层602电离形成超过临界密度的等离子体。如上所述，超过临界密度的等离子体具有等离子体镜的功能，后续到达的激光脉冲的主脉冲在到达该等离子体镜时会被反射，从而改变前进方向。改变前进方向的激光脉冲341不再到达高原子序数材料转换靶层604。

如图7所示，由于超临界密度等离子体靶层602被激光脉冲341的前沿电离而具有等离子体镜的反射作用，所以后续到达的激光脉冲341在到达被电离的超临界密度等离子体靶层602后，激光脉冲341的前进方向被改变，将不再到达高原子序数材料转换靶层604。而被电离的超临界密度等离子体靶层602不改变粒子束342的前进方向，从而粒子束342仍保持原来的前进方向，穿过超临界密度等离子体靶层602并到达高原子序数材料转换靶层604。之后，粒子束342和高原子序数材料转换靶层604相互作用产生次级粒子或射线343并从高原子序数材料转换靶层404射出。次级粒子或射线343的前进方向与粒子束的前进方向相同。

根据本发明实施例可知，激光脉冲和粒子束离开等激光等离子体加速器后，激光脉冲首先到达由液体流出机构611向液体回收结构612流出或喷射的液态的超临界密度等离子体靶层。由于激光脉冲的光强非常强，激光脉冲的前沿即可将液态的超临界密度等离子体靶层电离形成超临界密度的等离子体，激光脉冲的主脉冲到达时便会被该超临界密度的等离子体反射从而不再穿过液态的超临界密度等离子体靶层到达高原子序数材料转换靶层，使得复合转换靶中的高原子序数材料得到保护。粒子束则不会受到超临界密度的等离子体的影响，穿过超临界密度的等离子体后在高原子序数材料中产生所需次级粒子或射线。

根据本发明提供的复合转换靶包括超临界密度等离子体靶层和高原子序数材料转换靶层，在包括激光脉冲和粒子束的混合束流入射到超临界密度等离子体靶层时，激光脉冲前沿电离超临界密度等离子体靶层而生成的超临界密度等离子体对激光具有强反射作用，使得激光主脉冲不再到达高原子序数材料转换靶层，从而减少了激光对高原子序数材料转换靶层的损伤，同时减少了复合转换靶所在真空环境的碎屑污染。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但是本领域的普通技术人员应当理解的是：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，因此应落入本申请要求保护的发明范围内。

Claims (10)

1.一种复合转换靶，其特征在于，所述复合转换靶包括：

超临界密度等离子体靶层，用于反射混合束流中的所述激光脉冲，所述混合束流由激光脉冲和粒子束组成；

高原子序数材料转换靶层，用于将穿过所述超临界密度等离子体靶层的所述粒子束转换为次级粒子或射线；

所述超临界密度等离子体靶层和所述高原子序数材料转换靶层紧邻且沿所述混合束流的前进方向自上游至下游依次设置。

2.根据权利要求1所述的复合转换靶，其特征在于，所述高原子序数材料转换靶层的材料包括以下至少一种金属或其合金：钨、金、铜和钽。

3.根据权利要求2所述的复合转换靶，其特征在于，所述超临界密度等离子体靶层为固态薄膜层，所述固态薄膜层能在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

4.根据权利要求2所述的复合转换靶，其特征在于，所述超临界密度等离子体靶层为气态层，所述气态层能在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

5.根据权利要求2所述的复合转换靶，其特征在于，所述超临界密度等离子体靶层为液态层，所述液态层能在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

6.根据权利要求3所述的复合转换靶，其特征在于，所述固态薄膜层固定在拉动机构上，能在所述拉动机构的拉动下相对于所述高原子序数材料转换靶层横向移动。

7.根据权利要求6所述的复合转换靶，其特征在于，所述拉动机构包括第一转动轴和第二转动轴，所述固态薄膜层的固态薄膜的两端分别缠绕在所述第一转动轴和所述第二转动轴上，并随着所述第一转动轴和所述第二转动轴的转动收起和拉出。

8.根据权利要求4所述的复合转换靶，其特征在于，所述复合转换靶包括气体喷射机构，用于喷射气态的超临界密度等离子体靶层材料，以在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体。

9.根据权利要求5所述的复合转换靶，其特征在于，所述复合转换靶包括液体流出机构和液体回收结构，所述液体流出机构用于流出液态的超临界密度等离子体靶层材料，以在所述激光脉冲的电离作用下形成等离子体，所述液体回收结构用于回收所述液态的超临界密度等离子体靶层材料。

10.根据权利要求1至9任一项所述的复合转换靶，其特征在于，所述超临界密度等离子体靶层对应的超临界密度等离子体的临界密度n_C的计算公式为：

其中，ε₀为真空介电常数，m_e为电子质量，ω_L为激光频率，e为电子电荷量。

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