CN216671552U - 一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统 - Google Patents

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余同普
魏玉清
邹德滨
欧阳建明
张国博
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Abstract

本实用新型公开了一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，包括激光源、真空靶室、激光聚焦装置以及由固体靶与气体靶组成的离子激发装置。激光源产生飞秒高斯激光，飞秒高斯激光依次通过真空靶室内的激光聚焦装置聚焦，聚焦后的飞秒高斯激光沿着固体靶的轴线射入固体靶及气体靶。飞秒高斯激光与固体靶及气体靶相互作用得到能量为单能分布的离子束。本实用新型应用于粒子加速技术领域，通过高密度固体靶及低密度气体靶的结合，能够在现有激光条件下进行实验研究，产生能量转化效率高且单能的离子束。

Description

一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统
技术领域
本实用新型涉及粒子加速技术领域，具体是一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统。
背景技术
激光与物质相互作用是物理学中一直倍受关注的核心问题之一。随着超强激光技术的发展，当前实验室中已经能够获得1021-1023W/cm2的高激光强度，物质可被直接电离为等离子体。基于超强激光等离子体相互作用的新型离子加速器，不仅加速梯度高于传统离子加速器三个量级以上，而且产生的离子源具有超短、超亮和准直等特性，因此近年来已经吸引了国内外研究人员的广泛关注。不同于电子和X射线，这些离子束流不仅在稠密物质中能够稳定地传输，而且由于其射程末端存在布拉格峰，可实现较为局域化的能量沉积，这使得它们在聚变点火和生物医学等方面成为一种更具前景的替代物。
近年来，人们提出多种离子加速机制，其中基于激光与百纳米固体薄靶相互作用的激光相对论透明加速已被大量理论和实验证实为较为有效的一种加速方式。然而，这种机制容易受到薄固体靶横向不稳定性的影响而难以维持较长时间的稳定加速，继而难以获取单能的离子束能谱，激光转换到离子的能量转换效率低于10％。如此低品质的离子束严重地限制了具体应用。
实用新型内容
针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，产生能量转化效率高且单能的离子束，获得离子束单能性更好，能量转化效率更高。
为实现上述目的，本实用新型提供一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，包括：
真空靶室，用于提供真空环境；
激光源，设在所述真空靶室外，用于产生线极化的飞秒高斯激光并射入所述真空靶室；
激光聚焦装置，设在所述真空靶室内且位于所述飞秒高斯激光的光路上，以对所述飞秒高斯激光聚焦；
离子激发装置，设在所述真空靶室内，包括依次设在所述激光聚焦装置后方的固体靶与气体靶，且所述固体靶、所述气体靶均位于所述飞秒高斯激光的光路上，以产生离子束。
在另一个实施例，所述真空靶室上对应所述气体靶后方的位置设有用于离子束射出的窗口。
在另一个实施例，单能离子束产生系统还包括能够产生偏转磁场的磁场激发装置；
所述磁场激发装置设在所述窗口的后方，且所述偏转磁场覆盖所述离子束的出射路径，以将所述离子束中的电子偏转，实现电子和离子的分离。
在另一个实施例，所述飞秒高斯激光的激光强度为1021～1023W/cm2。
在另一个实施例，所述固体靶采用C靶或者DLC靶。
在另一个实施例，所述固体靶的长度为100～500nm。
在另一个实施例，所述固体靶中电子密度为660nc，其中，nc为等离子体临界密度。
在另一个实施例，所述气体靶采用Ne气体或者He气体。
在另一个实施例，所述气体靶的长度为10～30μm。
在另一个实施例，所述气体靶的气体密度为10nc，其中，nc为等离子体临界密度。
与现有技术相比，本实用新型提供的一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，具有如下有益技术效果：
1、通过将聚焦后的高斯激光沿固体靶的轴线作用到固体靶上，并将固体靶电离成为等离子体状态；在激光有制动力作用下，超热电子在靶中不断产生并向前传播，离子在电荷分离场的作用下得到加速；随着等离子体电子密度逐渐降低，相对论透明发生，激光穿过第一层的固体靶入射到第二层的气体靶中，并将气体靶电离成等离子体状态；在激光有制动力及辐射阻尼力作用下，大量电子在前向聚集，并形成了更强的加速电场，离子获得了高效的加速；该系统通过固体靶和气体靶的结合，能够在现有激光条件下进行实验研究，产生能量转化效率高且单能的离子束；
2、与现有的激光-固体靶方案相比，获得离子束单能性更好，能量转化效率更高；同时，可通过调节固体靶和气体靶的长度以及激光强度，进而可以对产生的离子束能谱进行调节，为产生单能离子束提供了一种新的方案。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。
图1为本实用新型实施例中单能离子束产生系统的结构示意图；
图2为本实用新型实施例中示例得到的最终得到的电子能谱图。
附图标号：激光源1、真空靶室2、窗口201、激光聚焦装置3、离子激发装置4、固体靶401、气体靶402、磁场激发装置5、光学传输装置6、气体喷嘴7。
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本实用新型中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
另外，本实用新型各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
如图1所所示为本实施例公开的一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，主要包括激光源1、真空靶室2、激光聚焦装置3、离子激发装置4与能够产生偏转磁场的磁场激发装置5。
真空靶室2用于提供真空环境。激光源1设在真空靶室2外，用于产生线极化的飞秒高斯激光并射入真空靶室2。激光聚焦装置3设在真空靶室2内且位于飞秒高斯激光的光路上，以对飞秒高斯激光聚焦。离子激发装置4设在真空靶室2内，具体地，离子激发装置4包括依次设在激光聚焦装置3后方的固体靶401与气体靶402，且固体靶401、气体靶402均位于飞秒高斯激光的光路上，使得飞秒高斯激光与固体靶401、气体靶402共同作用产生能量为单能分布的离子束。真空靶室2上对应气体靶402后方的位置设有用于离子束射出的窗口201，磁场激发装置5位于窗口201的后方，且偏转磁场覆盖离子束的出射路径，以将离子束中夹杂的电子偏转，实现电子和离子的分离。在具体实施过程中，真空靶室2还设置有光学传输装置6，光学传输装置6用于将射入真空靶室2的飞秒高斯激光导向激光聚焦装置3。
本实施例中，气体靶402通过设置在真空靶室2的气体喷嘴7产生，该气体喷嘴7为亚声速或超声速喷嘴，能产生几十到几百微米长、分布为近高斯型的气体。
本实施例中，单能离子束产生系统具体的工作过程为：由激光源1产生线极化的飞秒高斯激光入射到真空靶室2中，经过光学传输装置6传输至激光聚焦装置3，在激光聚焦装置3中，激光焦斑缩小，能量密度进一步提升，随后激光通过固体靶401和气体靶402，气体靶402为由亚声速或超声速喷嘴喷出的几十微米量级长度稀薄氖气，激光与固体靶401和气体靶402相互作用产生加速离子束，加速离子经过磁场激发装置5，受到偏转磁场的整形与偏转作用，将经过固体靶401及气体靶402产生的离子束中夹杂的电子偏转，将电子和离子分离。
工作原理为：当超短超强激光脉冲作用到固体靶401上时，固体靶401瞬间电离成为等离子体状态。在激光有制动力作用下，超热电子在固体靶401中不断产生并向前传播，离子在电荷分离场的作用下得到加速。随着等离子体电子密度逐渐降低，相对论透明发生，激光穿过第一层的固体靶401入射到第二层的气体靶402中，并将气体靶402电离成等离子体状态。在激光有制动力及辐射阻尼力作用下，大量电子在前向聚集，并形成了更强的加速电场，离子获得了高效的加速，得到了中心峰值能量10GeV的准单能分布的离子能谱，激光到加速离子的能量转化效率高达20％。
下面结合具体示例，对本实施例中的单能离子束产生系统进行详细说明和解释。
该示例中，单能离子束产生系统包括激光源1、真空靶室2、光学传输装置6、激光聚焦装置3、固体靶401、气体靶402以及用于产生偏转磁场的磁铁(即磁场激发装置5)。激光源1产生一束线极化的高斯激光，激光强度为1022W/cm2，激光波长为λ＝1μm，焦斑半径为6.5μm，时间构型为高斯型，脉宽为10T0，T0＝c/λ为激光周期，c为真空中的光速。固体靶401由碳离子(C6+)及电子(e-)构成，整体保持电中性，固体靶401长度为100nm，固体靶401中电子密度为660nc，nc为等离子体临界密度。气体靶402由氖离子及电子构成，整体保持电中性，气体靶402长度为10μm，气体靶402中电子密度为10nc。激光源1产生一束强度为1022W/cm2的线极化高斯激光，通过真空靶室2内激光聚焦装置3将高斯激光聚焦并沿固体靶401轴心作用到固体靶401上，并将固体靶401电离成为等离子体状态。在激光有制动力作用下，超热电子在靶中不断产生并向前传播，离子在电荷分离场的作用下得到加速。随着等离子体电子密度逐渐降低，相对论透明发生，激光穿过第一层的固体靶401入射到第二层的气体靶402中，并将气体靶402电离成等离子体状态。在激光有制动力及辐射阻尼力作用下，大量电子在前向聚集，并形成了更强的加速电场，离子获得了高效的加速。在磁场的整形与偏转作用，将经过固体靶401及气体靶402产生的离子束中夹杂的电子偏转，将电子和离子分离。
参考图2，通过采用线极化高斯激光与固体靶401及气体靶402相互作用，最终能够得到一束峰值能量为10GeV的准单能分布的离子能谱，激光到离子的能量转化效率为20％。同时，通过改变固体靶401及气体靶402长度和密度，可以有效的对加速离子的能谱进行调节。
综上，本实施例提供的一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，通过固体靶401及气体靶402的结合，能够在现有激光技术条件下进行实验研究，产生能量转化效率高且单能的离子束。这些离子束流不仅在稠密物质中能够稳定地传输，而且由于其射程末端存在布拉格峰，可实现较为局域化的能量沉积，这使得它们在聚变点火和生物医学等方面成为一种更具前景的替代物。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的实用新型构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，包括：
真空靶室，用于提供真空环境；
激光源，设在所述真空靶室外，用于产生线极化的飞秒高斯激光并射入所述真空靶室；
激光聚焦装置，设在所述真空靶室内且位于所述飞秒高斯激光的光路上，以对所述飞秒高斯激光聚焦；
离子激发装置，设在所述真空靶室内，包括依次设在所述激光聚焦装置后方的固体靶与气体靶，且所述固体靶、所述气体靶均位于所述飞秒高斯激光的光路上，以产生离子束。
2.根据权利要求1所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述真空靶室上对应所述气体靶后方的位置设有用于离子束射出的窗口。
3.根据权利要求2所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，还包括能够产生偏转磁场的磁场激发装置；
所述磁场激发装置设在所述窗口的后方，且所述偏转磁场覆盖所述离子束的出射路径，以将所述离子束中的电子偏转，实现电子和离子的分离。
4.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述飞秒高斯激光的激光强度为1021～1023W/cm2。
5.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述固体靶采用C靶或者DLC靶。
6.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述固体靶的长度为100～500nm。
7.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述固体靶中电子密度为660nc，其中，nc为等离子体临界密度。
8.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述气体靶采用Ne气体或者He气体。
9.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述气体靶的长度为10～30μm。
10.根据权利要求1或2或3所述基于激光相对论透明加速的单能离子束产生系统，其特征在于，所述气体靶的气体密度为10nc，其中，nc为等离子体临界密度。
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