[發明專利]大功率激光加速離子的靶設計

無效

• 申請號: 200580048289.3
• 申請日: 2005-12-22
• 公開（公告）號: CN101133474A
• 公開（公告）日: 2008-02-27
• 發明（設計）人: 尤金·S·弗卡爾;拉沃·維爾特切夫;馬長明
• 申請（專利權）人: 福克斯·徹斯癌癥中心
• 主分類號: H01J49/16
• 分類號: H01J49/16;H01L21/26
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 黃啟行;穆德駿

相關申請的交叉引用

本申請要求2004年12月22日提交的美國臨時專利申請No.60/638,821的權益，該申請的全部內容通過參考包括在這里。政府支持的陳述

這個工作根據合同號CA78331，部分地得到了衛生與公共事業部、國家衛生協會的支持。因此，該政府可以具有這些發明中的權利。

技術領域

本發明的領域涉及激光加速輕正離子，例如由于超高強度的激光脈沖和靶材料的相互作用所產生的質子。本發明的領域還涉及靶和它們的設計，用于與超高強度的激光脈沖相互作用從而產生高能量輕正離子。

背景技術

由于超高強度激光脈沖和等離子體的相互作用在很多領域中有前途的應用，例如硬性X射線、中子、電子和高能量離子的產生，所以超高強度激光脈沖和等離子體的相互作用已經引起了相當大的興趣。激光加速的離子束具有特定的特征，例如高準直和高粒子通量，這使得它們對于受控核聚變、材料科學、用于醫學診斷的短壽命同位素的產生和強子治療(例如用于癌癥治療的質子束放射)中的應用很有吸引力。

目前存在創建這樣的靶材料的需要，這種材料可以控制地提供受控成分和能量分布的離子束。以前試驗研究的目的是理解超高強度激光脈沖和薄固體結構(也就是靶)的相互作用過程中質子/離子的快速產生的不同機構。使用厚度在從幾微米“μm”到大于100μm的范圍內的金屬以及絕緣體靶。所觀察到的離子的由來和它們的加速機構依然是爭論的問題。在被入射激光直接照射的前表面處或者在后表面處產生和加速離子，其中通過由空間電荷分離產生的靜電場出現加速。盡管在一些實驗中已經示出質子加速發生在靶子的背表面上，但是特殊試驗條件(激光基座和靶特性的影響)可以確定加速方案。因此，存在更好地理解強烈激光脈沖和材料相互作用的動態特性的必要。這種理解將依次產生改善的靶設計和設計用于產生激光加速的離子束的靶的方法。

用于在靶子的背表面上加速粒子的一個理論模型是基于準中性等離子體到真空中的膨脹。在該模型中，由于在膨脹的等離子體云前面的狹窄層中的空間電荷分離，所以產生了加速的電場，假定該等離子體云是中性的。在超短和超強烈的激光脈沖和固體結構的相互作用中，放棄準中性的假設。計算機仿真的結果表明：千兆兆瓦特的激光脈沖和等離子體箔的相互作用導致了破壞等離子體的準中性的延伸區域的形成，當考慮通過超強度脈沖進行離子加速時，應當關注這種因素。在Phys.Rev.E?69，026411(2004)中由Passoni等人描述了由兩組電子產生的電場結構，每組根據具有不同熱量的Boltzmann分布。通過對于箔內部(存在離子的地方)及其外部(駐留電子的地方)的靜電勢分布的泊松方程進行解，已經考慮到電荷分離的影響。這種方法不受限制，因為它固有地提供了與時間無關的描述。然而，為了定量地估計離子能量，要求電場輪廓的時間進展(也就是，隨時間變化的)是已知的。盡管在Plasma?Phys.Rep.30，21(2004)中由S.V.Bulanov等人建議的處理提出了獲得自相容靜電場的時空進展，為了理解和估計離子可以在該場中獲得的最大能量需要另外的工作。同樣，為了設計和最優化激光加速的離子束系統也需要另外的工作，該激光加速的離子束系統能夠產生可用于醫療應用的能量分布的正離子。

在強電荷分離的條件下，存在質子/離子加速的幾個理論實例。一個是離子簇的庫侖爆炸。和靶子相互作用的激光脈沖發射電子，由此在箔內部產生強電場，該強電場在離子加速過程中起著重要作用。在其它情況中，通過電離的靶的電場(和時間無關的)來加速質子，并且通過使用試驗粒子近似方法可以描述它們的動態特性。多層靶系統更具體地是兩層靶系統，對于這種加速方案具有特別良好的結構。在這種結構中，第一層具有質量為m_i和特殊電離狀態Z_i的重離子，以及第二層(附著到它的背表面上)具有電離的氫。在激光有質動力的作用下，電子從靶逃脫，留下重離子的帶電層。如果離子質量遠遠大于質子的質量，則在質子的有效加速期間，通常忽略離子簇的動態特性(庫侖爆炸)。在該時期中，認為離子簇的電場與時間無關，并且這種電場帶來了在不變(stationary)但是空間不均勻的電場中的質子加速的問題。