[發明專利]激光等離子體加速器及產生高品質電子束的方法

有效

• 申請號: 201310687284.1
• 申請日: 2013-12-13
• 公開（公告）號: CN103619118A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 曾明;盛政明;陳民;張杰
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: H05H6/00
• 分類號: H05H6/00
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 蔡繼清;翁霞

技術領域

本發明涉及加速器，具體涉及一種通過強激光作用產生高品質電子束的激光等離子體加速器。

背景技術

高能電子束作為重要的X射線、γ射線發射驅動源，在工業、醫療和國防等領域有著重要的應用價值。傳統的高能電子束一般來源于大型的直線或環形加速器，這些加速器往往很龐大(有的甚至占地數百畝，相當于多個足球場的面積)，同時造價高昂，這些不利因素限制了其使用范圍和普及度。

研究發現，光強達到或超過相對論光強(10¹⁸瓦特每平方厘米)的激光在經過氣體靶時能激發等離子體尾波；這個尾波能承載一定的電子并使其加速至具有數十至數千兆電子伏特的能量。這種由激光器-氣體靶組成的裝置就叫做激光等離子體加速器。由于激光器占地小，激光尾波加速梯度大，一百平方米左右的面積的全套激光等離子體加速器裝置就能實現占地數百畝的傳統加速器所能實現的功能，同時造價也將大大降低。由于上述優勢，激光等離子體加速器有可能在數年至數十年內普及成為一種造價低、占地小的高能粒子源發射器。

目前一般認為提高激光等離子體加速器產生的電子束品質是增加其與傳統加速器競爭優勢的關鍵因素。隨著高功率超短激光脈沖技術的快速發展，不斷提高激光束質量可以增加加速器的穩定性，從而間接增加被加速電子束的品質。但之前的電子束注入方式過于復雜，要求非常高的空間、時間匹配技術，一定程度上增加了激光等離子體加速器的應用門檻。最近研究發現電離注入是一種穩定而簡單的注入方式，但目前的注入品質往往不高，難以達到實用所需的水平。

因此，本領域迫切需要研發一種簡單易行、可靠性好激光等離子體加速器，使產生電子束質量高的電離注入技術實際應用于工業、醫療和國防等領域。

發明內容

本發明的目的是通過優化匹配激光與氣體靶的參數，簡化電子束的注入方式從而提供一種簡單易行、可靠性好的激光等離子體加速器，它不僅能克服傳統加速器占地面積過大、造價過高的缺點，而且能夠通過穩定而簡單的方式產生高品質的電子束。

根據本發明的第一方面，提供了一種用于產生電子束的激光等離子體加速器，該激光等離子體加速器包括：一激光器，激光器用于產生激光脈沖；一真空室，真空室內設有壓縮器、聚焦系統、和氣體發生裝置；其中，壓縮器用于壓縮入射激光的脈寬，從而產生飛秒量級的激光脈沖；聚焦系統用于對經壓縮器壓縮后的激光脈沖進行聚焦；氣體發生裝置用于產生氣體靶；其中，激光器產生的激光脈沖入射進入真空室內的壓縮器，經壓縮器壓縮、聚焦系統聚焦后，入射到的氣體靶，從而使得氣體靶中的氣體分子被激光束電離，產生電子注入并同步加速電子，從而獲得電子束。

在另一優選例中，產生的電子束具有以下特性：

(a)能量100到1000兆電子伏特；

(b)電量1到200皮庫；

(c)能散5%以下(含)；

(d)發射度小于3毫米毫弧度。

在另一優選例中，該真空室設有玻璃窗口，激光器產生的激光脈沖通過該玻璃窗口進入真空室。

在另一優選例中，聚焦系統將激光聚焦成光斑半徑為微米量級的激光束。

在另一優選例中，微米量級的激光束指光斑半徑為3-50微米。

在另一優選例中，飛秒量級的激光束的脈寬為1至1000飛秒，較佳地10-100飛秒。

在另一優選例中，激光束的峰值功率為10-1000太瓦(1太瓦=10¹²瓦特)，較佳地10-200太瓦。

在另一優選例中，聚焦系統聚焦后的激光束，其束腰半徑為3-50微米，較佳地5-25微米。

在另一優選例中，氣體靶為由低原子序數氣體與高原子序數氣體組成的混合氣體。

在另一優選例中，低原子序數氣體在混合氣體中占較大比例(≥90%，較佳地≥99%)。

在另一優選例中，氣體發生裝置所產生的具有以下特征的氣體靶：密度接近均勻分布；總氣體分子所含電子數密度為10¹⁶至10¹⁹個每立方厘米；氣體均勻分布區域半徑為1毫米至10毫米。

在另一優選例中，該真空室內還設有級聯加速系統，級聯加速系統用于加速的電子束，從而獲得更高能量的電子束。

在另一優選例中，該真空室內還設有振蕩器，振蕩器用于將電子束轉化為X射線或γ射線。

在另一優選例中，在真空室內還設有級聯加速系統和振蕩器，級聯加速系統用于加速電子束以獲得更高能量的電子束，振蕩器用于將更高能量的電子束轉化為更高能量的X射線或γ射線。