本发明专利技术公开了一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，包括真空靶室系统及设置在所述的真空靶室系统内侧的复合结构靶，所述的复合结构靶包括靶框及设置在靶框一侧的金属钽柱，在所述的靶框远离所述的金属钽柱一端覆盖有低密度碳氢层，在所述的金属钽柱与所述的靶框之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层厚度为10μm，平均密度为5mg/cm3，所述的靶框为非金属制成。本发明专利技术还公开了一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源产生方法。本发明专利技术相比现有技术的其他激光伽马射线源相比，具有源尺寸小、源亮度高、成本低等优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法，它可以作为高性能伽马射线源应用于高能量密度物理，材料状态检测以及癌症治疗等领域。
技术介绍
紧聚焦短脉冲高能电子束与高Z金属材料相互作用可以产生脉冲式伽马射线源，这种源具有空间尺寸小（约数十微米）、发散度小（毫弧度量级）、能量高（光子能量可达MeV）等优点，因而在以下方面有十分巨大的应用前景：1)正电子产生；2)高Z元素金属材料照相，探测高Z材料内部特性。这种新型超快紧聚焦脉冲式伽马射线源研究引起了世界各国科学家的极大兴趣。一般认为，超强激光与近临界密度等离子体相互作用可以产生大电荷量的高能电子束。将激光与近临界密度等离子体所产生的电子束注入到高Z金属转换体中，从而产生高亮度的伽马射线源。在先技术[1]：采用经过特殊设计的小尺寸超声速喷嘴喷气可以产生近临界密度等离子体。例如，对于直径0.5毫米的喷嘴，当气体的背压为300-400bar时，喷出的氦气密度为1021/cm3 ，全离化后相应的等离子体密度为2×1020/cm3。小尺寸超声速喷嘴喷出氦气全电离后的等离子体密度接近临界密度。该喷嘴可以安全地工作在高真空环境下，不会给涡轮分子泵太高的负载以免损坏涡轮分子泵。喷嘴产生的临界密度等离子体的密度比较均匀，但是也有几个明显缺点，主要是喷嘴等配气结构复杂，系统庞大，不利于某些场合的应用。此外，即使是小尺寸喷嘴，形成的近临界密度等离子体的尺寸仍然较大，为数毫米。法国科学家Y. Glinec等人将脉冲宽度30fs，能量为1.3J的激光入射到3mm超声速喷气靶上（全离化后的等离子体密度为7.5×1018/cm3），焦斑大小为18μm，获得了电荷量为1.6nC（能量大于2MeV）的高能电子束，将其注入到厚度为2.5mm的钽柱中，钽柱放置在喷嘴后3mm处。最终获得的最大光子能量可超过140MeV。在先技术[2]：通过调节预脉冲或者自发放大辐射的参数来进行控制等离子体自身膨胀的方式也可以产生具有一定密度梯度标长的近临界密度等离子体。Yogo等人证明采用调整普克尔盒的方式调整自发放大辐射持续时间范围0.5-5ns可以产生近临界密度等离子体。例如，激光功率密度为1.5×1019W/cm2，主脉冲前10ps处的自发放大辐射强度对比度为2×105时，自发放大辐射入射到7.5μm厚的聚酰亚胺薄膜上可产生最高密度2×1022/cm3的等离子体。美国劳伦斯利弗莫尔实验室的陈慧，使用功率密度为1012- 1014W/cm2预脉冲直接作用在1mm厚的金盘靶上，实验中产生了标尺长度20-50μm的预等离子体。激光主脉冲和其相互作用后的高能电子进入金盘靶内部后，最终产生能量为数十MeV的伽马光子。不过，这一技术所产生的等离子体密度仍然偏高，密度为临界密度的10倍左右，不利于产生空间发散角小的高能电子束，也就不利于控制伽马射线源的空间尺寸。在先技术[3]：采用ns长脉冲烧蚀块状泡沫。一般采用的是2倍频或者3倍频ns钕玻璃激光来烧蚀块状泡沫材料以产生近临界等离子体。例如采用多束经过KPP束匀滑的三倍频激光入射C15H20O6泡沫中，泡沫靶的直径为2.5mm，长度为500μm。平均每束激光能量在200-400J，脉冲长度为3ns，根据局域热平衡模型(LTE)获得的等离子体电子温度在1.3keV左右。对于ns长脉冲烧蚀块状泡沫的方式，光束的口径较大，因而所需的ns激光能量仍然较大。上述三种在先技术所形成的近临界密度等离子体不是尺寸过大，就是密度过高，不利于激光在其中的稳定传输，进而导致不利于产生高亮度紧聚焦短脉冲伽马射线源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法。本专利技术通过以下技术方案实现：基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，包括真空靶室系统及设置在所述的真空靶室系统内侧的复合结构靶，所述的复合结构靶包括靶框及设置在靶框一侧的金属钽柱，在所述的靶框远离所述的金属钽柱一端覆盖有低密度碳氢层，在所述的金属钽柱与所述的靶框之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层厚度为10μm，平均密度为5mg/cm3，所述的靶框为非金属制成。本专利技术中，在激光主脉冲到达之前，激光预脉冲将在低密度碳氢层的趋肤深度内被大量吸收，通过碰撞吸收和参量吸收等方式烧蚀离化材料。本专利技术中采用超薄低密度碳氢层，由于泡沫的平均密度较低，因此烧蚀速率高。主脉冲到达之前，持续时间为纳秒量级的激光预脉冲所产生的烧蚀波将超薄碳氢层充分离化，形成等离子体。整个碳氢层物质在烧蚀波的作用下，几乎都被加热到KeV的温度。等离子体在如此高温下，将向低密度碳氢层前后的真空膨胀。膨胀后的等离子体密度接近临界密度并进入靶框与金属钽柱所形成的密闭空间。因此金属钽柱之前可以形成一段小尺寸近临界密度等离子体。激光主脉冲到达后，将和膨胀后的近临界密度等离子体相互作用。由于激光主脉冲功率密度大于相对论自透明阈值。激光束将发生相对论自聚焦和有质动力自聚焦。高斯激光束在等离子体中传输时，激光的有质动力径向将电子从中间区域排开，形成等离子体通道。等离子体通道中，由于电子被有质动力推开，形成准静态的径向电荷分离场，电场方向为径向。沿着通道壁的回流电子将产生准稳态的角向磁场。相对论电子被准静态电磁场束缚在等离子体通道内并和激光一起沿轴向前运动，同时电子在横向以频率ωp/2作回旋振荡。激光和电子间共振地交换能量，电子在激光场中冲浪，具有合适相位的电子将不断地从激光场中提取平均振荡能。经历多次共振后，电子将获得非常高的能量增益，形成准直的大电荷量的高能电子束，电子束的平均温度可达数个MeV。该准直高能电子束随后进入靶框后的金属钽柱内，通过轫致辐射转换为伽马射线光子。光子能量为主要在MeV量级。考虑到准静态电磁场束缚作用，入射电子束的空间发散角很小，从而可以产生紧聚焦的伽马射线源。由于点源投影照相的图像空间分辨率在很大程度上取决于源的大小，本专利技术伽马射线的产生来自于高能电子的轫致辐射。考虑到激光在等离子体传输过程的不稳定性，有必要获得小尺寸的近临界密度等离子体。和在先技术[1]相比，等离子体尺寸大大减小，抑制了激光传输不稳定性，有利于控制电子束的尺寸从而控制伽马射线源的尺寸。此外，准静态电磁场的束缚作用进一步减小了高能电子的发散角以及伽马射线源的空间尺寸。等离子体密度的过高或者过低，都会影响到电子束平均温度，进而影响伽马射线的能量。根据强激光与近临界密度等离子体相互作用理论，等离子体密度在ne= 0.1-1×1021/cm3时，激光在等离子体中传输的过程中，考虑到激光的群速度和电子运动的速度相近，因此，激光可以通过Betatron共振的方式将电子加速到非常高的能量，所产生的高能电子电量可达数十nC。可以预计，电子到光子的转换率是一定的，与在先技术[1]相比，伽马光子的数量大幅增加，即源亮度更高。和在先技术[1-3]相比，本专利技术由于不需要庞大复杂的超声速气体喷嘴以及配气装置，也不需要单独的ns激光束，大幅降低了伽马射线源的建设成本和运行成本。进一步的，为更好地实现本专利技术，所述的金属钽柱的直径为0.5mm，厚度为0.5mm。进一步的，为更好地实现本专利技术，所述的靶框厚度为100-200μm。进一本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：包括真空靶室系统(101)及设置在所述的真空靶室系统(101)内侧的复合结构靶(104)，所述的复合结构靶(104)包括靶框(202)及设置在靶框(202)一侧的金属钽柱(203)，在所述的靶框(202)远离所述的金属钽柱(203)一端覆盖有低密度碳氢层(201)，在所述的金属钽柱(203)与所述的靶框(202)之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层(201)厚度为10μm，平均密度为5mg/cm3，所述的靶框(202)为非金属制成。
【技术特征摘要】
1.基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：包括真空靶室系统(101)及设置在所述的真空靶室系统(101)内侧的复合结构靶(104)，所述的复合结构靶(104)包括靶框(202)及设置在靶框(202)一侧的金属钽柱(203)，在所述的靶框(202)远离所述的金属钽柱(203)一端覆盖有低密度碳氢层(201)，在所述的金属钽柱(203)与所述的靶框(202)之间设置有密闭空腔，所述的低密度碳氢层(201)厚度为10μm，平均密度为5mg/cm3，所述的靶框(202)为非金属制成。2.根据权利要求1所述的基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：所述的金属钽柱(203)的直径为0.5mm，厚度为0.5mm。3.根据权利要求1或2所述的基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：所述的靶框(202)厚度为100-200μm。4.根据权利要求1或2所述的基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：所述的真空靶室系统(101)包括铅屏蔽层(102)及设置在所述的铅屏蔽层(102)内侧的激光束聚焦装置(103)，所述的复合结构靶(104)位于所述的铅屏蔽层(102)内侧。5.根据权利要求4所述的基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：在所述的复合结构靶(104)下方设置有电子束偏转磁环(106)，在所述的电子束偏转磁环(106)下方设置有样品台(107)。6.根据权利要求5所述的基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源，其特征在于：在所述的铅屏蔽层(102)外侧设置有射线源点投影成像记录设备(108)，所述的复合结构靶(...
【专利技术属性】
技术研发人员：王剑，
申请(专利权)人：内江师范学院，
类型：发明
国别省市：四川;51
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