激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法技术

本发明专利技术提供了激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法。具体地，本发明专利技术的激光等离子体加速器包括激光参数和气体靶参数，其中，所述激光参数包括激光光强，脉宽和束腰半径，所述的气体靶参数包括气体类型，密度和混合比例。本发明专利技术基于超短激光在低密度气体靶中传输时形成的等离子体尾场加速电子束的原理，优化了激光参数和气体靶参数，在仅使用一束激光和一个气体靶的情况下得到高品质的电子束，从而获得简单易行的适用于医疗、工业和国防等领域的高品质电子束。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及加速器，具体涉及一种通过强激光作用产生高品质电子束的激光等离子体加速器。
技术介绍
高能电子束作为重要的X射线、Y射线发射驱动源，在工业、医疗和国防等领域有着重要的应用价值。传统的高能电子束一般来源于大型的直线或环形加速器，这些加速器往往很庞大(有的甚至占地数百亩，相当于多个足球场的面积)，同时造价高昂，这些不利因素限制了其使用范围和普及度。研究发现，光强达到或超过相对论光强(1018瓦特每平方厘米)的激光在经过气体靶时能激发等离子体尾波；这个尾波能承载一定的电子并使其加速至具有数十至数千兆电子伏特的能量。这种由激光器-气体靶组成的装置就叫做激光等离子体加速器。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积的全套激光等离子体加速器装置就能实现占地数百亩的传统加速器所能实现的功能，同时造价也将大大降低。由于上述优势，激光等离子体加速器有可能在数年至数十年内普及成为一种造价低、占地小的高能粒子源发射器。目前一般认为提高激光等离子体加速器产生的电子束品质是增加其与传统加速器竞争优势的关键因素。随着高功率超短激光脉冲技术的快速发展，不断提高激光束质量可以增加加速器的稳定性，从而间接增加被加速电子束的品质。但之前的电子束注入方式过于复杂，要求非常高的空间、时间匹配技术，一定程度上增加了激光等离子体加速器的应用门槛。最近研究发现电离注入是一种稳定而简单的注入方式，但目前的注入品质往往不高，难以达到实用所需的水平。因此，本领域迫切需要研发一种简单易行、可靠性好激光等离子体加速器，使产生电子束质量高的电离注入技术实际应用于工业、医疗和国防等领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过优化匹配激光与气体靶的参数，简化电子束的注入方式从而提供一种简单易行、可靠性好的激光等离子体加速器，它不仅能克服传统加速器占地面积过大、造价过高的缺点，而且能够通过稳定而简单的方式产生高品质的电子束。根据本专利技术的第一方面，提供了一种用于产生电子束的激光等离子体加速器，该激光等离子体加速器包括:一激光器，激光器用于产生激光脉冲；一真空室，真空室内设有压缩器、聚焦系统、和气体发生装置；其中，压缩器用于压缩入射激光的脉宽，从而产生飞秒量级的激光脉冲；聚焦系统用于对经压缩器压缩后的激光脉冲进行聚焦；气体发生装置用于产生气体靶；其中，激光器产生的激光脉冲入射进入真空室内的压缩器，经压缩器压缩、聚焦系统聚焦后，入射到的气体靶，从而使得气体靶中的气体分子被激光束电离，产生电子注入并同步加速电子，从而获得电子束。在另一优选例中，产生的电子束具有以下特性:(a)能量100到1000兆电子伏特；(b)电量I到200皮库;(C)能散5%以下(含)；⑷发射度小于3毫米毫弧度。在另一优选例中，该真空室设有玻璃窗口，激光器产生的激光脉冲通过该玻璃窗口进入真空室。在另一优选例中，聚焦系统将激光聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。在另一优选例中，微米量级的激光束指光斑半径为3-50微米。在另一优选例中，飞秒量级的激光束的脉宽为I至1000飞秒，较佳地10-100飞秒。在另一优选例中，激光束的峰值功率为10-1000太瓦(I太瓦=IO12瓦特)，较佳地10-200 太瓦。在另一优选例中，聚焦系统聚焦后的激光束，其束腰半径为3-50微米，较佳地5-25微米。在另一优选例中，气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。在另一优选例中，低原子序数气体在混合气体中占较大比例(> 90%，较佳地≥ 99%)。在另一优选例中，气体发生装置所产生的具有以下特征的气体靶:密度接近均匀分布；总气体分子所含电子数密度为IO16至IO19个每立方厘米；气体均匀分布区域半径为I毫米至10毫米。在另一优选例中，该真空室内还设有级联加速系统，级联加速系统用于加速的电子束，从而获得更高能量的电子束。在另一优选例中，该真空室内还设有振荡器，振荡器用于将电子束转化为X射线或Y射线。在另一优选例中，在真空室内还设有级联加速系统和振荡器，级联加速系统用于加速电子束以获得更高能量的电子束，振荡器用于将更高能量的电子束转化为更高能量的X射线或Y射线。根据本专利技术的第二方面，提供了一种产生电子束的方法，包括步骤:(a)提供脉宽为飞秒量级的激光脉冲；(b)将激光脉冲经聚焦后，产生光斑半径为微米量级的经聚焦的激光束；(C)将经聚焦后的激光束导入气体靶，从而产生并加速电子束；其中，气体靶为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体。在另一优选例中，该激光束为一束激光。在另一优选例中，该气体靶为一个气体靶。在另一优选例中，该激光束的脉宽为数十至数百飞秒。在另一优选例中，该激光束的峰值功率为数十太瓦至数百太瓦(I太瓦=IO12瓦特)。在另一优选例中，激光束的束腰半径为数微米到数十微米。在另一优选例中，激光束为基模高斯光束。应理解，在本专利技术范围内中，本专利技术的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。【附图说明】图1是本专利技术的激光等离子体加速器的结构示意图；图2是本专利技术的激光等离子体加速器中激光束入射气体靶产生电子束的示意图；图3是本专利技术的激光等离子体加速器使用的电离注入方法的原理示意图；以及图4是本专利技术的激光等离子体加速器产生的典型电子束能谱图。【具体实施方式】本专利技术人经过广泛而深入的研究，首次研发了一种结构新颖的、可用于高品质电子束的激光等离子体加速器。本专利技术基于超短激光在低密度气体靶中传输时形成的等离子体尾场加速电子束的原理，优化了激光参数和气体靶参数，在仅使用一束激光和一个气体靶的情况下得到高品质的电子束。在此基础上完成了本专利技术。本专利技术的激光等离子体加速器具有重复率高、单能性好、发射度小、电量和能量可控的优点，特别适用于场地有限、电子束品质要求高的应用场所，适合大范围普及推广。如本文所用，术语“飞秒量级”指激光脉冲的脉宽为I至1000飞秒。以下将结合附图对本专利技术的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本专利技术的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是对本专利技术范围的限制，而只是为了说明本专利技术技术方案的实质精神。图1是本专利技术的激光等离子体加速器的结构示意图。如图1所示，本专利技术的激光等离子体加速器包括真空室I和激光器2，在真空室内设有压缩器3、聚焦系统4、气体发生装置5、级联加速系统6和振荡器7。激光器2产生的激光脉冲通过玻璃窗口进入真空室I后，首先通过压缩器3使得该激光脉冲被压缩成脉宽为飞秒量级的激光脉冲，飞秒量级的激光脉冲再经过聚焦系统4使得该激光脉冲被聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。由此获得的激光束可具有10至100飞秒的脉宽，10至200太瓦的峰值功率，10至100微米的束腰半径，0.8微米或者1.06微米的波长，且该激光束只能在真空中传播。气体发生装置5能够产生密度一定的超音速气体靶作为加速载体和电子提供源。该气体靶为低原子序数气体(氢气或氦气)与高原子序数气体(氮气，氧气或氩气等气体)相混合，低原子序数气体与高原子序数气体的分子数密度混合比例一般介于100:5至100:0.01之间，混合气体的所含电子总数密度一般为IO16至IO19个每立方厘米。在本专利技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电子束的激光等离子体加速器，其特征在于，所述激光等离子体加速器包括：一激光器，所述激光器用于产生激光脉冲；一真空室，所述真空室内设有压缩器、聚焦系统、和气体发生装置；其中，所述压缩器用于压缩入射激光的脉宽，从而产生飞秒量级的激光脉冲；所述的聚焦系统用于对经所述压缩器压缩后的激光脉冲进行聚焦；所述的气体发生装置用于产生气体靶；其中，所述激光器产生的激光脉冲入射进入所述真空室内的压缩器，经所述压缩器压缩、所述聚焦系统聚焦后，入射到所述的气体靶，从而使得所述气体靶中的气体分子被所述激光束电离，产生电子注入并同步加速电子，从而获得电子束。

【技术特征摘要】
1.一种用于产生电子束的激光等离子体加速器，其特征在于，所述激光等离子体加速器包括: 一激光器，所述激光器用于产生激光脉冲； 一真空室，所述真空室内设有压缩器、聚焦系统、和气体发生装置； 其中，所述压缩器用于压缩入射激光的脉宽，从而产生飞秒量级的激光脉冲； 所述的聚焦系统用于对经所述压缩器压缩后的激光脉冲进行聚焦； 所述的气体发生装置用于产生气体靶； 其中，所述激光器产生的激光脉冲入射进入所述真空室内的压缩器，经所述压缩器压缩、所述聚焦系统聚焦后，入射到所述的气体靶，从而使得所述气体靶中的气体分子被所述激光束电离，产生电子注入并同步加速电子，从而获得电子束。2.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述的聚焦系统将激光聚焦成光斑半径为微米量级的激光束。3.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述的飞秒量级的激光束的脉宽为I至1000飞秒，较佳地10-100飞秒。4.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，其特征在于，所述激光束的峰值功率为10-1000太瓦(I太瓦=IO12瓦特)，较佳地10-200太瓦。5.根据权利要求1所述的激光等离子体加速器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾明，盛政明，陈民，张杰，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：