[发明专利]激光等离子体加速器及产生高品质电子束的方法

说明书

技术领域

本发明涉及加速器，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。

背景技术

高能电子束作为重要的X射线、γ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。

发明内容

本发明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。

根据本发明的第一方面，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1到200皮库；

(c)能散5%以下(含)；

(d)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1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(1太瓦=10¹²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10¹⁶至10¹⁹个每立方厘米；气体均匀分布区域半径为1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γ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γ射线。