專利名稱：一種激光加速離子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及離子加速技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用激光實(shí)現(xiàn)離子加速的方法。

背景技術(shù)：
常規(guī)離子加速通常采用射頻加速器技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而以射頻加速器為主體的離子加速設(shè)備體積龐大、造價(jià)昂貴、維護(hù)和運(yùn)行費(fèi)用不菲。現(xiàn)在已經(jīng)投入運(yùn)行的德國(guó)GSI和日本的HIMAC等大型離子加速設(shè)備的造價(jià)約為10億歐元左右，我國(guó)蘭州近物所的重離子加速器造價(jià)也在幾億人民幣以上。利用超強(qiáng)激光的電磁場(chǎng)來(lái)加速離子，可以大大提高離子的加速梯度?，F(xiàn)有采用激光實(shí)現(xiàn)加速離子的方法通常采用線偏振激光，且采用雙層固體靶，即第一層為幾個(gè)微米厚的重金屬靶，第二層為含氫或者其他輕元素的有機(jī)粘附層，從金屬靶中打出的電子可以加速第二層中的氫離子或其它較輕元素，其中，激光的能量將主要用于電子加熱，由此產(chǎn)生的加速電場(chǎng)強(qiáng)度有限，從而得到的離子能量受到限制，而且束流品質(zhì)差。目前，以現(xiàn)有超強(qiáng)激光的功率水平和技術(shù)，加速得到的離子能量低、束流能散大，束流通量低。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光加速離子的方法，大幅度降低束流能散，提高離子束的品質(zhì)。
本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下的技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的 一種激光加速離子的方法，其步驟包括采用圓偏振激光轟擊單層靶，所述單層靶為含有待加速離子的薄膜。
所述激光的光強(qiáng)范圍為1018～1022w/cm2。
所述單層靶的厚度為0.001微米～10微米。
所述待加速離子為氫元素，包括氘、氚同位素，所述單層靶為含有氫元素的有機(jī)薄膜。
所述待加速離子為碳元素，所述單層靶為碳元素薄膜。
所述待加速離子為金屬元素，所述單層靶為與待加速離子相應(yīng)的金屬薄膜。
所述單層靶放置在真空當(dāng)中。
一種激光加速離子的方法，其步驟包括采用圓偏振激光，轟擊噴嘴噴射出的含有待加速離子的高密度氣體(氣體密度大于臨界密度nr＝1*1021個(gè)/cm3)。
所述高密度氣體的電子歸一化密度ne/nr＞1。
本發(fā)明有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn) 本發(fā)明采用圓偏振激光，電子可以有效地將激光能量傳遞給靶中或氣體中的離子，避免激光能量主要轉(zhuǎn)化為電子的熱能，而是把能量更有效地傳遞給離子。當(dāng)圓偏振激光轟擊單層靶時(shí)，靶中的電子將被光壓整體推動(dòng)并壓縮到一個(gè)薄層內(nèi)，此時(shí)電荷分離產(chǎn)生的電場(chǎng)拉動(dòng)和加速靶中的離子。在此推拉加速過(guò)程中，離子可以同時(shí)得到加速和聚束，從而具有很低的能散。本發(fā)明運(yùn)用射頻直線加速器中(如RFQ加速器)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化方法，可以大大提高離子的加速梯度和有效加速長(zhǎng)度，同時(shí)加速得到的束流品質(zhì)可與常規(guī)射頻加速器相比擬。這將大大降低離子加速設(shè)備的成本和運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。



下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)地說(shuō)明 圖1圓偏振光(circular polarization)和線偏振光(linearpolarization)在等離子體中產(chǎn)生的電場(chǎng)； 圖2a現(xiàn)有技術(shù)雙層靶的示意圖；圖2b單層靶的示意圖；其中，1為重金屬靶，2為含待加速元素的單層靶； 圖3和圖4為本發(fā)明加速得到的離子能譜。

具體實(shí)施例方式 下面參照本發(fā)明的附圖，更詳細(xì)的描述出本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
參考圖1，采用圓偏振激光，它的電場(chǎng)可以表述為當(dāng)圓偏振激光透射到高密度靶上時(shí)(電子密度ne大于等離子體臨界密度nr)，激光將不能透過(guò)靶體，而是持續(xù)反射回來(lái)。此時(shí)激光的光壓將整體壓縮電子，從而電子可以直接將激光的光壓傳遞給靶中的離子。如果采用線偏振激光激光一部分能量將主要用于電子加熱，用于加速離子的電場(chǎng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圓偏振激光產(chǎn)生的電場(chǎng)，從而離子得到的能量有限，而且束流品質(zhì)差。
本發(fā)明采用激光轟擊單層靶，參考圖2，單層靶為含待加速元素薄膜，該單層靶中的電子可以約束靶中的離子，同時(shí)把激光光壓有效地傳遞給離子，從而產(chǎn)生低能散和高品質(zhì)的高能離子束。
a)如果要加速氫離子，只要采用含氫元素的薄膜靶，或者采用氣體噴嘴噴射高密度含氫元素的氣體。靶厚度小于10微米。
b)如果要加速其它元素(如碳、金屬)，采用含碳元素，金屬元素的單層靶(靶厚度小于10個(gè)微米)。
本發(fā)明實(shí)施例一 超強(qiáng)圓偏振激光(光強(qiáng)I＝6.9*1019w/cm2)，單層含氫高密度薄膜靶(ne/nr＝10)，厚度為0.2微米，激光脈沖長(zhǎng)度為330fs。在本加速方法下激光的能量有效地轉(zhuǎn)化為氫離子的能量，該能量為300MeV以上，且束流品質(zhì)好，能散低于4％，如圖3所示。
本發(fā)明實(shí)施例二 超強(qiáng)圓偏振激光(光強(qiáng)I＝2.8*1020w/cm2)，固體靶為金屬銅膜(ne/nr≈100)，厚度為0.05微米，激光脈沖長(zhǎng)度為330fs。在本加速方法下激光的能量有效地轉(zhuǎn)化為銅離子的能量，該能量為133MeV以上，且束流品質(zhì)好，能散低于4％。
本發(fā)明實(shí)施例三 超強(qiáng)圓偏振激光(光強(qiáng)I＝4.4*1019w/cm2)，采用氣體噴嘴噴射高密度含氫元素的氣體(ne/nr＝3)，激光脈沖長(zhǎng)度為330fs。在本加速方法下氫離子能量為120MeV以上，束流能散低于4％，如圖4所示。
上述實(shí)施例只是本發(fā)明的舉例，盡管為說(shuō)明目的公開(kāi)了本發(fā)明的最佳實(shí)施例和附圖，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1. 一種激光加速離子的方法，其步驟包括采用圓偏振激光轟擊單層靶，所述單層靶為含有待加速離子的薄膜。
2. 如權(quán)利要求1所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述激光的光強(qiáng)的范圍為1018w/cm2～1022w/cm2。
3. 如權(quán)利要求1所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述單層靶的厚度為0.001微米～10微米。
4. 如權(quán)利要求1或3所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述待加速離子為氫元素，包括氘、氚同位素，所述單層靶為含有氫元素的有機(jī)薄膜。
5. 如權(quán)利要求1或3所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述待加速離子為碳元素，所述單層靶為碳元素薄膜。
6. 如權(quán)利要求1或3所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述待加速離子為金屬元素，所述單層靶為與待加速離子相應(yīng)的金屬薄膜。
7. 如權(quán)利要求1所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述單層靶放置在真空當(dāng)中。
8. 一種激光加速離子的方法，其步驟包括采用圓偏振激光轟擊噴嘴噴射出的含待加速離子的氣體，所述氣體密度大于臨界密度nr＝1*1021個(gè)/cm3。
9. 如權(quán)利要求8所述的激光加速離子的方法，其特征在于所述氣體的歸一化密度ne/nr＞1。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光加速離子的方法，屬于離子加速技術(shù)領(lǐng)域。該激光加速離子的方法包括采用圓偏振激光轟擊單層靶，所述單層靶為含有待加速離子的薄膜，或采用圓偏振激光，轟擊噴嘴噴射出的含有待加速離子的高密度氣體。本發(fā)明可以大大提高離子的加速梯度和有效加速長(zhǎng)度，同時(shí)加速得到的束流品質(zhì)可與常規(guī)射頻加速器相比擬。
文檔編號(hào)H05H15/00GK101282612SQ20071009036
公開(kāi)日2008年10月8日 申請(qǐng)日期2007年4月6日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月6日
發(fā)明者顏學(xué)慶 申請(qǐng)人:北京大學(xué)