[发明专利]一种以激光瞬间生成高密度中空电子云的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种生成中空电子云的装置，尤指一种以激光瞬间生成高密度中空电子云的方法及其装置。

背景技术

在受时间、空间限制的带电粒子束团(charge bunch)上，将具有很强射线强度的电子聚束(electron bunch)在短距离内加速到超过数亿电子伏特(GeV)高能量的方法，从1950年中旬开始就有研究员提出发明和建议。例如，美国的贝内德(Bennett)最早提出电子聚束的加速方法，而苏联的贝克斯勒(Veksler)提出的方案既明确又容易在短距离内实现加速电子聚束。

1950年的瑞士日内瓦加速器国际会议，苏联的杜布那(Dubna)、贝克斯勒(Veksler)和布朵卡(Budker)共同发表有关带电粒子利用大强度、高密度电子聚束的离子加速理论和实验。

其中所述的离子，意指包括质子的所有带电离子，而被称为重离子时，指的是在元素表上重量大于氦重量以上的带电离子。

1967年的英国剑桥加速器国际会议上，苏联的贝克斯勒(Veksler)发表将100亿个质子从15m距离处加速到1GeV的诱导线形加速器(induction linac)模型。

此革新性的离子/电子聚束加速法，造成世界上的主要研究所争相钻研相关理论和实验。例如，美国劳伦斯伯克莱实验室(LBL，Lawrence BerkleyLaboratory)发表了电子圈加速器(ERA，Electron Ring Accelerator)系统；马里兰(Maryland)大学则着眼于研究大强度电子射线的电子圈加速器(ERA)；电子圈和诱导线形加速器发明人克利斯非罗斯(Christfilos)在美国劳伦斯立卫莫国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)启动核融合技术发展电子圈加速器(ERA)。

所称的电子圈加速器(ERA)的工作原理，如图1所示，首先将未中和的电子束射入(injection)到一个有轻度聚焦作用的纵向磁场中形成电子圈。尔后，磁场强度随时间上升，以便使磁场中的电子圈的长、短半径都得到压缩，并将电子圈中的电子能量进一步提高。此时，由于电子圈的电子与气体分子碰撞产生了大量离子，且这些离子被电子圈的位能障壁(Barrier)所俘获，一方面中和了电子的空间电荷力，使电子圈保持形状；另一方面也提供了电子圈和它俘获的离子同时加速。将电子圈和它俘获的离子同时加速的方式有两种：一是使用加速腔产生出沿磁力线方向的电场，一是使用沿纵向距离逐渐减弱的磁场径向分量的洛仑兹力。所以，上述电子圈和它俘获的离子能够以多大的加速率进行加速，显然受限及决定于沿磁力线方向的最大电场以及使离子保持在电子圈内的保持能力。

所以，当前对于电子圈加速器(ERA)的主要研究方向，就在于提高使离子保持在电子圈内的保持能力。例如，美国劳伦斯伯克莱实验室(LBL)发表的电子圈加速器(ERA)的离子加速方式，是利用弱小收束方式，用一次(oneturn)入射的电子回旋加速器方式，使其在时间上生成变化的轴磁场；拉斯雷特·塞斯勒(A.Sessler)发表的电子圈加速器(ERA)的离子加速方式，是利用在阴极(cathode)上生成大电子圈，再射入到在轴方向减少的静态轴的磁场；而马里兰(Maryland)大学发表的电子圈加速器(ERA)的离子加速方式，是利用在阴极(cathode)上生成大的中空电子射线，再射入卡斯夫磁场(Cusp magneticfield)。

但，上述的任何一种电子圈加速器(ERA)的离子加速方式，均以在轴方向缩短所形成的电子圈的方式作为主流，在这种情况下，所需的电流量很高，会发生各种射线不稳定性的问题，要稳定电子聚束(electron bunch)极为困难。

另一方面，由于近年来大型同步辐射加速器、高能质子加速器及直线型电子和质子对撞器的成熟发展，导致朝向用电子、质子加速到数百GeV或TeV领域的电子圈加速器(ERA)的研究开发，渐渐地衰退了。

发明内容

本发明的主要发明目的，即在于提供一种以激光瞬间生成高密度中空电子云的方法及装置，不需要将电子束射入(injection)到纵向磁场中以形成电子圈，可以解决现有技术中所述的大电流电子圈加速器(ERA)存在电子射线不稳定性的问题。