[发明专利]双束激光驱动离子加速装置

说明书

一种双束激光驱动离子加速装置，主要包括激光分束系统、光学延时系统、预热系统、加速系统。本发明首先利用激光分束系统将主激光脉冲分为预热光和泵浦光，利用光学延时系统调节预热光和泵浦光之间的时间延时，然后利用预热系统将预热光与激光靶相互作用加热扩散激光靶，最后利用加速系统将泵浦光与膨胀扩散的激光靶相互作用加速离子。本发明通过调节双束激光参数可以优化激光离子加速过程中激光靶的密度分布，能有效的加速离子束，具有操作方便、延时精确、重复率高、能量转化效率高等优点。

技术领域

本发明涉及激光离子加速技术领域，尤其涉及一种双束激光驱动离子加速装置。

背景技术

紧凑型高品质离子源(低能散、高能量、高流强)在国家能源战略和民用需求方面具有广阔的应用前景，如肿瘤治疗、质子成像、传统加速器的注入级和激光聚变中快点火方案等。2018年诺贝尔物理学奖颁发给了Mourou和Strickland，以表彰他们在超短超强激光脉冲产生方面的贡献；现在，啁啾脉冲放大技术(Chirped Pulse Amplification，CPA)能将激光聚焦功率密度推进甚至超过10²²W/cm²量级，这种超短超强激光脉冲为离子加速提供一种全新的物理条件和途径。相比于传统加速器，基于强激光与等离子体相互作用的离子加速的加速梯度能提高4-5个数量级，有望实现加速装置的台式化、小型化，将大大降低加速器的建造费用，有助于肿瘤治疗等应用的推广和普及。因此，激光驱动离子加速逐渐成为国际上非常活跃的前沿研究领域。

根据实际应用的需求，激光加速离子主要研究目标是获得低能散、高能量、高流强的高性能离子束，同时提高激光能量的转化效率。近期，激光驱动的激波加速机制被提出作为一种产生高品质离子束的有效方案。当强激光与近临界密度等离子体相互作用时，离子会在激光有质动力作用下形成一个陡峭的密度峰，然后激发静电激波；当激波的马赫数大于临界马赫数时，激波上游的离子会被这个移动激波的静电场俘获并反射，产生准单能的离子束。激光加速机制关键是要产生近临界密度的等离子体。

利用激波加速机制获得准单能离子束，最早由波长10微米的CO₂激光器与气体靶相互作用在实验上实现的。Haberberger等采用线偏振CO₂激光脉冲序列(单个脉冲是3皮秒，脉冲间隔为18皮秒)作用在氢气喷流上，获得了20MeV准单能质子束(详见DanHaberberger et al.,Collisionless shocks in laser-produced plasma generatemonoenergetic high-energy proton beams.Nature Physics,2012.95(8):p.95-99.)。然而，CO₂激光驱动激波加速机制在现有的激光技术条件下离子能量很难定标到100s MeV量级(100s MeV离子加速需要较高功率的CO₂激光系统)，并且激光能量的转换效率很低(远小于1％)。相比于CO₂激光，波长800纳米-1000纳米的超短激光能提供功率10PW甚至100PW的高功率激光，有助于将激波加速的离子定标到更高的能量。Hui等人首次提出并验证了800纳米飞秒激光驱动激波加速准单能离子方案，实验上利用预脉冲加热碳薄膜靶并将其扩散成近临界密度等离子体，主激光驱动膨胀靶加速产生了准单能碳离子(详见Hui Zhang etal.,Collisionless shocks driven by 800nm laser pulses generate high-energycarbon ions.Physics of Plasmas,2015.013113(22):p.013113:1-6.)。然而激光的预脉冲是不可控的，因此产生的近临界密度等离子体的密度分布是不稳定的，导致加速产生的离子束参数重复性不强，不能满足肿瘤治疗等实际应用的需求。

发明内容

本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种双束激光驱动离子加速装置。该装置具有操作方便、延时精确、重复率高、能量转化效率高等特点。

本发明的技术解决方案如下：