[发明专利]点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法

说明书

本发明公开了一种点‑点成像以及点‑平行成像束线传输装置及其实现方法。本发明在传输路径中设置磁铁元件，利用弱聚焦磁铁在水平方向X和竖直方向Y同时聚焦且在X方向分析能量的特点，基于弱聚焦作用实现双消色差传输，消除色差效应对粒子束传输的影响，在双消色差系统出口得到接近靶点尺寸的粒子束，保留激光驱动粒子束的高亮度特性，实现大能散、大散角粒子束的点‑点成像；在传输中选择能量并整形能谱；另外使能量越高的粒子走越长的路径，压缩脉冲长度，保留粒子束的短脉冲特性，满足温稠密物质研究、快点火等应用对粒子束空间、时间特性的要求；通过三元四极透镜实现点‑平行成像，将粒子束变为大面积准直束，满足癌症治疗等应用的要求。

技术领域

本发明涉及粒子束传输与激光加速器应用技术，具体涉及一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法。

背景技术

超强激光出现后，以极高的能量密度将人类可实现的极端物理条件下的研究推进了一大步，激光等离子体作用，以新的加速机制将加速梯度提高到100GV/m的量级，能够在微米尺度把离子加速到～MeV，在厘米尺度把电子加速到～GeV，有望成为应用在诸多领域的新一代紧凑、低成本加速装置。

超强激光与等离子体作用产生的质子束，具有初始束斑小(～10μm)、脉冲长度ps量级、电流高、能谱宽等特点，其独特的束流品质有很大潜力用于温稠密物质研究、快点火、成像、癌症治疗等。

由于强激光的存在，激光打靶产生的微米量级粒子束难以直接应用。另外打靶产生的热电子和强电磁脉冲干扰测量。激光与等离子体作用的不稳定性导致加速产生的粒子束存在能量、电量等波动。不同于传统加速器中的单能束，激光驱动粒子束通常有指数上升的能谱，癌症治疗等应用需要的扩展的布拉格峰要求随能量上升的能谱，因此需要能谱整形，降低低能部分粒子的数目。这些问题要求利用束线将粒子束传输到应用端，保持粒子束的空间、时间特性，在束线上非拦截诊断、控制粒子束的能量、能散、电量等，使激光加速器发挥出真正的应用价值。

四极磁铁与偏转磁铁组成的消色差系统是常用的消色差设计，但只能在横向的一个方向消色差，实现点-点成像传输，在另一个方向不能消色差；即使是消色差设计中，色差仍然有影响。这导致激光驱动粒子束的品质在传输中难以保持，影响激光加速器的应用。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，围绕激光驱动粒子束的传输与应用，针对非消色差传输中色差效应导致粒子束不能实现点-点传输的问题以及单方向消色差束线的局限，本发明提出了一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置及其实现方法。

在激光靶室内，激光脉冲与靶相互作用，产生微米量级的粒子束，激光脉冲与靶的作用点称为靶点；激光靶室为真空环境，粒子束产生后沿真空管道传输。

本发明的一个目的在于提出一种点-点成像以及点-平行成像束线传输装置。

本发明的点-点成像以及点-平行成像束线传输装置包括：第一和第二弱聚焦磁铁以及三元四极透镜；其中，第一和第二弱聚焦磁铁具有相同的形状和尺寸，对粒子的偏转方向相反；第一弱聚焦磁铁的入口正对着靶点，第一弱聚焦磁铁的入口与靶点之间具有第一漂浮段，第一漂浮段的长度为L₁，在实验室坐标系X′Y′Z′中第一漂浮段沿Z′轴方向；第一弱聚焦磁铁的出口正对着第二弱聚焦磁铁的入口，第一弱聚焦磁铁的出口与第二弱聚焦磁铁的入口之间具有第二漂浮段，第二漂浮段的长度为L₂；第二弱聚焦磁铁的出口对着双消色差系统出口，第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口之间具有第三漂浮段，第三漂浮段的长度为L₃，沿Z′轴方向，并且第三漂浮段的长度与第一漂浮段的长度相等，即L₃＝L₁；第一和第二弱聚焦磁铁与第一至第三漂浮段构成双消色差系统；第二弱聚焦磁铁的出口与双消色差系统出口的延长线上放置三元四极透镜，三元四极透镜包括三个四极磁铁；双消色差系统出口与三元四极透镜之间具有第四漂浮段，第四漂浮段的长度为L₄，沿Z′轴方向，三元四极透镜沿Z′轴摆放；