CN104735895A - 激光等离子体脉冲正电子源 - Google Patents

Abstract

一种激光等离子体脉冲正电子源，包括激光光源、真空靶室。激光光源发射的激光穿过真空靶室的窗***到至于真空靶室的平面反射镜上，平面反射镜反射的激光由离轴抛物面反射聚焦镜聚焦到固体靶组件中的前向盘状靶材上。至于真空靶室内部的固体靶组件中，盘状靶材固定在一个旋转轴上。驱动电机带动旋转轴转动，带动盘状靶转动。盘状靶、转动轴及驱动电机安装在一个电动升降台上。由同步信号发生器同步控制驱动电机、电动升降台和激光光源。本发明提供的激光等离子体脉冲正电子源，能够产生皮秒级脉冲正电子束，适用于正电子相关的探测和诊断。

Description

激光等离子体脉冲正电子源

技术领域：

本发明是关于一种激光等离子体脉冲正点资源，它可作为小型脉冲正电子源应用在对能量、发射度有一定要求的正电子探测和诊断中，也可以应用于加速器作为注入源。 

背景技术：

先进技术[1]：利用放射源产生正电子束。放射源是具有反射性的材料，有部分放射源具有β+衰变过程，通过这种衰变会放出正电子。这种正电子束产生技术是一种传统的正电子源产生技术。 

通常，这种正电子源产生的正电子束流是直流的，其束流强度主要由放射源的活度决定。常用的正电子放射源有²²Na、⁵⁸Co、⁶⁴Cu等，这些放射源的半衰期不长，因此正电子源在使用一段时间后会有比较明显的下降；其次，放射源的制备也比较繁琐。目前，²²Na由于其半衰期最长，是最为常用的正电子源。2005年，武汉大学设计了一个正电子束装置(发表文章见Applied Surface Science252(2006)3121-3125)，采用50mCi的²²Na作为正电子源，流强达到5×10⁶。 

目前，基于放射源的正电子束可以说是最为常用和简便的一种放射源，但应当指出，放射源输出的正电子束为直流，而且会随着时间衰减，因此在需要高亮度、短脉冲的测量应用中是不适用的。 

先进技术[2]：利用加速器来产生脉冲正电子束束流已经经历了比较长的过程。通常，在加速器上利用加速器产生高能电子束轰击固体靶产生低能正电子束，然后在通过加速器优化能量后输出。 

加速器上，通常电子束的输出频率可以达到数十兆赫兹，能量达到数十兆 电子伏甚至吉电子伏，利用这样的电子束和钨靶或钽靶相互作用产生正电子束。正电子束通过慢化材料后，进入加速器，将能量优化后输出。正电子束的输出频率也可以达到兆赫兹，但是每个脉冲的正电子数量较少，通常为数百个。美国LLNL实验室在2000年就建立了正电子束装置，利用电子直线加速器产生150MeV的电子束，轰击钨靶产生正电子。正电子束的输出频率为20MHz，每个脉冲内包含300个正电子，流强达到10¹⁰e⁺/s。德国Hemlmohtz-Zetrum Dresden-Rossendorf实验室2010年也建立了基于电子直线加速器的正电子束线，利用13MHz的电子束轰击钨靶产生正电子束，输出的正电子束脉冲宽度约5ps，单脉冲包含的正电子数约200，流强达到10¹⁰e⁺/s。 

目前，利用加速器产生脉冲正电子束流是一种常用的正电子源，但应当指出，这种正电子源是一种准连续的方式，单脉冲包含的正电子数量不多，而且大型加速器装置的建造和运行费用都很昂贵，作为广泛使用的正电子源是不现实的。 

先进技术[3]：利用激光产生高产额脉冲正电子束是一种新型的正电子产生途径。 

2000年，Germany，Max-Planck-Institut fu¨r Quantenoptik的C.Gahn等人(发表文章见Appl Phys Lett，77(2000)2662-2664，Phys Plasmas，9(2002)987-999.)利用ATLAS装置和气体靶相互作，通过尾场加速机制产生平均能量在2MeV左右的高能电子，这些高能电子再和2mm的Pb作用产生正电子，达到的正电子产额约10⁶/激光脉冲。这种方式产生的正电子产额较低，此后就没有相关的研究。 

美国LLNL的研究人员，在Titan激光装置及OMEGA EP激光装置上，利用就刚和固体靶作用产生了高产额脉冲正电子束(文章发表见，Phys Rev Lett，102(2009)Phys Rev Lett，105(2010)，Phys Plasmas，20(2013)013111)。在他们的实验中，激光波长为1.054微米，脉宽为2皮秒，能量达到126焦耳，聚焦后斜入射 到金靶上。产生的脉冲正电子束可达到10¹⁰～10¹²，能量可达到20MeV，发射度可以和加速器正电子源相比。利用这种方式产生正电子束结构简单、排布紧凑、稳定性好，可以达到较高的亮度。但是这类装置造价较高，而且重复工作频率很低，通常在数个小时，不能满足高频率工作地需要。另外一个重要的不足是目前都是采用小的金属块靶，每次工作都会产生消耗，必须更换。在这种情况下，更换靶材会使工作过程很繁琐，尤其是相互作用过程需要在真空靶室中进行，每次跟换靶材都要伴随放气和抽气过程。因此，这种正电子源要应用高频率工作场合还有距离。 

综上所述，获得短脉冲、高产额、重复频率工作的脉冲正电子源是目前的正电子源装置所不能达到的。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述先进技术的缺陷，提供一种短脉冲、高产额、可重复频率工作地脉冲正点资源，它应具有普遍适用性、短脉冲、高产额、重复频率高、成本低、体较小的特点。 

本发明的激光等离子体脉冲正电子源，包括：激光光源1和真空靶室2.在真空靶室2内置有平面发射镜3、离轴抛物面聚焦镜4、固体靶组件5、分离组件7、聚焦组件8和残余电子吸收组件9。如图1所示。所述的固体靶组件5含有盘状靶材501，盘状靶材501固定在转动轴502的一端，转动轴的另一端安装从动轮齿503，从动轮齿503和主动齿轮504相接，主动齿轮504安装在步进电机505上。上述固体靶组件5中的各个组件至于电动升降台506上，固定在真空靶室2的内部支架507上。如图2所示。由激光光源1发射的激光束Gr穿过 真空靶室2的窗口201射在置于真空靶室2内的平面反射镜3上。平向反射镜3反射的激光束Gr经过离轴抛物面反射聚焦镜4聚焦在盘状靶材501上。所述的分离组件7和经由离轴抛物面反射聚焦镜反射的激光束Gr共轴，采用磁场分离或电场分离的形式，磁场强度或电场强度根据产生的正电子束能量确定，保证出射的正电子束沿聚焦组件8的轴线出射。残余电子吸收组件9的位置根据分离组件的出射参数确定，保证出射的残余电子尽可能多的被吸收。所述的固体靶组件5中的步进电机505、电动升降台506与置于真空靶室2外的同步信号发生器6相连，同步信号发生器6同时与激光光源1相连。如图1所示。 

本发明的脉冲正电子源如上所述的结构，如图1所示，从功能上可以划分为两大部分。第一部分包括激光光源1、真空靶室2，以及位于真空靶室2内的平面反射镜3和离轴抛物面反射聚焦镜4，这一部分用于提供聚焦打靶光源。第二部分包括固定于真空靶室2中心的固体靶组件5、分离组件7、聚焦组件8和残余电子收集组件9。，以及位于真空靶室2外的同时与激光光源1和固体靶组件5中的步进电机505、电动升降台相连接的同步信号发生器7，这部分是实现与脉冲激光同步地连续更新靶材以及对激光与靶材作用后产生的正电子脉冲进行分离和输出。其中固体靶组件5包括盘状靶材501，转动轴502，从动轮齿503，主动齿轮504，步进电机505，电动升降台506上，支架507。 

在第一部分中，激光光源1用于提供泵浦光源，即可以是短脉冲皮秒激光器，也可以采用飞秒超短脉冲激光器。 

上述脉冲正电子源的具体工作过程是： 

从激光光源1输出的激光脉冲进入真空靶室2后，经过聚焦***聚焦后与靶材相互作用。为了实现脉冲正电子源具有普遍适用性，即适用于不同脉宽和波长的激光束，采用了反射式聚焦***。在真空靶室2内，平面反射镜3将进 入到真空靶室2内的激光束反射到离轴抛物面反射聚焦镜4上，离轴抛物面反射聚焦镜4再把激光束聚焦在盘状靶材501上。离轴抛物面反射聚焦镜4的光轴与从平面反射镜3反射来的激光束光轴平行，根据抛物面的性质，平行于光轴入射的激光束将汇聚在抛物面的焦点上。 

第二部分中，聚焦后的激光束与在焦点处的盘状靶材501发生相互作用，产生高温高密度等离子体状态，进一步产生超热电子。超热电子在盘状靶材502中传输时与靶物质发生相互作用进而发射正电子束。本发明采用固体靶，并将其加工为盘状，即盘状靶材502。激光与盘状靶材501相互作用产生的正电子束伴随着部分残余电子，为了获得纯净的正电子束，在盘状靶材后放置一个分离组件7。分离组件提供一个分离磁场或分离电场，由于电子和正电子电荷极性相反，因此在分离磁场或分离电场的作用下向不同的方向运动，分离磁场或分离电场的强度根据产生的正电子能量通过计算确定。在电子出射方向，放置残余电子收集组件9；在正电子出射方向放置聚焦组件8，进一步减小正电子束的发散角。盘状靶材501的一端固定在转动轴502上，转动轴502的另一端安装从动齿轮503，从动齿轮503和主动齿轮504相接，主动齿轮504和步进电机505同轴连接。上述固体靶组件5中的各个组件至于电动升降台506上，通过支架507固定在真空靶室2内。步进电机506和电动升降台506的驱动由位于真空靶室2外的同步信号发生器7控制。对于高功率的激光光源1输出的重复频率脉冲激光，同步信号发生器7接收激光光源1的时钟信号，在每两个脉冲光的间隙，输出触发信号到步进电机505和电动升降台506。步进电机6接到触发后转动，通过上述的传动部分带动盘状靶材501移动一段距离；同时，电动升降台506也在升降方向移动一段距离，使得打靶点在盘状靶材501上呈螺旋线分布，这样可以保证每个激光脉冲到来时始终与盘状靶材501的不同部分发生作用，从而解决了真空中靶消耗的问题。 

本发明与在先技术正电子源相比，主要有以下几方面的有点： 

1.由普遍适用性即普适性。本发明的聚焦***中 

2.短脉冲。在先技术中的正电子源，基于放射源的正电子源是一种连续源，而基于加速器的正电子源每个脉冲的宽度在百皮秒量级。本发明中的激光等离子体脉冲正电子源其脉冲宽度为1～2个皮秒，远远好于先在技术。 

3.高亮度。在先技术中，基于放射源的正电子源亮度约为10⁵～10⁶/s；基于加速器的正电子源每个脉冲内的正电子数量约数百个，由于加速器可以以高重复频率(MHz)工作，亮度可达到10¹⁰/s。本发明中的激光离子体脉冲正电子源，每个脉冲内的正电子数量可达到10¹⁰～10¹²，远高于在先技术。 

4.低成本和小体积。在先技术中，基于放射源的正电子源中，放射源是一种消耗性源，放射源的再制备比较昂贵；而利用加速器产生正电子源更是价格昂贵、体积庞大。本发明中，激光光源可采用成熟的商业化超短脉冲激光器，其余的部件也都很容易加工和采购，体积较小。靶材料使用常规的高原子序数金属材料，易采购易加工。 

5.稳定性好。本发明的主要部件都可以实现在一块底板上集成，除移动靶***外各元件间不会产生相对位移，而盘状靶材上个点的厚度和成分都能保持均匀，可以保证正电子源的稳定输出和低故障率。 

附图说明

图1是本发明激光等离子体脉冲正电子源的示意图； 

图2为图1中固体靶组件5的结构示意图 

具体实施方式：

如图1所示，采用飞秒激光器作为激光光源1，其光束参数是：中心波长800nm，脉冲宽度30fs，工作频率10Hz，单脉冲能量10J，光束口径150mm。其输出的激光脉冲进入真空靶室2后被平面反射镜3反射到离轴抛物面反射聚焦镜4上聚焦到盘状靶材501上。其中平面反射镜3的直径为180mm，离轴抛物面反射镜4的口径为180mm，焦距为420mm。本例中，被聚焦的激光束在真空中的聚焦焦斑直径小于10微米。经过聚焦的激光束与盘状靶材501相互作用。 

盘状靶材501、转动轴502，从动轮齿503，主动齿轮504，步进电机505集成在面积为150mm×300mm的电动升降台506上，通过支架507固定在真空靶室内。同步信号发生器7接收激光光源1的10赫兹同步脉冲信号，同时触发步进电机505和电动升降台506。步进电机6每走一部驱动靶在角向移动约200微米，每当盘状靶转动一周时步进电机506驱动靶在径向上移动约200微米。激光焦斑直接为小于10微米，考虑到激光打靶时的热效应等因素，这样的步长可以保证靶盘上相邻两个靶点距离足够远，相互之间不发生干扰。 

每个盘状靶材501的持续时间随靶盘半径的长度而改变。盘状靶材501的材质和长度有多种可能性。可以选择常见的高原子序数金属材料，如铅或钽。半径50mm的靶盘可以提供的打靶线长度约为3.3×10⁵mm，可以支持的打靶时间可达到这么长的工作时间可以满足一般情况的正电子束使用需求。 

分离组件7采用二极磁铁，由于电子和正电子电荷极性相反、质量相同，在磁场作用下电子束和正电子束分别向两边偏转，从而将残余电子束和正电子束分离。聚焦组件8采用磁透镜，放置在正电子束出射方向，可以进一步优化正电子束的发散角。残余电子收集组件9采用块状的聚四氟乙烯制成，放置在残余电子束出射方向，吸收残余电子，由于聚四氟乙烯是由低原子序数材料构 成，吸收残余电子时引起的辐射比较小，有利于本底辐射的控制。 

Claims (6)

1.一种激光等离子体脉冲正电子源，包含

<1>激光光源(1)和真空靶室(2)，由激光光源(1)发射的激光束穿过真空靶室(2)的窗***在至于真空靶室(2)内的平面反射镜(3)上；

其特征在于：

<2>真空靶室(2)内置平面反射镜(3)、离轴抛物面反射聚焦镜(4)、固体靶组件(5)、分离组件(7)、聚焦组件(8)、残余电子吸收组件(9)。由平面反射镜(3)反射的激光束射(Gr)在离轴抛物面反射聚焦镜(4)上；

<3>所述的固体靶装置含有盘状靶材(501)，盘状靶材(501)固定在一个转动轴(502)的一端，转动轴(502)的另一端安装从动齿轮(503)。从动齿轮(503)和主动齿轮(504)配合，主动齿轮(504)由步进电机(505)驱动。上述元件至于电动升降台(506)上，固定在真空靶室内的支架(507)上。

<4>所述的分离组件(7)和激光光束共轴。

<5>激光光源(1)、固体靶组件中的步进电机(505)、电动升降台(506)同时与同步信号发生器(7)相连。

2.根据权利要求1所述的激光等离子体脉冲正电子源，其特征在于所述的盘状靶材(501)前表面置于激光焦点处。

3.根据权利要求2所述的盘状靶材(501)，其特征在于采用高原子序数金属材料制成，厚度根据计算进行调节。

4.根据权利要求1所述的分离组件(7)，其特征在于所述的分离组件采用磁场分离或电场分离的形式，磁场强度或电场强度根据产生的正电子束能量确定。

5.根据权利要求1所述的聚焦组件(8)至于正电子束出射方向轴线上。

6.根据权利要求1所述的残余电子吸收组件(9)的位置根据分离组件(7)的出射参数确定，保证出射的残余电子尽可能多的被吸收。