激光等離子體脈沖正電子源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明是關(guān)于一種激光等離子體脈沖正點(diǎn)資源，它可作為小型脈沖正電子源應(yīng)用 在對(duì)能量、發(fā)射度有一定要求的正電子探測(cè)和診斷中，也可以應(yīng)用于加速器作為注入源。
【背景技術(shù)】：
[0002] 先進(jìn)技術(shù)[1]:利用放射源產(chǎn)生正電子束。放射源是具有反射性的材料，有部分放 射源具有3 +衰變過程，通過這種衰變會(huì)放出正電子。這種正電子束產(chǎn)生技術(shù)是一種傳統(tǒng) 的正電子源產(chǎn)生技術(shù)。
[0003] 通常，這種正電子源產(chǎn)生的正電子束流是直流的，其束流強(qiáng)度主要由放射源的活 度決定。常用的正電子放射源有 22Na、58C〇、64Cu等，這些放射源的半衰期不長，因此正電子源 在使用一段時(shí)間后會(huì)有比較明顯的下降；其次，放射源的制備也比較繁瑣。目前， 22Na由于 其半衰期最長，是最為常用的正電子源。2005年，武漢大學(xué)設(shè)計(jì)了一個(gè)正電子束裝置（發(fā) 表文章見AppliedSurfaceScience252(2006)3121-3125)，采用 50mCi的22Na作為正電子 源，流強(qiáng)達(dá)到5X106。
[0004] 目前，基于放射源的正電子束可以說是最為常用和簡(jiǎn)便的一種放射源，但應(yīng)當(dāng)指 出，放射源輸出的正電子束為直流，而且會(huì)隨著時(shí)間衰減，因此在需要高亮度、短脈沖的測(cè) 量應(yīng)用中是不適用的。
[0005] 先進(jìn)技術(shù)[2]:利用加速器來產(chǎn)生脈沖正電子束束流已經(jīng)經(jīng)歷了比較長的過程。 通常，在加速器上利用加速器產(chǎn)生高能電子束轟擊固體靶產(chǎn)生低能正電子束，然后在通過 加速器優(yōu)化能量后輸出。
[0006] 加速器上，通常電子束的輸出頻率可以達(dá)到數(shù)十兆赫茲，能量達(dá)到數(shù)十兆電子伏 甚至吉電子伏，利用這樣的電子束和鎢靶或鉭靶相互作用產(chǎn)生正電子束。正電子束通過慢 化材料后，進(jìn)入加速器，將能量優(yōu)化后輸出。正電子束的輸出頻率也可以達(dá)到兆赫茲，但是 每個(gè)脈沖的正電子數(shù)量較少，通常為數(shù)百個(gè)。美國LLNL實(shí)驗(yàn)室在2000年就建立了正電子束 裝置，利用電子直線加速器產(chǎn)生150MeV的電子束，轟擊鎢靶產(chǎn)生正電子。正電子束的輸出 頻率為20MHz，每個(gè)脈沖內(nèi)包含300個(gè)正電子，流強(qiáng)達(dá)到101Qe+/s。德國Hemlmohtz-Zetrum Dresden-Rossendorf實(shí)驗(yàn)室2010年也建立了基于電子直線加速器的正電子束線，利用 13MHz的電子束轟擊鎢靶產(chǎn)生正電子束，輸出的正電子束脈沖寬度約5ps，單脈沖包含的正 電子數(shù)約200,流強(qiáng)達(dá)到101(le7S。
[0007] 目前，利用加速器產(chǎn)生脈沖正電子束流是一種常用的正電子源，但應(yīng)當(dāng)指出，這種 正電子源是一種準(zhǔn)連續(xù)的方式，單脈沖包含的正電子數(shù)量不多，而且大型加速器裝置的建 造和運(yùn)行費(fèi)用都很昂貴，作為廣泛使用的正電子源是不現(xiàn)實(shí)的。
[0008] 先進(jìn)技術(shù)[3]:利用激光產(chǎn)生高產(chǎn)額脈沖正電子束是一種新型的正電子產(chǎn)生途 徑。
[0009] 2〇00 年，Germany，Max-Planck-Institutfu??rQuantenoptik的C.Gahn等人 (發(fā)表文章見ApplPhysLett，77(2000)2662-2664，PhysPlasmas，9 (2002) 987-999.)利 用ATLAS裝置和氣體靶相互作，通過尾場(chǎng)加速機(jī)制產(chǎn)生平均能量在2MeV左右的高能電子， 這些高能電子再和2mm的Pb作用產(chǎn)生正電子，達(dá)到的正電子產(chǎn)額約106/激光脈沖。這種 方式產(chǎn)生的正電子產(chǎn)額較低，此后就沒有相關(guān)的研究。
[0010] 美國LLNL的研究人員，在Titan激光裝置及OMEGAEP激光裝置上，利用就剛和固 體靶作用產(chǎn)生了高產(chǎn)額脈沖正電子束（文章發(fā)表見，PhysRevLett，102(2009)PhysRev Lett，105 (2010)，PhysPlasmas，20 (2013) 013111)。在他們的實(shí)驗(yàn)中，激光波長為 1. 054 微 米，脈寬為2皮秒，能量達(dá)到126焦耳，聚焦后斜入射到金靶上。產(chǎn)生的脈沖正電子束可達(dá) 到101(1~1012,能量可達(dá)到20MeV，發(fā)射度可以和加速器正電子源相比。利用這種方式產(chǎn)生 正電子束結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、排布緊湊、穩(wěn)定性好，可以達(dá)到較高的亮度。但是這類裝置造價(jià)較高，而 且重復(fù)工作頻率很低，通常在數(shù)個(gè)小時(shí)，不能滿足高頻率工作地需要。另外一個(gè)重要的不足 是目前都是采用小的金屬塊靶，每次工作都會(huì)產(chǎn)生消耗，必須更換。在這種情況下，更換靶 材會(huì)使工作過程很繁瑣，尤其是相互作用過程需要在真空靶室中進(jìn)行，每次跟換靶材都要 伴隨放氣和抽氣過程。因此，這種正電子源要應(yīng)用高頻率工作場(chǎng)合還有距離。
[0011] 綜上所述，獲得短脈沖、高產(chǎn)額、重復(fù)頻率工作的脈沖正電子源是目前的正電子源 裝置所不能達(dá)到的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述先進(jìn)技術(shù)的缺陷，提供一種短脈沖、高產(chǎn) 額、可重復(fù)頻率工作地脈沖正點(diǎn)資源，它應(yīng)具有普遍適用性、短脈沖、高產(chǎn)額、重復(fù)頻率高、 成本低、體較小的特點(diǎn)。
[0013] 本發(fā)明的激光等離子體脈沖正電子源，包括：激光光源1和真空靶室2.在真空靶 室2內(nèi)置有平面發(fā)射鏡3、離軸拋物面聚焦鏡4、固體靶組件5、分離組件7、聚焦組件8和殘 余電子吸收組件9。如圖1所示。所述的固體靶組件5含有盤狀靶材501，盤狀靶材501固 定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸502的一端，轉(zhuǎn)動(dòng)軸的另一端安裝從動(dòng)輪齒503,從動(dòng)輪齒503和主動(dòng)齒輪504 相接，主動(dòng)齒輪504安裝在步進(jìn)電機(jī)505上。上述固體靶組件5中的各個(gè)組件至于電動(dòng)升 降臺(tái)506上，固定在真空靶室2的內(nèi)部支架507上。如圖2所示。由激光光源1發(fā)射的激 光束Gr穿過真空靶室2的窗口 201射在置于真空靶室2內(nèi)的平面反射鏡3上。平向反射 鏡3反射的激光束Gr經(jīng)過離軸拋物面反射聚焦鏡4聚焦在盤狀靶材501上。所述的分離 組件7和經(jīng)由離軸拋物面反射聚焦鏡反射的激光束Gr共軸，采用磁場(chǎng)分離或電場(chǎng)分離的形 式，磁場(chǎng)強(qiáng)度或電場(chǎng)強(qiáng)度根據(jù)產(chǎn)生的正電子束能量確定，保證出射的正電子束沿聚焦組件8 的軸線出射。殘余電子吸收組件9的位置根據(jù)分離組件的出射參數(shù)確定，保證出射的殘余 電子盡可能多的被吸收。所述的固體靶組件5中的步進(jìn)電機(jī)505、電動(dòng)升降臺(tái)506與置于 真空靶室2外的同步信號(hào)發(fā)生器6相連，同步信號(hào)發(fā)生器6同時(shí)與激光光源1相連。如圖 1所示。
[0014] 本發(fā)明的脈沖正電子源如上所述的結(jié)構(gòu)，如圖1所示，從功能上可以劃分為兩大 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內(nèi)的平面反射鏡3和離 軸拋物面反射聚焦鏡4,這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 中心的固體靶組件5、分離組件7、聚焦組件8和殘余電子收集組件9。，以及位于真空靶室2 外的同時(shí)與激光光源1和固體靶組件5中的步進(jìn)電機(jī)505、電動(dòng)升降臺(tái)相連接的同步信號(hào) 發(fā)生器7,這部分是實(shí)現(xiàn)與脈沖激光同步地連續(xù)更新靶材以及對(duì)激光與靶材作用后產(chǎn)生的 正電子脈沖進(jìn)行分離和輸出。其中固體靶組件5包括盤狀靶材501，轉(zhuǎn)動(dòng)軸502,從動(dòng)輪齒 503,主動(dòng)齒輪504,步進(jìn)電機(jī)505,電動(dòng)升降臺(tái)506上，支架507。
[0015] 在第一部分中，激光光源1用于提供泵浦光源，即可以是短脈沖皮秒激光器，也可 以采用飛秒超短脈沖激光器。
[0016] 上述脈沖正電子源的具體工作過程是：
[0017] 從激光光源1輸出的激光脈沖進(jìn)入真空靶室2后，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)聚焦后與靶材相 互作用。為了實(shí)現(xiàn)脈沖正電子源具有普遍適用性，即適用于不同脈寬和波長的激光束，采用 了反射式聚焦系統(tǒng)。在真空靶室2內(nèi)，平面反射鏡3將進(jìn)入到真空靶室2內(nèi)的激光束反射 到離軸拋物面反射聚焦鏡4上，離軸拋物面反射聚焦鏡4再把激光束聚焦在盤狀靶材501 上。離軸拋物面反射聚焦鏡4的光軸與從平面反射鏡3反射來的激光束光軸平行，根據(jù)拋 物面的性質(zhì)，平行于光軸入射的激光束將匯聚在拋物面的焦點(diǎn)上。
[0018] 第二部分中，聚焦后的激光束與在焦點(diǎn)處的盤狀靶材501發(fā)生相互作用，產(chǎn)生高 溫高密度等離子體狀態(tài)，進(jìn)一步產(chǎn)生超熱電子。超熱電子在盤狀靶材502中傳輸時(shí)與靶物 質(zhì)發(fā)生相互作用進(jìn)