一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管发生装置的制作方法

本实用新型涉及等离子体物理和加速器领域，具体涉及一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管发生装置。

背景技术：

激光驱动离子加速技术是最近二十年发展起来的一种新型离子加速技术，具有小型化、紧凑性、低成本等诸多优点，是未来加速器发展的新方向。激光驱动离子加速技术有很多加速机制，对激光器及靶参数要求也都不尽相同。目前技术上较为成熟的是靶背鞘场加速机制，其原理是利用超强激光和固体薄膜靶相互作用，在薄膜靶背产生一个电荷分离场，该电场会将靶背粘污层(一般是几个nm厚度的油污或者水汽等含C、H的物质，在实验室的真空条件下，粘污层是天然存在的)里面的C、H等电离并加速。然而，由于H离子的荷质比在所有离子中最高，也最容易被加速，所以靶背鞘场主要用来加速质子，而构成靶体主要物质的原子由于受到靶背粘污层的屏蔽效应，则很难被离化并加速出来。因此，想要采用激光加速这种新技术加速氘离子或者氦离子等离子就需要新的加速机制。

鉴于此，国外科技工作者选用激光驱动无碰撞静电激波加速这种加速机制，利用CO2激光器和氢气作用获得了3MeV的准能质子束，但是受限于该激光总能量太小，获得质子能量及数量都太小，并且，由于现在的钕玻璃激光器功率密度和能量都很高，因此需要和近临界密度的等离子体相互作用才可以产生明显的无碰撞静电激波加速，实验上也不好实现。因此，研究一种可以实现激光驱动的无碰撞冲击波离子加速机制十分必要。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种激光离子管发生装置，通过该装置可以获得两团有着温度、密度差的等离子体，使得高温、高密度的等离子向低温低密度的等离子体运动、膨胀的时候，驱动产生无碰撞冲静电激波并成功将激波上游的离子进行加速，形成激光离子管。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管发生装置，包括：

真空靶室，所述真空靶室用于提供真空作业环境；

充气室，所述充气室置于真空靶室内，其内设有贯通充气腔，且充气腔两端分别设有进封口膜和出封口膜、以封闭充气腔；

充气机，所述充气机置于真空靶室外，并通过充气管道与充气腔连通、以为充气腔供气；

超强超短激光装置，所述超强超短激光装置置于真空靶室外，超强超短激光装置朝向进封口膜发出超强超短激光、以在进封口膜处作用产生高温高密度等离子体并在充气腔内作用产生低温低密度等离子体，进而使高温高密度等离子体与低温低密度等离子体之间产生无碰撞静电激波来对低温低密度等离子体进行加速。

其中，所述充气管道上设有用于稳定充气腔内气体压强的电磁阀。

具体的说，所述进封口膜为微米级厚度的金属膜或塑料膜，以在激光驱动产生的分离电场作用下产生高温、高密度的等离子体。

具体的说，所述出封口膜厚度为100nm-10μm，以使加速后的等离子体可穿过该出封口膜发射出来。

优选的，所述充气腔内充入的气体为氢气、氘气、氦气中的任意一种，且其分别对应的加速离子为H、D、He。

优选的，所述充气腔的气压为0.1-10大气压。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型利用充气机向两端封口的气密充气腔内充入1个大气压左右的气体，再利用电磁阀稳定充气腔内的气体压强。然后通过超强超短激光装置朝进封口膜的方向发出超强超短激光并传播到真空靶室，聚焦后轰击充气腔端面的进封口膜产生超热电子，超热电子输运到进封口膜背面(朝向充气腔的一面)，在进封口膜背面产生一个分离电场，该分离电场进一步将进封口膜背面的物质电离并加速出来形成一个高温、高密度的等离子体；超热电子在充气腔的气体里传播时则会将气体电离成低温、低密度的等离子体。进封口膜背面电离加速出来的高温、高密度等离子体向低温、低密度的等离子传播时，在两团等离子体交界的地方驱动产生无碰撞静电激波，膨胀的高温高密度等离子体会像“活塞”一样推动冲击波波前的分离电场向前传播，从而将冲击波上游的离子加速到很高的能量，即无碰撞静电激波会将气体离子加速，而加速离子可以穿过另一端的出封口膜发射出来，即可形成一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管，进而使本实用新型装置能够适用于氘离子、质子、氦离子等气体离子的加速。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

其中，附图标记对应的名称为：

1-超强超短激光，2-充气腔，3-进封口膜，4-出封口膜，5-充气管道，6-电磁阀，7-充气机，8-真空靶室。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例的目的是为了提供一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管发生装置，基于本装置以获得两团有着温度、密度差的两团等离子体，使得高温、高密度的等离子向低温低密度的等离子体运动、膨胀的时候，驱动产生无碰撞冲静电激波并成功将激波上游的离子进行加速，形成一个激光离子管，可适用于氘离子、质子、氦离子等气体离子的加速。具体来说，如图1所示，该装置包括：

真空靶室8，所述真空靶室用于提供真空作业环境；

充气室，所述充气室置于真空靶室内，其内设有贯通充气腔2，且充气腔两端分别设有进封口膜3和出封口膜4，所述进封口膜有两个作用，一是对充气腔进行密封、另一个是提供方案中所需要的高温、高密度等离子体，厚度可根据激光器的状态进行优化选择，一般在数微米左右，进封口膜材质可以选择金属或者塑料，和超强超短激光作用后会在其面向充气腔的一侧产生高温、高密度的等离子体。所述出封口膜主要作用是为了对充气腔产生密封作用，一般厚度在为100nm-10μm之间，也可以根据选择的出射离子能量以及充气压强而改变，以使加速后的等离子体可穿过该出封口膜发射出来。

超强超短激光装置，所述超强超短激光装置置于真空靶室外，可直接选用功率密度达到10¹⁸W/cm²及以上的短脉冲激光装置，并且以能够发出波长800nm或者1053nm、强度大于10¹⁸W/cm²的超强超短激光为准，超强超短激光装置朝向进封口膜发出超强超短激光1，超强超短激光聚焦后和进封口膜3相互作用，在进封口膜3面向充气腔的一侧驱动产生高温、高密度的等离子体(即等离子体密度为固体密度)，同时超强超短激光和进封口膜3作用产生的超热电子会将充气腔内的气体预先电离，形成低温、低密度的等离子体(即等离子体密度为气体密度)；

充气机7，所述充气机置于真空靶室外，并通过充气管道5与充气腔连通、以为充气腔供气；所述充气管道5上设有用于稳定充气腔2内气体压强的电磁阀6。利用充气机7向充气腔内充入1个大气压左右的气体(在此，其充气压强也是可以根据超短超强激光器的条件做调整的，一般是控制在0.1-10个大气压之间调节的)，被超热电子电离后形成低温、低密度的等离子体，同时也是加速离子的离子源，充气的种类根据要加速的离子进行选择，可以充H2、D2、He等气体，相应的加速离子为H、D、He。

在本实施例中，超强超短激光传播到真空靶室，聚焦后轰击充气腔一端的进封口膜产生超热电子，超热电子输运到进封口膜背面(朝向充气腔的一面)，在进封口膜背面产生一个分离电场，该分离电场进一步将进封口膜背面的物质电离并加速出来形成一个高温、高密度的等离子体；超热电子在充气腔的气体里传播时则会将气体电离成低温、低密度的等离子体。进封口膜背面电离加速出来的高温、高密度等离子体向低温、低密度的等离子传播时，在两团等离子体交界的地方驱动产生无碰撞静电激波，该无碰撞静电激波会将气体离子加速。加速离子可以穿过另一端的出封口膜发射出来，形成一种基于激光驱动无碰撞静电激波加速的激光离子管该装置适用于氘离子、质子、氦离子等气体离子的加速。

应当注意的是，本实施例中选用的各零部件中，未做特别说明的部分可直接选用本领域现有技术中的常规部件。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施方式之一，不应当用于限制本实用新型的保护范围，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内。