用于产生喷射流体的方法和装置、将喷射流体转换为等离子体的方法和系统以及该系统 ...的制作方法
【专利摘要】本发明涉及用于产生喷射流体的方法和装置、将喷射流体转换为等离子体的方法和系统，以及该系统的应用。根据本发明，该方法的特征在于包括借助高压快速电磁阀（5）和跟随其后并安装在电磁阀出口的喷嘴（7）产生脉冲喷射流体（F），喷射流体的尺寸为亚毫米级，并且原子密度大于1020cm-3。本发明在等离子发生器领域得到应用。
【专利说明】用于产生喷射流体的方法和装置、将喷射流体转换为等离子体的方法和系统以及该系统的应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及用于产生高原子密度的喷射流体的方法和装置，借助激光束将该喷射流体转换为等离子体的方法和系统，以及该转换系统的应用方法。
【背景技术】
[0002]此类方法和系统是已知的，但是不能得到为保证有效利用这些射流(尤其是从这些喷射流体与激光束的相互作用中得到的射流)的潜在技术可能所需的具有足够速度和原子密度的喷射流体。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是克服该缺点。为了达到此目的，用于产生高密度喷射流体的方法的特征在于，该方法包括借助快速高压电磁阀以及跟随其后的安装在出口的喷嘴产生尺寸为亚毫米并且原子密度大于102°cm_3的脉冲流体喷射。
[0004]根据本发明的一个特征，该方法的特征在于，喷射流体的原子密度值为IO21cnT3或更大。
[0005]根据本发明另一特征，该方法的特征在于，流体为气体，如氦。
[0006]根据本发明另一特征，该方法的特征在于，流体为双相里流体，如聚合射流。
[0007]根据本发明另一特征，该方法的特征在于，流体为液体，如水。
[0008]根据本发明另一特征，为了实施上述方法，产生高原子密度流体喷射的装置的特征在于包括带压流体源、迅速打开和关闭穿过电磁阀的流体通道的高压电磁阀，和用于使电磁阀产生的脉冲喷射流体加速和调整构成的喷嘴。
[0009]根据本发明另一特征，装置的特征在于，电磁阀包括螺线管和迅速打开和关闭穿过电磁阀的流体通道的活动件，该零件在螺线管产生的磁场作用下相对该通道横向移动至打开通道的位置，并在带压流体作用下返回它的关闭位置。
[0010]根据本发明另一特征，该装置的特征在于，通道周围的间隙在活动件处具有不对称性，因此产生与通道垂直的磁场分量，该分量用于使活动件向其打开通道的位置移动。
[0011]本发明还涉及产生等离子的方法，其特征在于使用喷射流体，并且使与喷射流体垂直的激光束在真空密封室内作用在从喷嘴出来的喷射流体上。
[0012]根据本发明一特征，产生等离子方法的特征在于产生高原子密度的脉冲喷射流体，但喷射流体的宽度足够小，以便能够使用在密封室内产生真空的非常高速的泵，如涡轮分子泵。
[0013]根据本发明另一特征，产生等离子方法的特征在于在密封室内产生大约10_7bar
的真空。
[0014]本发明还涉及用于实施等离子产生方法的等离子发生系统，其特征在于，该系统包括带压流体源、喷射流体产生装置、在管子出口作用在喷射流体上的激光束、喷射流体产生装置位于其中并且在其中激光与喷射流体发生碰撞的真空密封室，并且该系统还包括在密封室内产生真空的非常高速的泵，如涡轮-分子泵。
[0015]本发明还涉及应用等离子发生系统的方法，其特征在于，该系统用于向激光方向产生窄谱高频的离子束，并向与激光垂直的方向发射宽谱高频离子。
[0016]根据本发明一特征，该系统应用方法的特征在于，使用由一个或几个大约几个皮秒的短脉冲组成的强激光束，并且脉冲之间的间距为几皮秒，将该激光束在高频和具有对该激光的超临界密度的喷射流体上聚焦。
[0017]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，在激光轴线中过滤从等离子体出来的高频离子束，最好使用活动过滤器，如几十到几百微米的铝箔，以便可以翻新激光束每次碰撞时损坏的表面。
[0018]本发明还涉及系统的应用方法，其特征在于使用系统产生高频束。
[0019]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，将强激光脉冲在高频和高密度喷射流体中聚焦，如密度约为IO19原子/cm3，以便产生弱发散并且持续时间短的电子束，使该电子束重新空间聚焦，并使重新聚焦的电子束穿过波动器。
[0020]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，使已经穿过波动器的电子束从使电子偏移的装置通过，并可只得到X射线束。
[0021]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，使用一系列交替极性的磁铁构成的波动器，使电子在经过波动器时波动，并在电子束方向向前发射X射线。
[0022]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，通过改变交替磁铁的周期和它们的功率改变X射线的谱范围。
[0023]本发明还涉及系统应用方法，其特征在于使用该系统产生高频伽玛射线束。
[0024]根据本发明另一特征，该系统应用方法的特征在于，通过从强激光脉冲与高频高密度如密度约为IO19原子/cm3的气体射流的互相作用产生的等离子体得到的高频电子束的转换产生高频伽玛射线束。
[0025]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，使强激光脉冲在气体射流中聚焦，并使用焦距适于喷射流体长度的光学聚焦，使激光在其中没有光丝地均匀传播。
[0026]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，使电子束撞击活动转换器，以发射由于电子与转换器的原子碰撞而减速所产生的伽玛射线。
[0027]根据本发明另一特征，系统应用方法的特征在于，使用双极磁铁装置使电子偏移，因此得到高频伽玛射线束。
[0028]本发明还涉及系统应用方法，其特征在于，系统用于借助喷射流体实现强激光脉冲的时间清洗。
[0029]根据本发明一特征，该方法的特征在于，要清洗的激光脉冲入射到对激光波长的超临界密度的喷射流体上，使脉冲的干扰光不产生等离子击穿，因此对该光是半透明的，并且只有被喷射流体反射的激光脉冲的有效部分产生击穿，因此该部分被喷射流体反射。
[0030]本发明还涉及系统应用方法，其特征在于，使用该系统实现激光脉冲的时间和空间压缩。
[0031]根据本发明一特征，该方法的特征在于，待压缩的强激光脉冲在高频和高密度气体射流中聚焦，如密度约为IO19原子/cm3，使脉冲谱的短波长在长波长前到达等离子体，使得短波长在等离子体中的传播较慢，导致脉冲随时间重新压缩。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]参照下面表示本发明实施例的附图进行的描述，将更好地了解本发明和它的其它目的、细节和优点，附图如下:
[0033]图1是本发明的装置的示意图；
[0034]图2A和2B分别是图1的装置的电磁阀和喷嘴的整体透视图和轴向剖面图；
[0035]图3A和3B是可以用在图1设备中的另一版本的电磁阀的两个示意性轴向剖面图，用于解释该电磁阀的运行原理；
[0036]图4A、4B、4C是根据本发明的喷嘴的三个视图，图4A是俯视图，图4B是沿图4A中线IV-1V截取的轴向剖面图，图4C是图4B圆圈处的放大细节图；
[0037]图5以曲线形式表示流体喷射密度D随加压器产生的压力变化；
[0038]图6以曲线形式表示流体密度D随半径R的变化；
[0039]图7是表示本发明第一应用的示意图，其用于在激光方向产生窄谱高频离子束，并在与激光垂直的方向发射宽谱高频离子；
[0040]图8是表示本发明第二应用的示意图，其可以产生高频X射线束；
[0041]图9是表示本发明第三应用的示意图，其可以用于产生高频伽玛射线束；
[0042]图10是表示本发明另一应用的示意图，可以空间清洗强激光脉冲。
【具体实施方式】
[0043]图1作为例子表示通过毫米或亚毫米的高频(high rate)、高密度(可以大于IO19并高达IO21原子/Cm3甚至更高)喷射流体的相互作用产生等离子的装置。该系统主要包括流体源1，该流体例如为气体(如，氦)或液体(如，水)，该流体被传送给加压器2，加压器2继而将高度压缩的流体传送给装置4，用于产生由箭头F表示的脉冲式喷射流体，该喷射流体由一系列持续几微秒并且具有上述大于IO19原子/cm3的密度的脉冲形成。
[0044]发生装置4包括电磁阀5，它的活动件的惯性非常小，因此反应时间非常短。例如，电磁阀的打开和关闭可以在3微秒内完成，即频率约为300Hz。电磁阀由电动控制装置6控制，下面将更详细地描述。喷嘴7通过适配器8安装在电磁阀的出口，适配器8例如旋拧在电磁阀的出口上。发生装置4封闭在密封室9中，在密封室9中借助非常高速的泵10产生例如10_7bar的真空，泵10例如为涡轮-分子型泵。为了避免激光与密封室中存在的空气分子的相互作用，该量级或更小的高真空即使不是必需的，也是希望的。
[0045]当电磁阀启动时，发生装置4能够通过喷嘴7使流体流加速并调整流体流的构成，以便使该流体流在喷嘴出口具有操作者希望的性质。
[0046]如果从喷嘴7出来的喷射流体需要转换为等离子，使箭头L表示的激光束作用在箭头F表示的从喷嘴喷出的喷射流体上。
[0047]图2A和2B作为例子表示如图1中用4表示的高频、高密度喷射流体的发生装置。图2A和2B用5表示电磁阀，8表示适配器，7表示喷嘴。12表示与电磁阀控制装置连接的连接器。
[0048]电磁阀5包括柱形主体，通道16从柱形主体的中心轴向穿过，并且该主体装有围绕通道同轴布置的螺线管18，通道与螺线管之间存在由可磁化材料构成的壁20，因此螺线管通电(即有电流经过)时产生的磁场线穿过壁20。连接器12的形式为从该圆柱主体沿径向延伸出的末端件。
[0049]如图2B所示，壁20在主体14中形成阀室22，在所示的例子中，阀室22装有由热磁性材料构成的球24，该球24构成打开和关闭阀的轴向通道的活动件。阀室足够宽，使活动件24能够垂直于通道轴线横向运动。
[0050]因此，阀室的横向被壁20限定，并且在图中，阀室的上部被与壁20垂直并基本呈平面的壁26限定，通道16在壁26的中心向阀室22开放。用28表示的通道部分比与喷嘴7连通的通道上部29狭窄。在静止状态，当电磁阀未通电时，活动件24将通道28堵塞，为了这一目的，通道28在阀室22中的开口区域被构造成零件24的密封座。
[0051]在与横向壁26轴向相对的一侧，阀室22具有与零件24配合的球形凹面30，在其中心开设了通道16，通道16在此由更宽的通道部分32形成，通道部分32用于与加压器2连通。为此，电磁阀包括轴向连接末端件34。
[0052]球形零件24可以在阀座26上的中心位置与阀座的横向偏移位置之间横向移动，该零件在中心位置堵塞通道部分28，在横向偏移位置，横向通道打开，因此使来自加压器2的带压流体可以向喷嘴7流动。
[0053]对螺线管18通电，在螺线管产生的磁场作用下，实现将通道16打开的横向偏移。为此，磁场应在活动件24处具有沿垂直于通道方向的分量。通过在球24处的壁20的间隙部分中产生不规则性得到该分量。为此，该壁在小球处包括插入件36和37，在图中，它们分别位于小球24左边和右边。这些插入件具有与壁20的其它部分不同的磁灵敏度。通过赋予这些插入件不同的形状，如图所示，在磁路中产生不对称性，该不对称性产生导致球横向移动的磁场垂直分量。在螺线管通电结束时，小球返回它在阀室中的中心位置。
[0054]尽管图3A、3B示意性地表示电磁阀的另一版本，但它们示出的结构和功能与刚才的描述类型相同。实际上，图3A表示球在它的堵塞通道16的关闭位置，图3B表示该球在螺线管18产生的磁场作用下在打开通道的横向偏移位置。图3B用38表示由于插入件36、37产生的间隙不对称，磁场线在球的位置处具有横向突起。因此，球24处的磁场具有与通道16垂直的分量,因此产生使该小球横向移动的力。
[0055]因此，当螺线管通电时，由于磁场的不对称性，物体24从它的静止位置移位至阀座26的一侧，这使流体可以穿过通道16自由流动。停止通电时，由于流体流动的摩擦，物体24返回其静止位置，从而保证通道16关闭。
[0056]移位系统保证迅速响应。例如，电磁阀的开放和关闭可以在3微秒内完成，因此频率约为300Hz，并且螺线管产生的磁力允许被例如常温下压力大约为400bar (该力可以上升到IOOObar)的流体压向它的阀座的活动物体(即小球)移动。可操纵的供电使得在一段时间内(如，皮秒)输送所需的电功率成为可能，该功率可以由操作者调节。这样可以精细改变球24的振荡周期，因此改变在电磁阀中通过的流体量，即流量，并最终改变电磁阀可输送给喷嘴7出口的密度。同样，可以针对固定振荡周期改变电磁阀入口的流体压力，因此改变出口的流量。
[0057]图4A-4C示出了喷嘴7，其位于电磁阀出口处，通过适配器8附接至电磁阀。适配器8拧在阀门的出口上。[0058]喷嘴7附接在适配器8上，并通过盖子45固定至适配器，盖子45通过螺钉固定在电磁阀上，46表示螺钉的通过孔眼。要指出的是，设有被金属环包围的圆形橡胶密封垫45，以保证高压线路的密封性。金属环保证密封垫向适配器均匀挤压，并避免施加高压时密封垫移动。
[0059]在所示的例子中，喷嘴包括盘形基部38，其中心部分开设有供带压流体通过的中心孔39，该中心孔与穿过电磁阀的通道16对齐，喷嘴还包括向输出孔41方向收缩的锥形管部分40，该锥形管的尖端部分通过短柱形部分44与锥形内空间的内部43连通。因此，喷嘴为产生超声流动的收敛/发散型。当然，可以考虑其它类型的喷嘴，例如可以产生音速流或亚音速流体流动的柱形输出孔。
[0060]对于图4中喷嘴的尺寸，例如收敛角α和发散角β 二者可以都约为40°，并且收敛部分与发散部分之间的小柱形部分44的直径可以为0.1mm。发散锥形部分42的出口直径为0.4mm。
[0061]使用装有输出喷嘴的流体喷射发生装置还具有流体喷射的宽度和密度独立的明显优点。图5、6可以解释该独立性。
[0062]图5表示密度D随压力P的变化。压力P用bar表示，而密度是标准化的。点是测量值。密度相对压力的变化可以以直线的形式表示，表示密度随压力逐渐增加。
[0063]图6针对沿纵轴的几个高度(即距喷嘴出口的距离)表示射流的密度沿垂直于该纵轴的方向减小。曲线a、b、c分别针对100 μ m、200 μ m、300 μ m的高度作出。纵坐标表示标准化值形式的密度D，即总是基于最大密度。横坐标表示沿着与射流垂直的方向的位置R，用微米表示。图5表示可以通过改变压力连续改变峰值的密度，图6表示可以通过选择激光作用在光束上的高度选择给定宽度，即半径。
[0064]因此，如果固定高度以及宽度，则可以独立自由改变密度。
[0065]本发明的高密度流体发生装置4整体在次级真空下运行，因为它封闭在密封室9中。该装置根据输送的流量在高频下工作。当流量较小时，频率可以很高，并且在低频情况下流量较高，这是由于泵送密封室的体积和真空泵的效率，泵最好为涡轮-分子泵。
[0066]正如上面已经指出的，喷嘴调节射流的构成。喷嘴的尺寸决定等离子体的大小。给喷嘴提供的压力决定密度。因此，对给定的喷嘴，可以通过改变压力和长度独立改变密度。
[0067]要指出的是，激光束的撞击在距喷嘴出口非常短的距离(例如约为100-200微米)、在流体脉冲密度最强的区域进行。激光束将在脉冲上聚焦。考虑到激光束因此具有一定锥度，并且直径沿撞击脉冲的方向收缩，前表面46可以从出口稍微向后倾斜角度Y，而不是与出口轴线垂直，使激光束可以尽可能靠近喷嘴出口地作用在脉冲上。
[0068]对使用的流体,最好使用诸如氦的气体,但也可考虑使用任何其它气体。也可使用液体，液体适于等离子体与激光之间的有效耦合。
[0069]这样得到的系统可以形成由一系列高频、高密度脉冲形成的喷射流体，密度可高于1019cm_3，甚至达到钛蓝宝石激光的IO21CnT3的临界原子密度。频率可以大于几赫兹，直到300赫兹，甚至更大。可以通过加压器提供常温下400bar的压力。该压力可以更高，并且必要时高达lOOObar。如前所述，密封室内的压力为10_7bar。由于阀门产生的脉冲持续时间短，尽管密度大，但由于喷嘴的尺寸小，所以流体脉冲质量小，可以借助真空泵例如涡轮-分子泵在密封室内得到该真空，而不破坏这些泵。由于根据本发明的装置可以产生高频、高密度的喷射流体，本发明可以探索至今未探索的流体喷射密度和频率领域。因此，本发明打开了多种应用，其中有些应用将在下面作为例子描述。
[0070]这些应用分为两个主要应用领域，即一方面产生颗粒和辐射，另一方面形成强激光束。
[0071]参照图7，首先描述在激光方向产生窄谱高频离子束并在与激光垂直的方向发射宽谱高频离子的方法和系统。当相对谱的平均能量的能量变化ΛΕ小于1%时看作是窄谱。
[0072]为此，使用由一个或几个脉冲时间小于几皮秒并且脉冲之间的持续时间为几皮秒的短脉冲组成的强激光束，例如1017W/cm2至1022W/cm2的激光束。该脉冲可以由已知的不同方式构成，通过已经包括结构化脉冲的CO2激光最终放大器，或者更普遍地，用光学方式，将主脉冲细分，然后将细分后得到的每个子脉冲延迟希望的延迟。与该强结构化脉冲碰撞时从流体产生等离子，即一旦激光的影响超过约lj/cm2，通过“击穿”等离子，该流体产生由离子和电子形成的自由电荷。
[0073]当然，也可使用单一脉冲取代几个子脉冲形成的结构化脉冲。使用结构化脉冲而不是单一脉冲的优点是便于通过平均功率相同但峰值功率小的激光深入靶子。实际上，由于施加在等离子体上的辐射压力，每个脉冲的作用像一活塞，因此等离子被不规则地钻孔，该力正比于光的强度与光速的比值。与锤子和钉子一样，更容易通过该序列装置给材料钻孔。这不是必须的，但只是在每个激光脉冲的平均功率方面更经济。
[0074]该有效打孔可以使激光在整个体积上将其能量传递给等离子体的电子，这些电子能量增加，并且，根据等离子物理学，可以产生具有窄谱的离子束，其中所有离子在激光传播方向几乎具有相同能量，差别在百分之几之内。还存在主要在与激光传播方向垂直方向的离子发射，但这不是以直接离子束的形式，并且发射的谱较宽。
[0075]因此可以考虑图7的装置，该装置包括具有结构化脉冲或非结构化脉冲的激光，该激光以高频聚焦在喷射流体上并具有超临界密度。在CO2激光的情况下，密度为1019cm_3，对钛蓝宝石激光，密度为1021cm_3。图7中，聚焦的结构化激光束用50表示。激光在由52表示的高频喷射流体上撞击，在激光的轴线中产生窄谱高频离子束54，并且在垂直方向产生宽谱发射55。
[0076]为了过滤激光，使用循环过滤器57，如厚度为几十到几百微米的铝箔，其以lcm/s或更大速度行进，这样可以翻新激光每次撞击时损坏的表面。图7表示这样得到的窄谱高频尚子束59。
[0077]由于谱窄，该离子束可以用于剂量沉积，即在给定厚度的材料中沉积能量。宽谱发射55可用于探测类似于我们的等离子的强电场区域。获得以场梯度对比编码的图谱。
[0078]图8表示本发明的另一应用，即通过喷射在波动器中聚焦的高频电子束产生高频X射线束。
[0079]强激光脉冲61在密度约为IO19原子/cm3的高频气体射流63中聚焦。使用焦距适于喷射流体长度的光学聚焦装置，使激光在其中没有光丝地均匀传播，即没有类似分支闪光方式的爆裂。实验室经验表明，激光路径上的某些电子可能被激光场“圈闭”，即它们跟随激光，并沿传播加速到高能。电子的最终能量取决于喷射区域，电子被喷射至该区域以便被圈闭在激光的尾流中。当喷射区位于流体喷射入口处并且在位于出口情况下相对更低时，电子的能量较高。电子以轻微发散的电子束65的形式从等离子出现，并随时间传播，持续时间取决于激光脉冲的持续时间。高频束65通过四极磁铁67或几个串联安装的四极磁铁空间聚焦。通过使用几个四极磁铁，可以按顺序对待聚焦的电子路径进行校正，这样技术上更易实施，并且比用单个更强的四极磁铁产生的误差小。磁铁的磁场值与入射电子束的能量分布有关。因此重新聚焦的收敛的电子束69注入到波动器71中。波动器71由一系列极性交替的磁铁构成，使电子通过时产生波动，并根据加速电子辐射发射的物理原理向前放射X射线。磁铁交变的周期和它们的功率决定发射X射线的谱范围。如果磁铁被调节至与电子喷射能量一致，则X射线的发射功率随着电子在波动器中的波动前进增加，并且得到的X射线谱是窄的，即相位和构成的发射一致。双极磁铁73位于波动器的出口，以便使电子偏移，并且只保留X射线束。该X射线束用75表示，而偏移的电子束用77表示。X射线束75是高频X粒子束，并构成脉冲X激光。
[0080]图8的装置可以通过改变气体射流的密度调节电子的能量，以便与四极磁铁和波动器的特征具有最佳一致性。
[0081]因此，图8表示从强激光61和高频射流63的相互作用形成脉冲激光X。
[0082]图9示出了本发明的第三应用，即通过循环转换器转换高频电子束产生高频伽玛束的系统。
[0083]在该应用中，强激光脉冲77在密度约为IO19原子/cm3的高频气体射流79中聚焦。为了使激光聚焦，使用焦距与射流长度适应的光学聚焦装置，使激光在其中没有光丝地均匀聚焦，即没有分支闪光方式的爆裂。如在第二应用的范围内解释的，实验室经验表明，激光路径中的某些电子可能被激光场“圈闭”，并沿传播加速到高能。如前面指出的，电子的最终能量取决于喷射区域，电子在该喷射区域被注入以便被圈闭在激光尾流中。电子以轻微发散的电子束81的形式从等离子中出现并随时间传播，并且持续时间取决于激光脉冲的持续时间。电子束包括循环转换器83，例如厚度为Imm的钽箔，该钽箔以lcm/s或更大速度行进，从而使钽箔可以翻新激光每次撞击损坏的表面。在穿过转换器时，电子通过与原子的碰撞减速，这导致通过已知的“轫致辐射”效应以束的形式向前发射伽玛射线。因此得到高频伽玛射线束85。该穿过转换器的电子束进入双极磁铁87，从而得到高频伽玛射线束88，并且使电子以偏移电子束89的形式偏移。
[0084]因此，根据图9的装置可以得到高频伽玛射线束。对于循环转换器83相对射流79的给定位置，通过改变转换器的厚度可以改变在出口得到的伽玛射线的数量，即伽玛源的亮度和源的大小。该伽玛射线可以探测致密材料，并通过吸收反差得到无线电图形映射，该映射可以用于进行分辨率一般为50 μ m的物体断层照相。
[0085]下面描述第四应用，该应用涉及形成强激光脉冲的第二领域。该应用通过根据图10的等离子镜的感应提出时间清洗强脉冲。
[0086]在强激光脉冲中，主脉冲之前有干扰光(放大的自发辐射或英文为ASE)，干扰光在中等强度时对相互作用的使用可能是有害的，因为它可能导致希望实现相互作用的材料的过早击穿，这使靶子的结构不确定。该干扰光的波长与主脉冲相同，并且偏振方式相同。因此不容易进行光学选择。相反，可以通过它的比主脉冲小得多的强度区分干扰光。
[0087]如图10所示，待过滤的激光脉冲90入射到对使用的激光的波长具有超临界密度的喷射流体92上。只要没有发生等离子击穿，喷射流体92对脉冲就是半透明的。因此，只要激光的能量密度(激光束的面积能量)没有达到lj/cm2，其等价于对给定的脉冲数据，强度没有达到KTW/cm2，喷射流体仍是透明的，因此脉冲通过。一旦跨越该限度，流体击穿，并在表面产生激光不再能深入的超临界等离子体。因此，剩余脉冲被反射。
[0088]图10用94表示反射的激光脉冲，96表示穿过从喷嘴98出来的喷射流体92的激光脉冲。
[0089]在该应用中，高密度喷射流体92，尤其是液体，和高频喷射流体的作用类似选择性镜子，该镜子在脉冲90开始入射时吸收中等强度干扰激光，并以脉冲94的形式反射高强度光，脉冲94可用于在更加受控的条件中产生互相作用。
[0090]涉及形成强激光脉冲领域的第五应用保证脉冲的时间和空间压缩。
[0091]在该应用中，强激光脉冲在密度约为IO19原子/cm3的高频气体射流中聚焦。使用与喷射流体长度适应的光学聚焦，以便使激光在其中无光丝地均匀传播。
[0092]该脉冲实际上由几个有相对相差的波长组成。然而，等离子的作用是根据波长产生不同的相位延迟。短波长在等离子体中的传播速度小于长波长。因此，如果精心选择包括在等离子体入口的激光脉冲的两个不同波长之间的相对相差，即如果短波长在长波长前到达等离子体(据说频率正向衍生(derived positively)),使等离子体中的路径能够使分量重新同步，即重新确定谱线分量的相位，则等离子体可以有助于脉冲的时间压缩。例如可以借助名为DAZZLER的商业装置以已知方式得到频率偏移。
[0093]通过确定谱分量相位进行时间压缩直接来自傅立叶关系dTudW=常数。因此，宽脉冲相位谱内容dw会给出短脉冲持续时间dT。因此，如果等离子体没有吸收太多能量，则可在出口得到时间更短并且更强的脉冲。要指出的是，该原理在文献中得到广泛的解释。到目前为止，这种压缩通过光栅获得，光栅会随时间损坏，并且只支持几赫兹的低频，并且能量效率约60% (能量传递率)。根据本发明的装置可以用高频喷射流体得到压缩，并且能量效率约20%。还有，强脉冲形成的等离子体可以通过Kerr效应导致对脉冲的空间聚焦，因此在射流的出口加强脉冲。
[0094]刚刚说明了本发明可以达到大于IO21原子/cm3的原子密度。由于该特征，本发明可以达到临界等离子密度，从该密度起，使从喷嘴出来的射流气体离子化为等离子的强激光不能再传播。该临界密度由下式给出:
[0095]nc[cm 3]?1.1x1021/L2 [ μ m]
[0096]其中L为使用的激光的波长。
[0097]因此，本发明可以使任何波长大于0.750微米的强激光得到临界原子密度。特别地，可以对构成现在在科学界使用的多数强激光的钛蓝宝石激光(L=0.81 μ m)达到临界密度。这具有很大优点，因为从该密度起，激光-等离子的相互作用保证非常有效的耦合，即几乎所有的激光能量转化为等离子体的内能。
[0098]另一方面，本发明可以得到强激光脉冲的非线性时间压缩。为此，使强激光脉冲在密度约为IO19原子/cm3的高频气体射流中聚焦。使用与射流长度适应的光学聚焦，使激光在其中无光丝地均匀传播。一方面，强脉冲穿过气体射流时直接改变等离子体的光学指数，另一方面产生随脉冲移动的幅度非常高的等离子波。这两个非线性作用反过来对脉冲的频率方面起作用，其结果是在时间方面使脉冲的后方传播快于前方，因此实现脉冲压缩。通过该过程，短、强脉冲可以将时间压缩例如几毫米气体分之三，因此产生超强脉冲，而不会产生破坏对其压缩的结构的危险。使用高频和高密度喷射可以只在100微米上以高频实现该 过程，这构成对目前使用的形成高频强激光技术的替代。
【权利要求】
1.一种用于产生高原子密度喷射流体的方法，其特征在于，所述方法包括借助在约400bar或更高压力下的高压快速电磁阀(5)和所述电磁阀之后的安装在所述电磁阀的出口的喷嘴(7)产生亚毫米尺寸并且原子密度大于102°cm_3的脉冲喷射流体(F)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喷射流体的原子密度值为IO21cnT3或更大。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，流体为气体，如氦。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，流体是双相的，如聚合射流。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，流体为液体，如水。
6.一种应用权利要求1至5其中一项所述的方法产生高原子密度喷射流体的装置，其特征在于，所述装置包括带压流体源(1、2)、迅速打开和关闭穿过电磁阀的流体通道(16)的约400bar或更高压力的高压电磁阀(5)、和能够使所述电磁阀(5)产生的亚毫米尺寸的脉冲喷射流体加速和调整构成的喷嘴(7 )。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电磁阀(5)包括螺线管(18)和迅速打开和关闭穿过所述电磁阀的流体通道(16)的活动件，所述活动件可以在所述螺线管产生的磁场作用下垂直于所述通道移动至打开所述通道的位置，并在带压流体的作用下返回关闭所述通道的位置。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述通道(16)周围的间隙(20)在所述活动件(24)处具有不对称性，因此产生方向与所述通道垂直的磁场分量，并且该分量用于使所述活动件(24)向其打开通道(16)的位置移动。
9.一种用于产生等离子体的方法，其特征在于，使用根据权利要求1至8其中之一得到的喷射流体，并且使方向与所述喷射流体的方向垂直的激光束(L)在真空密封室(9)内作用在从喷嘴(7)出来的喷射流体(F)上。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，产生高原子密度的脉冲喷射流体，但其宽度足够小，使得可以用使用非常高速的泵如涡轮-分子泵在密封室(9)内产生真空。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，在所述密封室(9)内产生约10_7bar的真空。
12.一种用于实施根据权利要求9至11其中之一所述的方法的等离子体发生系统，其特征在于，所述系统包括带压流体源、根据权利要求6或7产生压力约为400bar或更高压力的喷射流体的装置(4)、亚毫米尺寸的喷嘴、在所述喷嘴(7)的出口作用在喷射流体(F)上的激光束(L)、真空密封室(9)，所述装置位于密封室(9)中，并且激光(L)在其中撞击喷射流体(F)，并且该系统包括在所述密封室(9)内产生真空的非常高速的泵(10)，如涡轮-分子泵。
13.一种应用根据权利要求12所述的系统的方法，其特征在于，所述系统用于在激光方向产生窄谱离子束(59)，其中所有离子近似具有相同能量并且是高频的，并且向与激光垂直的方向发射高频宽谱离子(55)。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使用由一个或几个约几皮秒的短脉冲组成的强激光束(50)，并且脉冲之间的间距为几皮秒，将该激光束在高频和具有对该激光的超临界密度的喷射流体(52)上聚焦。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，有利地使用诸如几十到几百微米的铝箔的活动过滤器(57)在激光轴线中过滤从等离子体出来的高频离子束(54)，以便可以翻新离子束每次撞击损坏的表面。
16.一种应用根据权利要求12所述的系统的方法，其特征在于，使用所述系统产生高频X射线束(X)。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使强激光脉冲(61)在高频高密度如约IO19原子/cm3的喷射流体(63)中聚焦，以便产生弱发散并且持续时间短的电子束(65)，并使该电子束重新空间聚焦，并使重新聚焦后的电子束穿过波动器(71)。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，使穿过波动器(71)的电子束从装置(73)经过，所述装置(73)使电子偏移，并且能够只得到X射线束(75)。
19.根据权利要求17或18所述的方法，其特征在于，使用由一系列交变极性的磁铁构成的波动器(71 )，使电子在通过所述波动器时波动，并在电子束方向向前放射X射线。
20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，通过改变交替磁铁的周期和它们的功率来改变所述X射线的谱范围。
21.一种应用根据权利要求12所述的系统的方法，其特征在于，使用所述系统产生高频伽玛射线束(88)。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，通过从强激光脉冲(77)与高频和高密度如约IO19原子/cm3的气体射流(79)的相互作用产生的等离子体得到的高频电子束(81)的转换产生高频伽玛射线束(88 )。
23.根据权利要求22所述的方法，其特征在于，使强激光脉冲(77)在气体射流(79)中聚焦，并使用焦距与喷射流体的长度相适应的光学聚焦，使激光在其中无光丝地均匀传播。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其特征在于，使电子束(81)撞击活动转换器(83)，以便发射由于电子碰撞转换器的原子而减速产生的伽玛射线。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，使用双极磁铁装置(85)使电子偏移，并得到高频伽玛射线束(87)。
26.一种应用根据权利要求12所述的系统的方法，其特征在于，所述系统用于借助喷射流体(92)进行激光强脉冲(90)的时间清洗。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，待清洗的激光脉冲(90)入射到具有对激光波长的超临界密度的喷射流体(92)上，使脉冲的干扰光不产生等离子击穿，即对该干扰光是半透明的，并且激光脉冲的有效部分产生击穿，因此被喷射流体反射。
28.一种应用根据权利要求12所述的系统的方法，其特征在于，使用该系统实现激光脉冲(90)的时间和空间压缩。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，使待压缩的强激光脉冲在密度约为IO19原子/cm3的高 密度高频气体射流中聚焦，使脉冲谱的短波长在长波长前到达等离子体，使得短波长在等离子体中传播较慢，导致脉冲随时间重新压缩。
【文档编号】H05H1/22GK104012184SQ201280038867
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2012年6月8日 优先权日:2011年6月9日
【发明者】索里巴·弗朗齐歇克·西拉, 维克托·阿曼德·马尔卡, 亚历山德罗·费德里科·弗拉戈, 迈纳·伊万诺瓦·韦尔切瓦, 苏巴亨多·卡哈利 申请人:巴黎综合理工学院