超高密度亚微米强流电子束的产生装置

本发明主要涉及高强场物理、加速器物理和高能辐射源领域，特别涉及一种产生超高密度亚微米强流电子束的装置。

背景技术：

1、紧聚焦的相对论强流电子束在加速器物理、高强场物理、激光等离子体物理和高能辐射源等领域有着重要的研究价值和应用前景。这不仅可以降低电子束在自由空间中发射度的增长，而且还可以减少对下游聚焦器件的需求。此外，紧聚焦的高密度电子束将极大地提高粒子对撞机亮度和高能辐射源亮度，并有望研究一些未被探索的新物理机制，比如研究粒子束驱动固体密度等离子体的加速与辐射、强场qed物理等。

2、目前，高能电子束的聚焦和准直一般都是通过传统磁铁装置来实现的。然而，该技术存在磁场强度低、装置尺寸大、转换时间慢和横向不对称等缺点。此外，该技术也不适合聚焦微米级尺寸和相对大发散角的大电流电子束。例如，激光等离子体加速是下一代紧凑型加速器和高亮度辐射源的一种极具潜力的候选方案。但是产生的电子束通常只有几微米大小尺寸、几毫弧度发散角和百千安培级大电流，使其在传输到应用阶段时难以被聚焦或准直。为了解决这一难题，经过二十多年来世界各地研究人员的不懈努力，研究发现了一些新型的聚焦元件，譬如等离子体透镜，可以提供比传统四极磁铁高约几个数量级的强磁场。这对于激光或粒子束驱动等离子体加速器的发展和应用尤为重要。许多研究与应用将大大受益于紧聚焦的相对论电子束，比如多级等离子体加速器、紧凑型自由电子激光、高亮度辐射源、非线性散射过程等。近年来，尽管电子束聚焦已取得了重大进展，但是还没有方法能够将相对论大电流电子束聚焦到亚微米尺度，并将其密度增加数百倍以上，达到近固体密度。

3、另一方面，超高密度电子束与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程和新现象。然而，由于缺乏这种电子束，许多物理过程和作用机制尚未得到研究，亟需深入研究和探索。例如，利用获得的稠密电子束可以代替高强度激光脉冲触发强场qed效应，有望为极端强场物理研究开辟一条新途径；或利用聚焦的稠密电子束与散射激光脉冲作用可以研究高阶非线性散射等物理过程；或利用聚焦的稠密电子束与另一束高能粒子束(譬如正电子束)作用可以研究粒子对撞物理过程等。

4、因此，研制一种能够聚焦相对论大电流粒子束的装置已迫在眉睫，有望实现亚微米级束斑和近固体密度的极稠密电子束，从而开辟新的科学研究领域。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种相对论强流粒子束聚焦装置，用于产生直径在亚微米级的高能稠密电子束或其他带电粒子束(譬如正电子束)，从而开辟极端强场物理等研究的新途径。

2、本发明提供了一种产生超高密度亚微米强流电子束的装置，包括：

3、真空靶室，所述真空靶室用于提供电子束与靶相互作用的真空环境；

4、粒子加速器，放置在所述真空靶室外，用于提供相对论强流电子束；

5、靶元件，放置在所述真空靶室内，呈空心圆锥形状，用于将所述电子束聚焦到初始直径的十分之一以下；

6、所述粒子加速器提供的电子束入射至所述靶元件内，经该靶元件的靶壁回流产生超强自生磁场，从而实现对电子束本身进行聚焦；经过数百微米的相互作用距离后，电子束被压缩到其初始直径的十分之一以内，达到亚微米级束斑，从而使其密度增加两个数量级以上，达到近固体密度。

7、所述电子束的初始束斑尺寸为数微米至数十微米，优选地，4～20微米。

8、所述电子束的初始脉冲长度为数微米至数十微米，优选地，4～20微米。

9、所述电子束的初始电流为十千安培以上，优选地，百千安培以上。

10、所述电子束的初始能量为百兆电子伏特以上，优选地，吉电子伏特以上。

11、所述靶元件的密度为固体密度，优选地，大于1023个每立方厘米。

12、所述靶元件底部(入射开口)直径大于或等于初始电子束直径，可在数微米至数十微米范围内调节。

13、所述靶元件顶部(出射开口)直径小于初始电子束直径的四分之一，可在0.1～10微米范围内调节，优选地，0.2～2微米。

14、所述靶元件的纵向长度可在100～10000微米范围内调节，优选地，200～1000微米。

15、所述转化靶厚度可在数微米至数百微米范围内调节，优选地，10～100微米。

16、所述转化靶密度为近固体密度或与聚焦的电子束密度相当，优选地，1022～1024个每立方厘米。

17、所述靶元件和转化靶可由3d打印技术或精密加工技术制备，但不限于这两种技术方法。

18、在另一优选例中，可以通过调整所述靶元件参数来调控聚焦的电子束参数。

19、在另一优选例中，可以通过调整所述转化靶参数来研究不同的物理过程和调控辐射源参数。

20、在另一优选例中，所述聚焦的稠密粒子束具有选自下组的一个或多个特性：

21、(a)聚焦后的束斑尺寸最小可达到初始束斑尺寸的十分之一以下；

22、(b)聚焦后的束密度最高可达到初始密度的一百倍以上；

23、(c)聚焦后的束斑半径最小约为0.1微米；

24、(d)聚焦后的束密度最高可超过1023个每立方厘米；

25、(e)聚焦后的束能量可以保留其初始值的90％以上。

26、本发明提供了一种产生超高密度亚微米强流电子束的装置，及用于研究极端强场物理的方法，包括以下步骤：

27、(a)提供聚焦的高密度电子束，所述聚焦的高密度电子束可通过所述相对论强流电子束与所述靶元件作用来实现；

28、(b)利用聚焦的高密度电子束与转化靶作用产生超强准静态场，由此激发强场qed效应，使得可以研究极端强场物理和获得准直的高亮度伽马射线源。

29、(c)或利用聚焦后的电子束与散射激光脉冲作用，用于研究高阶非线性散射等物理过程。

30、(d)或利用聚焦后的电子束作用与另一束高能粒子束(譬如正电子束)，用于研究粒子对撞过程等基础物理。

31、相比于传统磁铁技术，该方法具有诸多独特的优势，可以提供比传统四极磁铁高几个数量级的超强聚焦磁场。该方法所产生的磁场强度可达吉高斯以上，从而能在百微米尺度内将相对论大电流电子束聚焦到初始直径的十分之一以内，达到亚微米尺度，对应的束密度将提高2个数量级以上，达到近固体密度。该装置具有高效、小型紧凑等优点，能够聚焦相对论大电流粒子束。所获得的亚微米级束斑和近固体密度的超高密度粒子束是目前传统加速器装置无法实现的，突破了粒子束聚焦技术的瓶颈。这种紧聚焦稠密电子束对基础物理等科学研究具有重要的研究与应用价值，譬如可以代替高强度激光脉冲激发强场qed效应和研究极端强场物理。此外，该方法所需条件相对简单、易行、实用，有望应用到更广泛的领域中。

技术特征：

1.一种超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，包括

2.如权利要求1所述的超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，所述靶元件的内部为空心，中心轴与电子束传播方向相平行，沿中心轴的长度l在百微米至数毫米范围内调节；

3.如权利要求1所述的超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，所述相对论强流电子束的能量为百兆电子伏特以上，电流强度为十千安培以上，所述相对论强流电子束的束斑尺寸为数微米至数十微米范围内，所述相对论强流电子束的脉冲长度为数微米至数十微米范围内。

4.如权利要求1—3任一所述的超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，还包括：

5.如权利要求4所述的超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，所述转化靶的厚度在数微米至数百微米范围内调节。

6.如权利要求4所述的超高密度亚微米强流电子束的产生装置，其特征在于，所述转化靶的数密度与聚焦后的电子束密度相当或更大。

技术总结
一种产生超高密度亚微米强流电子束的装置，包括用于提供相对论强流电子束的粒子加速器，用于提供电子束与靶相互作用的真空环境的真空靶室，以及靶元件；靶元件为空心锥形靶，用于将电子束聚焦到初始直径的十分之一以下，可小至亚微米尺度，从而使其密度增加两个数量级以上，到达固体密度范畴。如此极高密度亚微米尺寸的电子束是其他装置所无法实现的，这将为诸多前沿科学带来新的研究手段。该装置还适用于聚焦其他带电粒子束，例如正电子束。因此，本发明具有重要的研究价值和应用前景。

技术研发人员：朱兴龙,刘维媛,陈民,翁苏明,盛政明,张杰
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14