激光等离子体脉冲正电子源的制作方法
【技术领域】：
[0001] 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】：
[0002] 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3 +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。
[0003] 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、58C〇、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AppliedSurfaceScience252(2006)3121-3125)，采用 50mCi的22Na作为正电子 源，流强达到5X106。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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101Qe+/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101(le7S。
[0007] 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。
[0008] 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。
[0009] 2〇00 年，Germany，Max-Planck-Institutfu??rQuantenoptik的C.Gahn等人 (发表文章见ApplPhysLett，77(2000)2662-2664，PhysPlasmas，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。
[0010] 美国LLNL的研究人员，在Titan激光装置及OMEGAEP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，PhysRevLett，102(2009)PhysRev Lett，105 (2010)，PhysPlasmas，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101(1~1012,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。
[0011] 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】
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 在第一部分中，激光光源1用于提供泵浦光源，即可以是短脉冲皮秒激光器，也可 以采用飞秒超短脉冲激光器。
[0016] 上述脉冲正电子源的具体工作过程是：
[0017] 从激光光源1输出的激光脉冲进入真空靶室2后，经过聚焦系统聚焦后与靶材相 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 了反射式聚焦系统。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。
[0018] 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