本發(fā)明屬于激光加速器，具體涉及一種用于激光加速器的楔形超音速氣體靶。

背景技術(shù)：

1、隨著超短超強(qiáng)激光技術(shù)不斷發(fā)展，通過激光驅(qū)動的新型粒子加速器由于不存在擊穿閾值限制，可產(chǎn)生高達(dá)100gv/m的加速電場，加速梯度與傳統(tǒng)射頻加速器相比提高3-4個量級，有望為加速器小型化提供一種全新的技術(shù)途徑，具有重要科研及應(yīng)用意義。

2、超快超強(qiáng)激光與靶相互作用可實(shí)現(xiàn)帶電粒子的加速。1979年由美國科學(xué)家johndawson和toshi?taj?ima首次提出激光尾波場驅(qū)動電子加速(lwfa)的概念，通過激光在等離子體中傳播所驅(qū)動的尾波場，能夠獲得極高的加速電場，從而在很短的尺度范圍內(nèi)獲得高能量電子束。其中，超音速氣體靶作為激光加速器中的重要實(shí)驗(yàn)靶體，能夠在真空條件下產(chǎn)生具有局部高密度、高重復(fù)頻率氣體介質(zhì)，產(chǎn)生的氣體射流具有較長射程、陡峭的邊沿和近平頂?shù)拿芏确植?，能夠?yàn)榧铀賹?shí)驗(yàn)提供具有特定密度的氣體射流。由于該種靶體的高度可控性，能夠?qū)崟r對離化后的等離子體密度進(jìn)行調(diào)控，進(jìn)而影響激光驅(qū)動尾波場加速的電子束品質(zhì)，在電子束的能量、電量、單能性方面可實(shí)現(xiàn)有效提升，并可以用于高重復(fù)頻率實(shí)驗(yàn)中，是實(shí)現(xiàn)電子束有效控制、品質(zhì)提升的一種重要解決途徑。通過超音速氣體靶產(chǎn)生的高品質(zhì)準(zhǔn)單能電子束可以進(jìn)一步開展激光驅(qū)動的高能betatron輻射、compton散射γ源、超快電子衍射、射線束成像等方面工作，具有重要意義和應(yīng)用價值。

3、目前，國際上針對用于激光加速器的超音速氣體靶的研究重點(diǎn)主要聚焦在提升氣體射流密度方面，采用的超音速氣體靶主要產(chǎn)生圓錐形和長條形氣體射流，提供的氣體密度分布為平頂型分布。德國耶拿大學(xué)團(tuán)隊(duì)研制了具有馬赫數(shù)為3和6的兩種圓錐形噴嘴，獲得了1018/cm3量級的氣體密度分布。eli-beaml?ine的研究團(tuán)隊(duì)針對口徑為6.8mm×1.26mm的長條型超音速氣體靶進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并獲得了距離噴口不同位置處密度分布的模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此外，法國source?lab、日本smartshel?l等公司研發(fā)了多種圓錐形及長條形氣體靶。

4、此種構(gòu)型的氣體靶呈軸對稱分布，工藝成熟，在氣體密度均勻性方面具有一定優(yōu)勢。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于激光尾波場加速過程中的電子輸運(yùn)特點(diǎn)，平頂型氣體密度分布會使得注入尾波場的電子逐漸由加速相位移動至減速相位，產(chǎn)生失相效應(yīng)，抑制了電子束能量的提高。根據(jù)激光加速器原理，目前解決電子束失相效應(yīng)的主要解決方法有兩種，一種是利用激光在等離子體內(nèi)衰減使尾波場尺度減小，這需要對大型超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生的光束進(jìn)行調(diào)控，操作復(fù)雜，難度較大；另一種是調(diào)節(jié)尾波場產(chǎn)生等離子體縱向密度，可通過對實(shí)驗(yàn)用靶的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研制來實(shí)現(xiàn)，無需大幅改動整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可操作性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)。

5、由于現(xiàn)有超音速氣體靶結(jié)構(gòu)不利于在激光加速器中減小失相效應(yīng)影響，以產(chǎn)生實(shí)際應(yīng)用所需的高能量高品質(zhì)電子束。因此結(jié)合激光加速器中的電子輸運(yùn)特點(diǎn)，以減小失相效應(yīng)影響為目的進(jìn)行新型超音速氣體靶設(shè)計(jì)和研制，是本發(fā)明需要解決的關(guān)鍵問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中所存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，該方案針對激光驅(qū)動電子加速過程中產(chǎn)生的失相效應(yīng)，首次結(jié)合電子輸運(yùn)特點(diǎn)，可以有效降低由于失相效應(yīng)對電子束能量增益的限制，以獲得更高能量、更好單色性的電子束，為激光加速器在多領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供高品質(zhì)束流。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，包括靶體和底座，靶體上、下兩個端面分別設(shè)有噴氣口和進(jìn)氣口，靶體內(nèi)部設(shè)置楔形空腔，所述楔形空腔分別與進(jìn)氣口和噴氣口連通，使得由噴氣口射出的超音速氣體射流沿激光傳輸方向的密度分布呈現(xiàn)正梯度分布；所述靶體設(shè)置在底座上，所述底座設(shè)有與所述進(jìn)氣口相適配的狹縫。

4、進(jìn)一步，所述楔形空腔沿水平方向一端寬另一端窄，沿豎直方向上端寬下端窄。

5、進(jìn)一步，所述噴氣口為梯形，所述進(jìn)氣口為長方形狹縫，保證靶體存在窄喉結(jié)構(gòu)。

6、進(jìn)一步，噴氣口梯形的上底為l1、下底為l2、高為h，進(jìn)氣口長方形狹縫的長為d、寬為w以及靶體總高度均可根據(jù)所需氣體密度大小及密度梯度分布進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，滿足：l2＞l1≥w，h≥d。

7、進(jìn)一步，所述的l1、l2和w均在百微米-毫米量級；所述的h和d均在毫米-厘米量級。

8、進(jìn)一步，所述底座下表面與供氣電磁閥緊密連接，為靶體提供高壓氣體輸入。

9、進(jìn)一步，所述底座下表面與供氣電磁閥通過多顆定位螺絲以及橡膠密封膠圈相固定。

10、進(jìn)一步，所述底座為圓盤結(jié)構(gòu)。

11、進(jìn)一步，所述楔形腔體的內(nèi)壁需要控制粗糙度，實(shí)現(xiàn)靶體輪廓與內(nèi)壁的平滑過渡。

12、進(jìn)一步，所述氣體靶設(shè)置在真空靶場中，激光束沿楔形空腔長度方向射向氣體靶，與氣體射流相互作用，產(chǎn)生準(zhǔn)單能電子束。

13、進(jìn)一步，所述氣體為氫氣、氦氣、氮?dú)饣驓鍤?，或根?jù)不同的激光加速機(jī)制，以不同比例混合以上類型氣體。

14、本發(fā)明的有益效果如下：

15、1、符合激光加速器電子輸運(yùn)特性的新型楔形超音速氣體靶，使得沿激光傳輸方向的超音速氣體射流密度分布呈現(xiàn)正梯度分布，氣體密度可連續(xù)增加；

16、2、與現(xiàn)有超音速氣體靶產(chǎn)生的平頂型密度分布不同，通過本新型氣體靶能夠獲得正梯度密度分布等離子體，避免電子束產(chǎn)生相位不匹配的失相效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)電子束能量和單能性的有效提升，為激光加速器在驅(qū)動超快輻射源、超快過程診斷、高分辨成像、生命科學(xué)等方面提供高品質(zhì)電子束。

技術(shù)特征：

1.一種用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，包括靶體和底座，其特征在于：靶體上、下兩個端面分別設(shè)有噴氣口和進(jìn)氣口，靶體內(nèi)部設(shè)置楔形空腔，所述楔形空腔分別與進(jìn)氣口和噴氣口連通，使得由噴氣口射出的超音速氣體射流沿激光傳輸方向的密度分布呈現(xiàn)正梯度分布；所述靶體設(shè)置在底座上，所述底座設(shè)有與所述進(jìn)氣口相適配的狹縫。

2.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述楔形空腔沿水平方向一端寬另一端窄，沿豎直方向上端寬下端窄。

3.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述噴氣口為梯形，所述進(jìn)氣口為長方形狹縫，保證靶體存在窄喉結(jié)構(gòu)。

4.如權(quán)利要求3所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：噴氣口梯形的上底為l1、下底為l2、高為h，進(jìn)氣口長方形狹縫的長為d、寬為w以及靶體總高度均可根據(jù)所需氣體密度大小及密度梯度分布進(jìn)行調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，滿足：l2＞l1≥w，h≥d。

5.如權(quán)利要求4所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述的l1、l2和w均在百微米-毫米量級；所述的h和d均在毫米-厘米量級。

6.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述底座下表面與供氣電磁閥緊密連接，為靶體提供高壓氣體輸入。

7.如權(quán)利要求6所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述底座下表面與供氣電磁閥通過多顆定位螺絲以及橡膠密封膠圈相固定。

8.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述底座為圓盤結(jié)構(gòu)。

9.如權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述楔形腔體的內(nèi)壁需要控制粗糙度，實(shí)現(xiàn)靶體輪廓與內(nèi)壁的平滑過渡。

10.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述氣體靶設(shè)置在真空靶場中，激光束沿楔形空腔長度方向射向氣體靶，與氣體射流相互作用，產(chǎn)生準(zhǔn)單能電子束。

11.如權(quán)利要求1所述的用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，其特征在于：所述氣體為氫氣、氦氣、氮?dú)饣驓鍤猓蚋鶕?jù)不同的激光加速機(jī)制，以不同比例混合以上類型氣體。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于激光加速器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于激光加速器的楔形超音速氣體靶，包括靶體和底座，靶體上、下兩個端面分別設(shè)有噴氣口和進(jìn)氣口，靶體內(nèi)部設(shè)置楔形空腔，所述楔形空腔分別與進(jìn)氣口和噴氣口連通，使得由噴氣口射出的超音速氣體射流沿激光傳輸方向的密度分布呈現(xiàn)正梯度分布；所述靶體設(shè)置在底座上，所述底座設(shè)有與所述進(jìn)氣口相適配的狹縫。符合激光加速器電子輸運(yùn)特性的楔形超音速氣體靶，使得沿激光傳輸方向的超音速氣體射流密度分布呈現(xiàn)正梯度分布，氣體密度可連續(xù)增加；避免電子束產(chǎn)生相位不匹配的失相效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)電子束能量和單能性的有效提升，為激光加速器在驅(qū)動超快輻射源、超快過程診斷、高分辨成像等方面提供高品質(zhì)電子束。

技術(shù)研發(fā)人員：劉秋實(shí),張曉華,趙保真,呂沖,王嘉豪,勵欽翔,胡凌,左深宇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國原子能科學(xué)研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19