[发明专利]用于产生离子加速的激光靶

说明书

技术领域

本发明涉及加速器技术领域，具体地涉及一种通过强激光作用产生高品质离子束的激光靶。

背景技术

放射治疗是癌症治疗的一种常用方式，它采用各种粒子束和辐射源，譬如高能离子束、高能电子束、x射线或γ射线，通过将它们辐照在癌组织上以杀死癌细胞，达到治疗的目的。这一治疗方法的关键问题是如何将合适的辐射剂量输送到癌变组织，同时又能保证癌组织周围的健康组织不受损伤。

研究发现，与高能电子束、x射线或γ射线相比，采用高能离子束做放射治疗(通常称为强子束治疗-Hadron therapy)有着多方面的优势。首先，离子束不会被原子中的电子强烈散射，有利于避免辐射粒子对癌组织周围健康组织的辐照从而不会对其造成损伤。其次，离子束的能量沉积在其靶点上存在一个非常尖锐的峰值(Bragg peak)，这一特点使其能在给定目标位置施以大量的辐射剂量从而达到精确定位杀死癌组织的效果。由于上述优势，采用离子束进行辐照治疗是一种十分有前途的癌症治疗方法。

目前一般认为质子束和碳离子束是比较理想的用于放射治疗的离子束。研究表明，采用离子束进行辐照治疗必须达到以下两个条件：首先单个离子的能量必须达到或超过一定的能量下限，譬如采用质子治疗(Proton therapy)需要单个质子能量达到200-250MeV，采用碳离子束治疗(Carbon therapy)需要的单个核子能量达到300-400MeV/u；其次离子束的束流强度必须达到≥10⁹/s，且其能散度应低于1％或同量级。

目前传统加速器技术已被用于产生符合癌症治疗要求的离子束，加速质子束一般采用回旋加速器，而加速碳离子束采用同步加速器。迄今为止国际上已经有近20台专门用于癌症治疗的离子束加速器，超过5万人接受了离子束治疗(其中大部分是质子束治疗)，并且更多的这类加速器在建造之中。虽然传统加速器在技术上已经能够满足医学应用的要求，但是其昂贵的造价严重阻碍了这一技术的普及。发展新的加速器技术，用比较小的造价来产生所需要的离子束，是离子束治疗获得广泛应用的关键前提。

随着高功率超短激光脉冲技术的快速发展，运用强激光与等离子体相互作用的方法产生高品质离子束获得人们的广泛关注。由于强激光与等离子体相互作用可以产生极高的加速梯度，有望以相对较低的成本，在较小的空间尺度系统内产生所需要的离子束。另外由于激光可以聚焦到几十微米甚至更小的空间尺度，因此产生的离子束具有天然的源束斑小、发散度小、方向性好等优点。上述特点使得用激光等离子体相互作用的方法产生用于肿瘤治疗的离子束具有重要的发展潜力。

在过去的十年中，人们提出了各种激光等离子体相互作用方案以得到高品质离子束。这其中包括靶后鞘层电场加速、库伦爆炸加速、无碰撞静电冲击波加速、激光辐射压加速等。

目前极大部分的实验结果是依据靶后鞘层电场加速机制得到的。如图1所示，激光11入射到固体薄膜靶12后，在前表面13形成等离子体14，并推动等离子体14中的一部分电子向靶内运动。电子束穿过靶背面15后造成电荷分离，从而建立起很强的鞘层静电场16，该鞘层静电场16直接对靶后的离子/质子17加速，从而获得离子/质子束。此种方式，因激光只与简单平面靶相互作用，所产生的靶后质子加速主要是由高能电子建立的鞘层电场加速的，其效率相对较低，迄今人们还没有在实验室获得超过100MeV的质子束。

在其他方案中，也具有如下缺点，库伦爆炸加速产生的离子束方向性不好，无碰撞静电冲击波加速只能产生几十MeV的离子。激光辐射压加速的方案从原理上看可以产生几百MeV甚至1GeV以上的质子束，但该机制需要采用厚度在几十纳米或者在趋肤深度量级的薄膜靶，这对制靶工艺和激光对比度提出了很高的要求，因而在实验上实现具有很大的技术难度。

因此，本领域迫切需要研发一种新型的激光靶，利用强激光脉冲与其作用后，能够获得可适用于医疗应用的高品质离子束/质子束。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于产生离子加速的激光靶，基于强激光与固体靶作用在靶背面形成鞘层静电场来加速鞘层场中的离子/质子的加速原理，优化了靶前表面和后表面的结构，进一步提高了激光靶的加速性能，利用拍瓦级强激光脉冲与其作用可以获得适用于医疗应用的高品质离子束/质子束。