[发明专利]一种光阳极质子源

说明书

技术领域

 本发明属于激光等离子体领域，具体涉及一种光阳极质子源。用于高分辨质子照相，质子诊疗，高能量密度物质的产生，以及作为高能质子加速器的注入器。

背景技术

传统质子直线加速器具有体积庞大，结构复杂等特点，包括注入器，低能束流输运系统以及从低能到高能的一套完整的加速结构。传统质子直线加速器的注入器通常采用倍压加速器，它由高压发生器、加速管、粒子源三部分组成，可以产生几十keV的低能质子束流。产生的低能束流需要经过一段复杂的低能束流输运系统进行整形、聚焦、聚束，使它达到直线加速器入口处时满足相空间匹配要求。满足这样条件的质子束被注入到直线加速器结构中，并进行进一步加速。根据质子能量的不同，在进一步的加速中，也需要采取不同的加速结构。对于低能质子使用高频四极子（RFQ）可以实现加速和足够的聚焦。注入器产生的几十keV的质子束输入到RFQ，可以加速到几百keV到1 MeV。然后把加速得到的MeV质子注入到漂移管型直线加速器（DTL）进行进一步加速，该结构可以加速质子到10 MeV。再注入到腔耦合直线加速器（CCL）加速结构中获得100MeV以上能量的质子。RFQ-DTL-CCL构成了质子直线加速器从低能到高能的一套完整的加速结构。这就是传统直线加速器的基本布局。

    2000年左右，国际上就开展了激光加速质子束的研究，使用超强激光与固体薄膜靶相互作用，可以产生10 MeV以上连续谱质子束，并且具有高亮度，低发射度，源尺寸小，脉宽短等特点，其横向发射度小于0.004 mm mrad，纵向发射度小于0.0001 eV s，尺寸小于15μm，脉宽ps量级。但同时具有发散角大，能谱宽，稳定性差等问题。为了解决这些问题，人们开展了许多研究。在角分布优化方面，包括使用弯曲形状靶对质子束进行聚焦；使用双光束打靶，一束光用于产生质子，另一束光用于产生聚焦电场对质子束发散角进行调整；使用微型四极铁以及螺线管结构对质子束进行聚焦。在能谱优化方面，包括使用微结构靶产生准单能质子束或使用RF腔对质子能谱进行调制。目前这些都还只是初步研究。

发明内容

为了克服已有技术中激光加速质子束发散角大、能谱宽、稳定性差的不足，以及传统质子加速器体积庞大、结构复杂的问题，本发明提供了一种光阳极质子源。

本发明将激光质子加速和传统加速技术结合起来，获取性能稳定的准直准单能质子束的方法，即所述的光阳极质子源。获得的质子源可以用于高分辨质子照相，质子诊疗，高能量密度物质的产生，以及作为高能质子加速器的注入器。

   本发明的光阳极质子源，其特点是，所述的光阳极质子源包括TW级激光器和真空靶室，所述真空靶室设置有窗口，真空靶室内放置有平面反射镜、离轴抛面反射聚焦镜、富氢磁带靶组件、螺线管、RF腔和选能系统。TW级激光器发射的红外激光束穿过真空靶室的窗口射到位于真空靶室内的平面反射镜上；由平面反射镜反射的激光束射在离轴抛面反射聚焦镜上。所述的富氢磁带靶组件含有带状富氢金属薄膜靶、从动轮、主动轮，带状富氢金属薄膜靶靶面位于离轴抛面反射聚焦镜的焦点处；带状富氢金属薄膜靶由从动轮卷起，由主动轮以一定速度拖动，满足激光每次打在带状富氢金属薄膜靶的新位置上。所述的螺线管放置在离带状富氢金属薄膜靶靶面下游位置，螺线管轴向垂直于离带状富氢金属薄膜靶靶平面，用于收集几乎全部激光产生的质子，并对一个能量附近的质子束实现准直。所述的RF腔具有两个加速间隙, RF腔位于螺线管之后，RF腔的轴线与螺线管的轴线重合；通过调节RF腔的相位, 使得准直后的质子束获得能量调制，产生准单能质子峰。所述的选能系统包括第一狭缝、弯铁、第二狭缝，用于实现对一个单能峰的选能。其中第一狭缝垂直于RF腔轴线，经过RF腔调制后的的质子束通过第一狭缝进行限束，再经弯铁偏转,不同能量质子偏转半径不同，在弯铁出口处设置平行于弯铁的第二狭缝,用于经RF腔调制产生的某个单能峰质子通过第二狭缝，产生稳定的准直准单能质子束。

所述的螺线管放置在离带状富氢金属薄膜靶靶面下游8-12mm的位置。

所述的TW级激光器具有10 Hz的重复频率，激光焦斑被离轴抛面反射镜聚焦到10微米量级尺寸。

所述的螺线管具有8.6 T的磁场强度，螺线管电流采用脉冲型，其电源触发信号通过TW级激光器提供。满足质子束产生严格同步的要求；

所述的RF腔中的两个加速间隙宽度均为1.8-2.2cm，加速电压为3-5 MV/m, 射频频率为210 MHz。