[发明专利]基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法，它可以作为高性能伽马射线源应用于高能量密度物理，材料状态检测以及癌症治疗等领域。

背景技术

紧聚焦短脉冲高能电子束与高Z金属材料相互作用可以产生脉冲式伽马射线源，这种源具有空间尺寸小(约数十微米)、发散度小(毫弧度量级)、能量高(光子能量可达MeV)等优点，因而在以下方面有十分巨大的应用前景：1)正电子产生；2)高Z元素金属材料照相，探测高Z材料内部特性。这种新型超快紧聚焦脉冲式伽马射线源研究引起了世界各国科学家的极大兴趣。

一般认为，超强激光与近临界密度等离子体相互作用可以产生大电荷量的高能电子束。将激光与近临界密度等离子体所产生的电子束注入到高Z金属转换体中，从而产生高亮度的伽马射线源。

在先技术[1]：采用经过特殊设计的小尺寸超声速喷嘴喷气可以产生近临界密度等离子体。例如，对于直径0.5毫米的喷嘴，当气体的背压为300-400bar时，喷出的氦气密度为10²¹/cm³，全离化后相应的等离子体密度为2×10²⁰/cm³。小尺寸超声速喷嘴喷出氦气全电离后的等离子体密度接近临界密度。该喷嘴可以安全地工作在高真空环境下，不会给涡轮分子泵太高的负载以免损坏涡轮分子泵。喷嘴产生的临界密度等离子体的密度比较均匀，但是也有几个明显缺点，主要是喷嘴等配气结构复杂，系统庞大，不利于某些场合的应用。此外，即使是小尺寸喷嘴，形成的近临界密度等离子体的尺寸仍然较大，为数毫米。法国科学家Y.Glinec等人将脉冲宽度30fs，能量为1.3J的激光入射到3mm超声速喷气靶上(全离化后的等离子体密度为7.5×10¹⁸/cm³)，焦斑大小为18μm，获得了电荷量为1.6nC(能量大于2MeV)的高能电子束，将其注入到厚度为2.5mm的钽柱中，钽柱放置在喷嘴后3mm处。最终获得的最大光子能量可超过140MeV。

在先技术[2]：通过调节预脉冲或者自发放大辐射的参数来进行控制等离子体自身膨胀的方式也可以产生具有一定密度梯度标长的近临界密度等离子体。Yogo等人证明采用调整普克尔盒的方式调整自发放大辐射持续时间范围0.5-5ns可以产生近临界密度等离子体。例如，激光功率密度为1.5×10¹⁹W/cm²，主脉冲前10ps处的自发放大辐射强度对比度为2×10⁵时，自发放大辐射入射到7.5μm厚的聚酰亚胺薄膜上可产生最高密度2×10²²/cm³的等离子体。美国劳伦斯利弗莫尔实验室的陈慧，使用功率密度为10¹²-10¹⁴W/cm²预脉冲直接作用在1mm厚的金盘靶上，实验中产生了标尺长度20-50μm的预等离子体。激光主脉冲和其相互作用后的高能电子进入金盘靶内部后，最终产生能量为数十MeV的伽马光子。不过，这一技术所产生的等离子体密度仍然偏高，密度为临界密度的10倍左右，不利于产生空间发散角小的高能电子束，也就不利于控制伽马射线源的空间尺寸。

在先技术[3]：采用ns长脉冲烧蚀块状泡沫。一般采用的是2倍频或者3倍频ns钕玻璃激光来烧蚀块状泡沫材料以产生近临界等离子体。例如采用多束经过KPP束匀滑的三倍频激光入射C₁₅H₂₀O₆泡沫中，泡沫靶的直径为2.5mm，长度为500μm。平均每束激光能量在200-400J，脉冲长度为3ns，根据局域热平衡模型(LTE)获得的等离子体电子温度在1.3keV左右。对于ns长脉冲烧蚀块状泡沫的方式，光束的口径较大，因而所需的ns激光能量仍然较大。

上述三种在先技术所形成的近临界密度等离子体不是尺寸过大，就是密度过高，不利于激光在其中的稳定传输，进而导致不利于产生高亮度紧聚焦短脉冲伽马射线源。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于微尺寸近临界密度等离子体的伽马射线源及产生方法。

本发明通过以下技术方案实现：