一种负氢离子加速系统

技术领域

本发明涉及粒子加速器技术领域，特别是涉及一种负氢离子加速系统。

背景技术

负氢离子加速是指通过电场、电磁场等方式，将低能负氢离子的运动速度进一步提高，获得高能的负氢离子。负氢离子加速器在同步加速器注入器、中性束注入装置、科学研究中广泛应用。负氢离子加速器由于缺乏高梯度加速装置和小型化加速技术，现有装置存在体积重量庞大、造价高等缺点，限制了负氢离子加速器的应用。

目前负氢离子加速的途径主要有基于微波谐振腔型的负氢离子加速器、基于高压型的负氢离子加速器两种。基于微波谐振腔型的负氢离子加速器主要包括负氢离子源、低能传输线、射频四极加速器(RFQ)、漂移管型加速器(DTL)等，利用在高频谐振腔中形成加速场对负氢离子进行加速，这类加速器的加速梯度一般在MV/m，加速器长度在米至数十米范围内，加速重量在数十吨量级。基于高压型的负氢离子加速器主要包括高压电源、加速结构，利用在加速结构中形成的高压电场对负氢离子进行加速，这类加速器由于高压击穿的限制，加速梯度小于MV/m，由于高压结构需要安置在钢桶内，加速器重量达到十几吨。

因此，提供一种小型化、高梯度负氢离子加速装置成为了推动负氢离子加速器应用的关键。

发明内容

本发明的目的是提供一种小型化、高梯度的负氢离子加速系统。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种负氢离子加速系统，包括：离子源、第一激光器、第二激光器、分光单元、反射单元和加速结构单元；

所述离子源用于产生负氢离子，并用于将所述负氢离子射入所述加速结构单元；所述第一激光器和所述第二激光器用于产生用于所述负氢离子加速的激光束；所述分光单元和所述反射单元沿所述激光束出射方向依次布置；所述分光单元对所述激光束进行分光后，所述激光束的一部分先进入所述加速结构单元，所述激光束的另一部分经所述反射单元反射后进入所述加速结构单元。

优选地，所述加速结构单元包括第一加速结构和第二加速结构；

所述分光单元对所述分光速进行分光后，所述激光束的一部分进入所述第一加速结构，以形成第一加速场；所述激光束的另一部分经所述反射单元反射后进入所述第二加速结构，以形成第二加速场。

优选地，所述第一加速场和所述第二加速场均与所述负氢离子的相位匹配。

优选地，所述第一加速结构和第二加速结构均为DLAs加速结构。

优选地，所述DLAs加速结构的材质为二氧化硅或硅。

优选地，所述分光单元包括第一能量分光片和第二能量分光片；

所述第一能量分光片设置在所述第一激光器的激光束的出射方向上；所述第一能量分光片用于对所述第一激光器产生的激光束进行分光处理，使得所述第一激光器产生的激光束的一部分进入所述第一加速结构；

所述第二能量分光片设置在所述第二激光器的激光束的出射方向上；所述第二能量分光片用于对所述第二激光器产生的激光束进行分光处理，使得所述第二激光器产生的激光束的一部分进入所述第一加速结构。

优选地，所述反射单元包括第一反射镜和第二反射镜；

所述第一反射镜设置在所述第一激光器的激光束的出射方向上；所述第一反射镜用于将所述第一能量分光片分光后的激光束的另一部分反射到所述第二加速结构中；

所述第二反射镜设置在所述第二激光器的激光束的出射方向上；所述第二反射镜用于将所述第二能量分光片分光后的激光束的另一部分反射到所述第二加速结构中。

优选地，所述第一激光器的参数和光路设计和所述第二激光器的参数和光路设计相同。

优选地，所述第一激光器和所述第二激光器均为GW量级的激光器。

优选地，所述离子源提供的负氢离子束的重复频率与激光器产生激光束的重复频率相同。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的负氢离子加速系统利用脉冲负氢离子源作为离子源，激光介质加速作为加速结构，完成小型化、高梯度的负氢离子加速设计方法的发明。

以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本申请。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：

图1为本发明提供的负氢离子加速系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的负氢离子在DLAs中的加速示意图。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

如图1所示，本发明提供的负氢离子加速系统，包括：离子源、第一激光器L1、第二激光器L2、分光单元、反射单元和加速结构单元。本发明中采用的离子源优选为脉冲离子源。

离子源用于产生负氢离子，并用于将负氢离子射入加速结构单元，使得负氢离子具有一定动能，为后续加速提供负氢离子。第一激光器L1和第二激光器L2用于产生用于负氢离子加速的激光束。分光单元和反射单元沿激光束出射方向依次布置。分光单元对激光束进行分光后，激光束的一部分先进入加速结构单元，激光束的另一部分经反射单元反射后进入加速结构单元。

其中，为了保证加速场的分布均匀性，两台激光器的参数和光路设计相同。为了减少负氢离子损失，离子源提供的负氢离子束的重复频率与激光器发出的激光束的重复频率相同，以实现加速上的粒子匹配。采用的激光器优选为GW量级，该类激光器能量相对较小，激光器体积可以实现小型化设计，进而实现负氢离子加速器的轻量化、小型化设计目的。

由于负氢离子的初始动能较小，为实现较好的加速匹配，加速结构单元包括第一加速结构A1和第二加速结构A2。分光单元对分光速进行分光后，激光束的一部分进入第一加速结构A1，以形成第一加速场。激光束的另一部分经反射单元反射后进入第二加速结构A2，以形成第二加速场，进而通过在不同加速阶段采用不同加速结构，实现负氢离子的逐级加速。其中，两个加速场建立起的时间有一定时间差。并且，为了提高加速效率，可以满足第一加速场和第二加速场与负氢离子的相位匹配。实现相位匹配的另一种手段就是保证离子源提供的负氢离子到达第一加速结构A1的时间与激光到达第一加速结构A1的时间相同。

其中，第一加速结构A1和第二加速结构A2均为DLAs(介质激光驱动加速技术)加速结构。DLAs加速结构的材质为二氧化硅或硅等，以使得加速结构具有较高的击穿阈值，以在材料表面形成超过1GV/m的电场，形成加速场加速梯度达到几百MV/m。

DLAs加速结构为负氢离子高梯度加速的关键元件，激光在进入介质后在介质表面产生高频加速场，对负氢离子源提供的负氢离子进行加速。负氢离子在DLAs中加速示意图如图2所示，由于负氢离子的初始动能较小，为实现较好的加速匹配，在不同加速阶段采用不同加速结构，对负氢离子逐级加速，以图2所示的加速结构为例，假设加速结构的长度为z、周期长度为d，结构中形成的电场可以表述为：

其中，

则纵向加速电场可以表示为：

其中k

由于激光在加速结构中形成的加速场具有周期性变化的性质，因此，通过优化加速结构的周期长度d和结构中孔径R以及加速结构突出长度L，并且对激光的波前进行倾斜，可以满足加速场与负氢离子的相位匹配，提高加速效率。进一步通过调节激光强度和材料类型，还可以对加速梯度进行调整。在实际应用过程中，加速结构的周期长度d可以依据所产生的粒子能量进行确定。结构中孔径R依据所采用的激光波长确定，例如，孔径R可以确定为一个激光波长或半个激光波长。加速结构突出长度L则可以在进行结构设置之前，依据实际需要进行实验仿真得到。

而采用激光介质加速结构利用激光在介质中的传输建立高梯度加速场，对负氢离子进行加速，突破常规加速器加速梯度低、规模大等瓶颈。

进一步，为了实现不同时间差的离子加速，本发明上述采用的分光单元包括第一能量分光片和第二能量分光片。

第一能量分光片设置在第一激光器L1的激光束的出射方向上。第一能量分光片用于对第一激光器L1产生的激光束进行分光处理，使得第一激光器L1产生的激光束的一部分进入第一加速结构A1。

第二能量分光片设置在第二激光器L2的激光束的出射方向上。第二能量分光片用于对第二激光器L2产生的激光束进行分光处理，使得第二激光器L2产生的激光束的一部分进入第一加速结构A1。

进一步，为了对激光的波前进行倾斜，上述反射单元包括第一反射镜和第二反射镜。

第一反射镜设置在第一激光器L1的激光束的出射方向上。第一反射镜用于将第一能量分光片分光后的激光束的另一部分反射到第二加速结构A2中。

第二反射镜设置在第二激光器L2的激光束的出射方向上。第二反射镜用于将第二能量分光片分光后的激光束的另一部分反射到第二加速结构A2中。

基于上述分光单元和发射单元的具体构成能够得到，能量分光片和反射镜的作用是进行激光能量分配以及激光传输的调整。

下面以一个具体实施实例对本发明提供的负氢离子加速系统的优点进行说明。

基于本发明上述提供的小型化、高梯度负氢离子加速系统的具体结构，其负氢离子加速过程为：

1、负氢离子源产生具有初始动能的负氢离子束；

2、两个激光器分别同时产生亚皮秒量级脉冲宽度激光脉冲；

3、激光脉冲经过延时系统(能量分光片和发射镜)对激光脉冲达到时间进行调整，以使得激光脉冲到达加速介质时间与负氢离子束同步；

4、激光在介质(加速结构)中建立加速场，对负氢离子束进行加速；

5、通过优化后续的激光介质加速结构和激光达到时间，对前级加速结构后的负氢离子束进一步进行加速，最终获得高能负氢离子束流。

本发明上述提供的负氢离子加速系统采取介质激光驱动加速技术(DLAs)，在介质面激励起的高梯度加速场实现对负氢离子加速，利用脉冲长度0.1-1ps、能量在mJ量级的激光器，在介质表面可以激励起百MV/m-GV/m的表面电场，可以大幅度提高加速结构中加速场的加速梯度。由于在该加速器中不使用规模庞大、昂贵的微波功率源，本发明提供的负氢离子加速系统在体积、重量、造价上拥有较大优势。

以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开实施例的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。当用于本申请中时，虽然术语“第一”、“第二”等可能会在本申请中使用以描述各元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。比如，在不改变描述的含义的情况下，第一元件可以叫做第二元件，并且同样第，第二元件可以叫做第一元件，只要所有出现的“第一元件”一致重命名并且所有出现的“第二元件”一致重命名即可。第一元件和第二元件都是元件，但可以不是相同的元件。而且，本申请中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和“”(the)旨在同样包括复数形式。类似地，如在本申请中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本申请中时，术语“包括”(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。

本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。