基于激光加速器的中微子束产生装置
阅读说明：本技术 基于激光加速器的中微子束产生装置 (Neutron beam generating device based on laser accelerator ) 是由 李儒新 张辉 李顺 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：一种基于激光加速器的中微子束产生装置,包括激光器、反射镜、离轴抛物面镜、加速靶、转化靶、电动平移台和真空室。本发明首先利用激光聚焦系统对激光脉冲进行聚焦提高激光光强,然后将聚焦后的强激光与加速靶相互作用获得质子束,最后利用质子束与转化靶相互作用产生中微子束。本发明具有小型化、变向灵活、能量可控、成本低等特点。(A neutron beam generation device based on a laser accelerator comprises a laser, a reflector, an off-axis parabolic mirror, an acceleration target, a conversion target, an electric translation table and a vacuum chamber. The invention firstly utilizes a laser focusing system to focus laser pulses to improve the laser intensity, then the focused strong laser interacts with an accelerating target to obtain a proton beam, and finally the proton beam interacts with a conversion target to generate a neutron beam. The invention has the characteristics of miniaturization, flexible direction change, controllable energy, low cost and the like.)
技术领域
本发明涉及离子加速
技术领域
和核物理领域，尤其涉及一种基于激光加速器的中微子束产生装置。背景技术
中微子与物质相互作用很小，在穿过物质时损失的能量很少，可以穿透地球，因此可以用作中微子通讯，实现在地球两点任意联系等。中微子通讯可以冲破水下和地下这两个电磁波通讯无法冲破的禁区，实现全球通信，由于不易截获，几乎无衰减，而且不怕外界干扰，因此中微子通讯在国家安全和民用需求方面具有广泛的应用前景。中微子广泛应用的前提是能够获得能量可控、高通量的中微子源，由宇宙射线产生的中微子源能量极高而且通量有限，难以对其进行捕获应用。目前，获得中微子束源主要的方法是利用高能质子与物质相互作用产生，质子与核子碰撞产生π介子，π介子衰变产生中微子(详见SachaE.Kopp,Accelerator neutrino beams.Physics Reports,2007.439(3):p.101-159.)。这种方法对质子束的品质要求很高，常规大量产生这类高能质子束是采用传统的射频加速器。然而传统的离子加速器加速梯度低，建造成本高，体积大，运行和维护费用高。我国兰州近物所的重离子加速器的造价在几亿人民币以上，现已投入运行的德国GSI等大型离子加速器的造价更是在10亿欧元。同时，在中微子通讯实际应用中，需要中微子束的传输方向根据接收信号的目标位置进行实时的变化，而这在传统加速器上是无法实现的，因为传统加速器是利用磁铁来控制质子束流的传输，质子束流的方向和位置很难进行改变。此外，对于一个已经建造好的传统加速器，其质子能量是单一的能量，并且基本无法改变，因此产生的对应中微子能量也是固定的，对于一些需要不同能量的中微子的应用需求无法满足。综上所述，传统射频加速器驱动产生的中微子束源在实际应用中有很大的限制。
近年来，随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的发展，激光器能产生飞秒量级的超短强激光脉冲，激光功率已经能够达到10PW，激光光强能达到甚至超过1022W/cm2，使超短强激光脉冲与物质(气体、固体和团簇)相互作用加速质子成为了人们关注的重点(详见Zhen Guo,etal.,Improvement of the focusing ability by double deformable mirrors for 10-PW Ti:sapphire chirped pulse amplification laser system.Optics Express,2018.26(20):p.26776-26786.)。相比于传统加速器，基于强激光与等离子体相互作用的质子加速器的加速梯度能提高4-5个数量级，有望实现加速装置的台式化、小型化，将大大降低加速器的建造费用。其质子源的束流品质可以比拟传统加速，能够用来进一步产生中微子等新型的粒子束。
发明内容
本发明的主要目的是为了克服现有技术的不足，提供一种基于激光加速器的中微子束产生装置。该发明具有小型化、变向灵活、能量可控、成本低等特点。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于激光加速器的中微子束产生装置，其特点在于，该装置包括激光器、反射镜、离轴抛物面镜、加速靶、转化靶、电动平移台和真空室：沿所述的激光器输出的激光脉冲方向依次是所述的反射镜、离轴抛物面镜、加速靶、转化靶，所述的离轴抛物面镜、加速靶、转化靶置于所述的电动平移台上，所述的加速靶位于所述的离轴抛物面镜的焦平面，所述的反射镜、离轴抛物面镜、加速靶、转化靶、电动平移台置于所述的真空室内，利用聚焦后的激光脉冲与所述的加速靶相互作用输出加速质子束；利用所述的质子束与所述的转化靶相互作用产生中微子束。
所述的激光脉冲传输方向的改变是通过调节反射镜的角度来实现的，且反射镜的角度调节是电动调节。
所述的激光脉冲的脉宽范围是15飞秒-500飞秒，聚焦后的光强范围是1018W/cm2-1023W/cm2。
所述的加速靶为富含有氢元素的固体薄膜或气体，用于产生并加速质子束。
所述的固体薄膜的厚度范围是1纳米-10000纳米。
所述的气体的密度大于临界密度ncr＝1×1021/cm3。
所述的质子束的能量范围是0.3GeV-100GeV。
所述的转化靶为碳、铍、铝、铜、金、银或铅制成的固体柱。
本发明有以下几个方面的优点：
1、小型化：激光加速质子仅涉及到激光器、反射镜、离轴抛物面镜和加速靶等部件，相比与传统的射频加速器，本发明做到了很大精简，可以实现装置小型化。
2、变向灵活：通过调节激光脉冲传输方向来控制产生质子束的方向，最终控制中微子束的发射方向，以光学的方法来实现中微子束的灵活变向，将有助于本发明应用于中微子通讯等领域。
3、能量可控：通过改变激光脉冲的参数(能量、脉宽和光强)和加速靶的参数，可以实时控制加速质子束的能量，最终控制产生的中微子束的能量，满足不同环境下中微子通讯的应用需求。
4、成本低：激光加速质子的加速梯度是传统加速器的4-5个数量级，质子束可以在很短的距离获得很大的能量，可在台面尺度系统内产生中微子束，建造费用和维护费用将会大大降低。
附图说明
图1为本发明基于激光加速器的中微子产生装置的结构示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
参见图1，图1为本发明基于激光加速器的中微子产生装置的结构示意图。由图可见，本发明基于激光加速器的中微子束产生装置，包括激光器1、反射镜2、离轴抛物面镜3、加速靶4、转化靶5、电动平移台6和真空室7：沿所述的激光器1输出的激光脉冲101方向依次是所述的反射镜2、离轴抛物面镜3、加速靶4、转化靶5，所述的离轴抛物面镜3、加速靶4、转化靶5置于所述的电动平移台6上，所述的加速靶4位于所述的离轴抛物面镜3的焦平面，所述的反射镜2、离轴抛物面镜3、加速靶4、转化靶5、电动平移台6置于所述的真空室7内，利用聚焦后的激光脉冲101所述的加速靶4相互作用输出加速质子束401；利用所述的质子束401与所述的转化靶5相互作用产生中微子束501。
所述的激光脉冲101传输方向的改变是通过调节反射镜2的角度来实现的，且反射镜2的角度调节是电动调节。
所述的激光脉冲101的脉宽范围是15飞秒-500飞秒，聚焦后的光强范围是1018W/cm2-1023W/cm2。
所述的加速靶4为富含有氢元素的固体薄膜或气体，用于产生并加速质子束。
所述的固体薄膜的厚度范围是1纳米-10000纳米。
所述的气体的密度大于临界密度ncr＝1×1021/cm3。
所述的质子束401的能量范围是0.3GeV-100GeV。
所述的转化靶5为碳、铍、铝、铜、金、银或铅制成的固体柱。
实施例的参数如下：
所述的激光器1的参数是：中心波长是800纳米，光谱半高全宽是90纳米，脉冲宽度是30飞秒，激光的最大能量是300焦，光束直径是500毫米。真空室7是真空状态。根据中微子束流出射的方向要求，电动调节反射镜2的角度改变激光脉冲101的传输方向，随之调节电动平移台6的位置，保证激光脉冲入射到离轴抛物面镜3的方向不变，电动装置调节完成后断电锁死，保证器件的位置不变，完成中微子束的出射方向调节。激光脉冲101经反射镜2反射后，被所述的离轴抛物面镜3聚焦。该离轴抛物面镜3的焦距是1000毫米，激光聚焦焦斑直径的半高全宽是5微米，能量集中度为35％，焦点处的激光光强是1.8×1022W/cm2，对应的归一化矢势振幅大小为64。离轴抛物面镜3的焦点在加速靶4的前表面，入射方向为靶表面法线方向，所述的加速靶4是高密度的含氢固体薄膜靶，厚度为54纳米，密度是300ncr。在激光光压的作用下，加速靶4作为一个整体被持续加速，在这种加速条件下激光能量被有效的传递给氢离子，加速产生的高能质子束401的出射方向为激光传输方向，能量为0.8GeV以上，数量为1×1011个。转化靶5是碳靶，放置加速靶4后面，尺寸为5厘米×5厘米×100厘米，长边平行于激光传输方向。激光加速产生的高能质子束401轰击在转化靶5上，与核子碰撞产生π介子，然后π介子衰变产生中微子束501，最终获得的中微子的平均能量是0.035GeV，数量为1×1010个。
在本实施例中，中微子束501的产生频率是由激光器1的频率来决定的，通过改变激光的频率可以控制中微子的束流强度。
实验表明，本发明具有小型化、变向灵活、能量可控、成本低等特点，可以应用于中微子通讯等领域。
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