用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置。
[0002]更具体地，本发明涉及一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置，该装置包括真空腔室，在真空腔室中放置有靶，该靶在其与激光脉冲相互作用的期间能够产生激光等离子体；以及绕组，所述绕组能够被供电，以在所述激光等离子体中产生脉冲磁场。
【背景技术】
[0003]现有技术中已知的是，高功率激光脉冲与固体靶或气体靶之间的相互作用允许产生等离子体，该等离子体通常被称为激光等离子体。该等离子体的产生伴随有强烈的带电粒子束的发出。
[0004]这种束具有多种应用，例如在物理效应的探测中、在惯性聚变中或者甚至在强辐射的产生中。
[0005]为了产生激光等离子体，激光脉冲必须具有高强度并且被聚焦在靶上的横向小尺寸的焦点上。因此，需要提供真空腔室，至少在激光脉冲的末端(terminal leg)中，高强度和横向小尺寸的脉冲趋向于使位于其路径上的任何气体(尤其是周围空气)离子化，导致对激光光学器件的损害、来自激光脉冲的功率的损失以及在附近存在的人员受到伤害的风险。
[0006]这些强烈的带电粒子束通常是高度发散的并且期望的是能够在上述应用中将它们聚焦。
[0007]已知的是，在激光等离子体中产生高强度脉冲磁场允许改善带电粒子束的聚焦，然后带电粒子受到围绕磁场线的旋转运动，该运动通常是以拉莫尔半径为特征。
[0008]由 0.V.Gotchev 等人发表的文献“Laser-driven Magnetic-Flux Compress1nin High-Energy-Density Plasmas (在高能量密度的等离子体中的激光驱动的磁通量压缩)”(物理评论快报(Physical Review Letters)，215004期第103卷)描述了一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的示例性装置，其包括放置在真空腔室中、在靶的任一侧上且非常紧密地接近于靶的线圈，因此，当足够大的电流(大约80kA)流动穿过线圈时，该线圈适合于在革E中产生5特斯拉到9特斯拉的磁场。
[0009]这种装置有若干的缺点。
[0010]由电流穿过线圈的流动所产生的热量导致了线圈的毁坏，因此每次发射激光时有必要更换线圈。因此发射激光的速度被降低。
[0011]线圈的毁坏可能损害用于聚焦激光脉冲的光学器件，光学器件本身也通常被放置在真空腔室中，并且至少意味着真空腔室的频繁清洁。
[0012]由于瞬时的磁场通过测量流动穿过线圈的电流、然后通过应用考虑线圈的几何结构的计算来确定，因此线圈因产生磁场而逐渐毁坏使得磁场的计算不可靠，这是因为线圈的几何结构随时间以难以预测的方式改变。
[0013]脉冲磁场的最长的持续时间和最大的强度被线圈的毁坏所限制，并且利用这种装置难以产生高于10特斯拉且大于300纳秒的脉冲磁场。
[0014]流动穿过线圈的高电流意味着，必须使用特别设计用于真空的电导线(“真空引线(vacuum feedthrough) ”)，以防止线圈的电能在真空腔室中产生电弧。
[0015]因此，需要一种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置，该装置至少解决了一些上述问题。
【发明内容】
[0016]为此，根据本发明，这种用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置的特征在于，绕组被放置在容纳冷却流体的再凹入腔室(re-entrant chamber)中。
[0017]由于这些布置，用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置可以产生高于10特斯拉、范围达40特斯拉及以上、具有大于300纳秒的持续时间的脉冲磁场，从而允许带电粒子束被更好地聚焦。另外，该聚焦还可以很长时间地保持稳定。
[0018]由于在激光的每一次发射之后不再需要改变绕组的元件，因而激光的发射速度得以提尚。
[0019]对光学器件、腔室的元件和人员的损害风险得以降低。
[0020]在激光等离子体中所产生的磁场是可以确定的并被精确且可靠地控制。
[0021]不必使用专门的真空导线来向绕组供电。
[0022]在本发明的优选实施方式中，还可以可选地依靠以下布置的一者和/或其它:
[0023]-所述再凹入腔室包括轴向真空导通导管，所述轴向真空导通导管包括两个轴向端部，所述轴向端部的每一者与所述真空腔室连通；
[0024]-所述绕组包括环绕所述轴向真空导通导管的至少一个线圈；
[0025]-所述绕组包括环绕所述轴向真空导通导管的两个线圈，所述线圈由中央板分开；
[0026]-所述再凹入腔室还包括至少一个径向真空导通导管，所述径向真空导通导管包括两个径向端部，所述径向端部的每一者与所述真空腔室连通；
[0027]-所述径向真空导通导管位于将所述两个线圈分开的所述中央板中；
[0028]-所述靶基本上被放置在所述绕组的中间；
[0029]-所述靶基本上被放置在所述绕组的一个端部处；
[0030]-所述冷却流体为气体或低温流体，尤其是液氮或液氦；
[0031]-所述再凹入腔室包括弱导电耐真空材料(weaklyconductivevacuum-resistant material)，尤其是不锈钢；
[0032]-所述脉冲磁场为磁场强度高于几特斯拉的磁场，优选地高于大约10特斯拉，并且优选地高于40特斯拉；
[0033]-所述装置还包括用于发出激光脉冲的激光源，所述激光脉冲能够与所述靶相互作用，以产生所述激光等离子体，并且所述激光脉冲具有基本上包括在1吉瓦与1拍瓦之间、尤其是在1太瓦与大约100太瓦之间的功率；
[0034]-所述激光脉冲具有基本上包括在大约10飞秒与大约10纳秒之间、尤其是在大约10飞秒与大约10皮秒之间的持续时间。
【附图说明】
[0035]本发明的其它特征和优点从其以下以非限制示例的方式给出并关于附图的多个实施方式的描述将变得显而易见，其中:
[0036]图1和图2为根据本发明的一个实施方式的装置的正视图和侧视图的示意性图示;
[0037]图3为根据本发明的另一个实施方式的装置的示意性图示；以及
[0038]图4为根据本发明的又一个实施方式的装置的示意性图示。
[0039]在不同的附图中，相同或类似的元件用相同的附图标记指出。
【具体实施方式】
[0040]图1至图4示出了根据本发明的一个实施方式的用于利用脉冲磁场来磁化激光等离子体的装置1。
[0041]这种装置1包括激光源2。该激光源2能够发出激光脉冲3，例如如下详细所述，当激光脉冲聚焦到小尺寸的焦点中时，该激光脉冲3具有包括在每平方厘米1吉瓦与1拍瓦之间(取决于脉冲是短的还是长的)，尤其是在1太瓦与大约100太瓦之间的高功率。
[0042]该激光脉冲3具有基本上包括在大于10飞秒与大约10纳秒之间的持续时间。例如，激光脉冲可以具有几焦耳的能量和几纳秒的持续时间。
[0043]在其它的实施方式中，激光脉冲的强度可以更低，例如几毫焦耳，并且激光脉冲的持续时间也可以更短，例如几飞秒。
[0044]激光源2可以包括一个或多个激光振荡器和光学元件27，光学元件27例如为透镜、水晶和/或光栅。
[0045]激光脉冲3在传播方向X上传播。
[0046]装置1包括真空腔室4，靶5被放置在真空腔室4中，靶5在激光脉冲3与其相互作用的期间能够产生激光等离子体6。
[0047]靶5可以是固体靶、液体靶或气体靶，例如在由T.Toncian等人发表且在本文中中弓I 用的参考文南犬“Ultrafast laser-driven microlens to focus and energy-selectmega-electron volt protons (超快速激光驱动的显微镜头来聚焦并能量选择兆电子伏特质子)”(SCIENCE (科学)，2006年4月21日213卷)中所描述的15微米厚度的铝薄膜。
[0048]它可以基本上在延伸平面YZ(例如垂直于传播方向X的平面)中延伸。
[0049]脉冲3与靶5之间的相互作用可以通过借助于光学聚焦装置将所述脉冲至少部分地聚焦到革Ε 5的前侧上，并进入到例如大约6微米的半高全宽(full-width at halfmaximum, FffHM)强度的小尺寸的焦点中来实现。
[0050]激光脉冲3通过使位于焦点中的靶原子离子化来在靶的前侧上生成激光等离子体6。
[0051]激光脉冲3加热靶5，并将大量的热能传递给所述靶的电子，大量的热能可以使一些所述电子穿过靶并经由后侧从此处逸出，所述后侧为靶的在靶在厚度方向X’上与前侧相对的一侧，所述厚度方向X’例如基本上垂直于靶的延伸平面YZ。
[0052]在一个实施方式中，靶5的厚度方向X’与激光脉冲的传播方向X可以基本上共线。
[0053]在另一个实施方式中，激光的传播方向X将可能例如以45°或更大角度地倾斜于靶的厚度方向X’。
[0054]因此，激光脉冲3产生电子穿过靶5的厚度的运动，该运动形成基本上在靶5的厚度方向X’上进行移动的电子束。
[0055]通过在后侧上延伸出靶，这些电子可以在所述后侧上生成高电场，大约1太伏特/米。
[0056]尤其是，这些电场可以强到足以从后侧撕下离子(例如在相对的表面上困住的杂质)，从而生成带电粒子束7。
[0057]例如，所述带电粒子(通常有大约几微微库伦(picocoulomb)到几奈库伦(nanocoulomb)的电荷)的能量可以高达60兆电子伏特到100兆电子伏特，例如，用量可以为大约10~11粒子/脉冲到10~13粒