激光驱动离子束的激光激活磁场操纵制造技术

公开了用于产生带电粒子的脉冲的系统，其包括发射激光脉冲的高强度脉冲激光器，激光脉冲当撞击目标时，产生带电粒子的脉冲。粒子穿过由包括光激活开关的低电感电流馈电器通电的电磁体，以接通和断开通电电流。激光脉冲的光的部分被引导到光激活开关上，使得磁场与带电粒子的所产生的脉冲光学地同步。这使只在脉冲通过期间使磁体通电变得可能，使得它比使用CW电磁体的现有技术系统更轻和更能量有效。同步还通过对磁场的激活定时来使得其偏转到只有具有预定能量范围的粒子的选定波束路径中，从而实现具有预定范围的粒子能量的带电粒子的选择。

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2013年1月31日，名称为“激光驱动离子束的激光激活磁场操纵”，申请号为201380012167.3的专利技术专利申请的分案申请。专利
本专利技术涉及激光驱动快离子和带电粒子束操纵(尤其是使用激光激活磁场)的领域。专利技术背景快离子束对各种应用——包括放射性同位素的产生、中子产生、射线照相术、聚变和各种形式的放射疗法——是有益的。快离子束一般在各种配置的加速器例如回旋加速器或同步加速器中产生。加速器是运行和维护起来昂贵的相对大和费钱的机器。能够提供极高强度和电场的极短脉冲激光器的发展刺激在使物质暴露于激光电场以从其产生快离子中的研究。在基于激光的加速器中，高强度激光束聚焦在包含被加速的离子的元素的目标上，激光器与目标交互作用，使它离子化并使离子加速。很多论文和专利文件描述了使用激光器来提供相对廉价的快离子源的这样的方法。例如，T.Tajima的“Laserdrivenionaccelerator”的US6906338描述了使用被聚焦到在大约1018到1023W/cm2之间的能量密度以产生可用于医疗目的的高通量的高能离子(例如质子)的“具有在大约1到500飞秒(fs)之间的脉冲长度”的激光脉冲。脉冲贯注于与各种设计的目标交互作用，并提供辐射分量，其“包括不同种类的离子(例如质子)、x射线、电子、脉冲102的残余部分以及不同的能量分量(例如在某个能带或窗口内的MeV、10'sMeV和100'sMeV)”。本申请的一些专利技术人的国际专利申请No.WO2010/070648“ASystemforFastIonsGenerationandaMethodThereof”描述了用于产生快离子束的系统和方法。系统包括：目标基底，其具有图案化表面，图案包括实质上均匀地沿着公共轴定向的纳米级图案特征；以及光束单元，其适合于接收高功率相干电磁辐射束并将它聚焦到目标基底的所述图案化表面上以引起在所述辐射束和所述基底之间的交互作用，实现快离子的产生。在WO2010/070648的背景和一般描述章节中引用了其它论文。一旦产生快离子的这样的高能波束，就必须从它选择要使用那些离子执行的处置所需的期望能量范围的离子，并且也使波束指向由波束处置的体积。波束可被聚焦并通过磁场的使用来引导，但由于使高能离子束转向(divert)所需的非常高的磁场，常规电磁体非常重、昂贵并需要相当多的能量，以便产生所需的场。因此需要用于产生在引导高能离子束并使高能离子束成形时使用的高磁场并用于波束能量范围选择的系统和方法，该系统和方法克服了现有系统和方法的至少一些缺点。在本章节中和说明书的其它章节中提到的每个公布物的公开特此通过引用被全部并入。
技术实现思路
本公开描述了用于产生高能带电粒子的脉冲流并用于使用与带电粒子的脉冲同步的脉冲磁场通过光耦合在空间上和在能量方面操纵那些带电粒子的新的示例性系统。这在本公开中被称为“光学同步”。在这样的系统中，可通过使高强度脉冲激光束撞击到适当的目标上来产生带电粒子的脉冲。因为带电粒子的这些脉冲的时间长度小于1皮秒，连续通电的电磁体的使用是不利的，在能量上是非常低效的。为了利用带电粒子脉冲的时间特征，粒子穿过由包括光激活开关的电流馈电器供电的电磁体，以使供电电流与激光脉冲光学同步地并因此与带电粒子脉冲同步地接通和断开。电磁体和电流馈电器都应具有非常低的电感，使得磁场可以在短至纳秒或数百或甚至数十皮秒的时间内以高速切换。电流馈电器可有利地被构造在传输线(例如带状线)中，电磁体本身是单匝、在带状线的端部上的短路线或在接近在带状线的端部上的短路线的带状导体之间的电介质上的孔。激光脉冲的光的部分例如通过使用分束器而分离，并被引导到光激活开关上，使得磁场可与激光脉冲同步地并因此与带电粒子的所产生的脉冲同步地接通和断开。因为用于产生脉冲磁场的电磁体需要仅在带电粒子通过期间被通电，平均功率耗散很低，使得本申请的系统实质上比使用可能需要连续地或至少在实质上比脉冲长度更长的时间期间保持被通电的电磁体的现有系统更小、更轻和更有能量效率。同步化通过磁场的定时激活而实现对具有预定范围的粒子能量的带电粒子的选择，使得它在穿过场的脉冲粒子的飞行时间期间被操作以仅使具有所需能量范围的粒子转向到选定束路径中。这可通过在具有期望能量范围的带电粒子的脉冲的那部分的通过的持续时间期间施加磁场或通过在粒子的期望能量范围开始时施加第一磁场以使脉冲转向并在粒子的期望能量范围结束时施加具有相等但相反方向的强度的第二磁场以停止脉冲的转向来实现。这个实施方式使更准确的能量选择能够实现，如在下文中将进一步详述的。因此根据在本公开中描述的设备的示例性实施方式提供了用于产生带电粒子的脉冲的系统，其包括：(i)脉冲激光源，其发射激光脉冲，(ii)目标，其适合于在被激光脉冲撞击时产生带电粒子的脉冲，(iii)电流馈电组件，其适合于将电流供应到至少一个电磁体，所述电磁体定位成使得它的磁场指向带电粒子的至少一个脉冲的至少部分，电流馈电组件包括光激活开关，当光照落在光激活开关上时，光激活开关使电流能够流到至少一个电磁体，以及(iv)控制系统，其适合于将从激光脉冲得到的光照引导到光激活开关上，使得电磁体与带电粒子的脉冲的产生同步地被通电。在这样的系统中，电流馈电组件可包括带状线，带状线包括由介电材料隔开的一对平行布置的导体带。此外，电磁体可包括连接到电流馈电组件的单个回路或在电流馈电组件的端部处的短路线或在接近在电流馈电组件的端部处的短路线的介电材料中形成的孔。额外的实施方式可包括如上所述的系统，其中磁场适合于通过下列操作中的任一个引导带电粒子的至少一个脉冲的至少部分：扫描、偏转(deflect)或操纵带电粒子束。带电粒子的至少一个脉冲的至少部分可包括至少一个脉冲的全部，或它可以是具有粒子能量的预选范围的一部分。在后一情况下，控制系统应配置成只在具有预选范围的粒子能量的至少一个脉冲的至少一部分横穿电磁体时将从激光脉冲得到的光照引导到光激活开关上。此外，电磁体应位于离目标一段距离处，使得在至少一个脉冲中的粒子的能量分散是足以使得可通过电流馈电组件和至少一个电磁体的响应时间来在时间上(temporally)分解预选范围的粒子能量。最后，在上述系统中的任一个中，控制系统可包括适合于控制从激光脉冲得到的光照施加到光激活开关时的时间的光延迟元件。另一示例性实施方式可涉及产生带电粒子的脉冲的方法，其包括：(i)将激光脉冲投影到适合于在被激光脉冲撞击时产生带电粒子的脉冲的目标上，(ii)借助于由电流通电的电磁体产生脉冲磁场，电磁体定位成引导带电粒子的至少一个脉冲的至少部分，(iii)借助于光激活开关来切换电流，以及(iv)使用从激光脉冲得到的光来照射光激活开关，使得脉冲磁场与带电粒子的脉冲的产生同步地被启动。在这样的方法中，带电粒子的至少一个脉冲的至少部分的引导可包括下列操作中的任一个：扫描、转向或操纵带电粒子束。此外，脉冲磁场可被激活来引导带电粒子的至少一个脉冲的全部，或它可被激活来引导带电粒子的至少一个脉冲的至少一部分。在后一情况下，带电粒子的至少一个脉冲的至少一部分可以是具有预选范围的粒子能量的一部分，且脉冲磁场可接着将具有预选范围的粒子能量的粒子引导远离在至少一个脉冲中的其本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于从具有一能量范围的带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的系统，所述系统包括：第一电磁体和第二电磁体，其相互接近使得当所述第一电磁体和所述第二电磁体中的任一个被激活时所述带电粒子从其原始路径转向；以及控制系统，其适合于当期望开始对处于所述预定能量范围的一端的带电粒子的所述脉冲进行转向时激活所述第一电磁体以产生用于开始的第一磁场脉冲，并当期望终止对处于所述预定能量范围的另一端的所述带电粒子进行转向时激活所述第二电磁体以产生在相反方向上的第二磁场脉冲。

【技术特征摘要】
2012.01.31 US 61/593,0331.一种用于从具有一能量范围的带电粒子的脉冲选择具有预定能量范围的带电粒子的系统，所述系统包括：第一电磁体和第二电磁体，其相互接近使得当所述第一电磁体和所述第二电磁体中的任一个被激活时所述带电粒子从其原始路径转向；以及控制系统，其适合于当期望开始对处于所述预定能量范围的一端的带电粒子的所述脉冲进行转向时激活所述第一电磁体以产生用于开始的第一磁场脉冲，并当期望终止对处于所述预定能量范围的另一端的所述带电粒子进行转向时激活所述第二电磁体以产生在相反方向上的第二磁场脉冲。2.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述第一磁场脉冲和所述第二磁场脉冲的前沿限定的时间来描画所述预定能量范围的轮廓。3.根据权利要求1所述的系统，其中，由激光脉冲在目标上的撞击产生带电粒子的所述脉冲，所述系统还包括光控制开关，所述光控制开关用于...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·G·纳胡姆，S·艾森曼，A·齐格勒，S·布林克达南，Y·卡齐尔，
申请(专利权)人：希尔应用医学有限公司，
类型：发明
国别省市：以色列;IL