Fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía y procedimiento de generación de un pulso corto de fotones de alta energía.
Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28), que comprende:
- un sistema láser (10) que produce pulsos láser (12) con una longitud de pulso más corta que 200 fs y capaz de ser enfocado para alcanzar intensidades mayores de 1018 W/cm2;
- una primera diana (18) capaz de liberar un pulso de electrones de alta energía (20) tras la irradiación con al menos uno de dichos pulsos láser (12);
- una segunda diana (22) capaz de liberar un pulso corto de fotones de alta energía (28) al ser golpeada por dicho pulso de electrones de alta energía (20);
caracterizada por que
- el espesor (24) de la segunda diana (22) es menor o igual que una longitud de saturación (26) del endurecimiento del haz de dichos fotones de alta energía (28) en la segunda diana (22), y
- una anchura lateral de la segunda diana (22) es menor que la anchura total a media altura (FWHM) de la anchura lateral de dicho pulso de electrones de alta energía (20) que incide sobre la segunda diana (22).
Tipo: Patente Europea. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: E09290857.
Solicitante: Ecole Polytechnique.
Nacionalidad solicitante: Francia.
Dirección: Route de Saclay 91120 Palaiseau FRANCIA.
Inventor/es: MALKA,VICTOR, FAURE,JEROME, BEN-ISMAIL,AHMED, LEFEBVRE,ERIK.
Fecha de Publicación: .
Clasificación Internacional de Patentes:
- G21K1/00 FISICA. › G21 FISICA NUCLEAR; TECNICA NUCLEAR. › G21K TECNICAS NO PREVISTAS EN OTRO LUGAR PARA MANIPULAR PARTICULAS O RADIACIONES ELECTROMAGNETICAS; DISPOSITIVOS DE IRRADIACION; MICROSCOPIOS DE RAYOS GAMMA O DE RAYOS X. › Disposiciones para manipular las radiaciones ionizantes o las partículas, p. ej. para enfocar, para moderar (filtros de radiaciones ionizantes G21K 3/00; producción o aceleración de neutrones, partículas cargadas eléctricamente, haces de moléculas neutras o haces de átomos neutros H05H 3/00 - H05H 15/00).
- G21K1/06 G21K […] › G21K 1/00 Disposiciones para manipular las radiaciones ionizantes o las partículas, p. ej. para enfocar, para moderar (filtros de radiaciones ionizantes G21K 3/00; producción o aceleración de neutrones, partículas cargadas eléctricamente, haces de moléculas neutras o haces de átomos neutros H05H 3/00 - H05H 15/00). › que utilizan la difracción, la refracción o la reflexión, p. ej. monocromadores (G21K 1/10, G21K 7/00 tienen prioridad).
- H01J35/00 ELECTRICIDAD. › H01 ELEMENTOS ELECTRICOS BASICOS. › H01J TUBOS DE DESCARGA ELECTRICA O LAMPARAS DE DESCARGA ELECTRICA (espinterómetros H01T; lámparas de arco, con electrodos consumibles H05B; aceleradores de partículas H05H). › Tubos de rayos X.
- H01S3/11 H01 […] › H01S DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN EL PROCESO DE AMPLIFICACION DE LUZ MEDIANTE EMISION ESTIMULADA DE RADIACIÓN [LASER] PARA AMPLIFICAR O GENERAR LUZ; DISPOSITIVOS QUE UTILIZAN EMISION ESTIMULADA DE RADIACION ELECTROMAGNETICA EN RANGOS DE ONDA DISTINTOS DEL ÓPTICO. › H01S 3/00 Láseres, es decir, dispositivos que utilizan la emisión estimulada de la radiación electromagnética en el rango de infrarrojos, visible o ultravioleta (láseres de semiconductores H01S 5/00). › en los que el factor de calidad del resonador óptico es cambiado rápidamente, es decir, técnica de impulsos gigantes.
PDF original: ES-2525335_T3.pdf
Fragmento de la descripción:
Fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía y procedimiento de generación de un pulso corto de fotones de alta energía
La invención se refiere en general a una fuente y a un procedimiento para generar pulsos cortos de fotones de alta energía, con un sistema láser que produce pulsos láser con una longitud de pulso más corta que 200 fs (femtosegundos) y capaz de ser enfocados para alcanzar intensidades mayores de 1018W/cm2 (vatios por centímetro cuadrado), una primera diana capaz de liberar un pulso de electrones de alta energía tras la irradiación con al menos uno de dichos pulsos láser, y una segunda diana capaz de liberar un pulso corto de fotones de alta energía al ser golpeada por dicho pulso de electrones de alta energía.
Al focalizar un pulso láser ultraintenso y ultracorto sobre una diana de material bajo ciertas condiciones, puede producirse un plasma muy poco denso. Es entonces posible generar un campo eléctrico muy fuerte, más de unos pocos cientos de GV/m (gigavoltios por metro), capaz de acelerar partículas, en particular electrones, a partir del plasma a altas energías y en un haz colimado y pulsado en una escala de longitud muy corta en comparación con los aceleradores de partículas convencionales, tales como ciclotrones o similares. Básicamente, en respuesta al potente pulso láser que incide, los electrones son acelerados a energías relativistas y son expulsados del plasma. Entre los diferentes mecanismos de aceleración impulsada por láser de la técnica anterior (por ejemplo, la aceleración láser directa, la aceleración de onda de latido de plasma, o la aceleración wakefield láser automodulada), el comportamiento no lineal de las ondas de plasma en el régimen de wakefield láser forzado impulsa la generación de haces de electrones de alta energía y baja emitancia.
El interés en estas fuentes de electrones de pulsos cortos que tienen diámetros comparables a la cintura del haz láser, en particular, sólo varias decenas de pm (micrómetros), ha crecido en los últimos años especialmente en vista de las aplicaciones médicas y/o radiológicas. Por un lado, los electrones acelerados son frecuentemente usados en la radioterapia directamente para el tratamiento del cáncer mediante la exposición del tejido canceroso al flujo de partículas. Por otro lado, los electrones de alta energía pueden inducir interacciones electromagnéticas. Por tanto, pueden ser usados para crear fotones de longitud de onda corta, por ejemplo UV, rayos x, o incluso en el rango de y, que puede servir para imágenes en medicina nuclear, diagnóstico médico o radiología. Los fotones también se pueden usar para la inspección no destructiva o mecánica de un material.
En el documento US 6.333.966 B1 se divulga una fuente de rayos X con acelerador láser de femtosegundos. Los electrones son acelerados a cientos de kiloelectronvoltios (keV) a decenas de megaelectronvoltios (MeV) usando alta energía, pulsos láser de femtosegundos de duración, y luego se convierten a rayos X por uno de varios procesos físicos en una lámina de un convertidor de material de alto Z. Debido a que los electrones acelerados por láser tienen el ancho de pulso del controlador de láser, extremadamente corto, por ejemplo pueden ser producidos menos de 100 pulsos de rayos X de femtosegundos (fs) a partir de estos electrones. Se recomienda usar un grosor de convertidor de aluminio de un tercio del rango de electrones del material y respaldar el convertidor con una lámina delgada de baja Z para detener el haz de electrones sin atenuar severamente las radiografías.
En el documento Physical Review Letters 94,025003 (2005), titulado "High-resolution y-ray radiography produced by a laser-plasma driven electrón source" se usa un haz de pulsos cortos de electrones desde un acelerador de plasma láser para crear un haz de pulsos cortos de fotones y por la interacción radiación de frenado en un material denso que contiene tantalio. El haz de fotones y tiene un tamaño compacto, en particular, una anchura lateral, mucho más pequeña que las fuentes ordinarias de fotones de alta energía y su duración de pulso es más corta que 1 ps (picosegundos).
En el documento "Physics in Medicine and Biology" 29, 797-810, titulado "Angular distribution and yield from bremsstrahlung targets" se informa la comparación de una predicción teórica de las distribuciones angulares y los rendimientos de la radiación de frenado a las medidas experimentales. Se recomienda en este documento que el espesor de la diana debe ser menor que el rango de electrones ro debido a la libre atenuación en la diana.
Aunque el tamaño del haz de electrones de pulso corto es comparable a o menor que la cintura del haz láser, el haz de fotones y todavía tiene una extensión lateral de varios cientos de pm (micrómetros). En otras palabras, el tamaño de la fuente eficaz es aproximadamente de un orden de magnitud más grande que el tamaño de la fuente efectiva de los electrones. Mientras que obviamente la pequeña, pero no nula divergencia del haz de electrones, por ejemplo, típicamente 1 grado para la anchura total a media altura, puede conducir a una propagación si la interacción con el material denso tiene lugar a una larga distancia desde la fuente de electrones eficaz, hay efectos degradantes adicionales debido al transporte y/o desviación de electrones durante la interacción de radiación de frenado en el material denso, con la consecuencia de que el tamaño de la fuente efectiva se incrementa.
El problema técnico a resolver es el de reducir el tamaño de la fuente efectiva de los pulsos cortos de fotones de alta energía.
Este problema se resuelve mediante una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía con las limitaciones de acuerdo con la reivindicación 1 y/o mediante un procedimiento para generar pulsos cortos de fotones de alta energía con las limitaciones acuerdo con la reivindicación 13. Otras mejoras y realizaciones ventajosas y perfeccionamientos se definen por las limitaciones establecidas en las reivindicaciones dependientes.
Según la invención, se proporciona una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía que comprende un sistema láser que produce pulsos láser con una longitud de pulso más corta que 200 fs (femtosegundos), se prefieren más cortos que 100fs o incluso 70 fs, especialmente más cortos que o igual a 50 o incluso 30 fs, y capaz de ser enfocados para alcanzar intensidades mayores de 1018 W/cm2, preferentemente mayores de 1019 o incluso 102° W/cm2 (vatios por centímetro cuadrado), siendo una primera diana capaz de liberar un pulso de electrones de alta energía tras la irradiación con al menos uno de dichos pulsos láser y una segunda diana capaz de liberar un pulso corto de fotones de alta energía cuando es golpeado por el mencionado pulso de electrón de alta energía, por lo que el espesor de la segunda diana es menor que o igual a, preferentemente esencialmente igual a, una longitud de saturación del endurecimiento del haz de dichos fotones de alta energía en la segunda diana.
El término técnico "endurecimiento del haz" denota el efecto físico en que el máximo de una distribución de energía de radiación de frenado se desplaza a energías más altas cuando la radiación de frenado está viajando a través de un material de alto Z. Preferiblemente, el láser se enfoca sobre la primera diana. En particular, el pulso de electrones se colima con una pequeña emitancia o divergencia. Como una medida de la energía de los fotones de alta energía emitidos que tienen una cierta distribución de energía, se pueden atribuir un valor de temperatura o un valor medio. La anchura lateral se define como la anchura en dirección lateral, por ejemplo, en el plano perpendicular a la dirección de propagación, del pulso entre los puntos que tienen menos de 0,2 % de la máxima densidad de electrones en el pulso. La anchura lateral de la segunda diana es menor que la anchura total a media altura (FWHM) en dirección lateral de dicho pulso de electrones de alta energía que incide sobre la segunda diana. En particular, dicha anchura lateral de la segunda diana puede ser igual o menor que 1,0 mm. El punto focal o cintura del láser preferentemente es del orden de la longitud de onda de plasma de la primera diana.
Sorprendentemente, se encontró que con el aumento de espesor de la segunda diana la energía de los fotones de alta energía emitidos aumentaba fuertemente hasta alcanzar un máximo en un cierto valor del espesor y luego disminuía de forma relativamente lenta más allá de dicho máximo. En otras palabras, por una parte, hay una profundidad de saturación o la longitud de saturación para la energía máxima alcanzable. Por otra parte, también se determinó que la divergencia angular de los fotones... [Seguir leyendo]
Reivindicaciones:
1. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28), que comprende:
- un sistema láser (10) que produce pulsos láser (12) con una longitud de pulso más corta que 200 fs y capaz de ser enfocado para alcanzar intensidades mayores de 1018 W/cm2;
- una primera diana (18) capaz de liberar un pulso de electrones de alta energía (20) tras la irradiación con al menos uno de dichos pulsos láser (12);
- una segunda diana (22) capaz de liberar un pulso corto de fotones de alta energía (28) al ser golpeada por dicho pulso de electrones de alta energía (20);
caracterizada por que
- el espesor (24) de la segunda diana (22) es menor o igual que una longitud de saturación (26) del endurecimiento del haz de dichos fotones de alta energía (28) en la segunda diana (22), y
- una anchura lateral de la segunda diana (22) es menor que la anchura total a media altura (FWHM) de la anchura lateral de dicho pulso de electrones de alta energía (20) que incide sobre la segunda diana (22).
2. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
el espesor (24) de la segunda diana (22) es esencialmente igual a la longitud de saturación (26) del endurecimiento del haz de dichos fotones de alta energía (28) en la segunda diana (22).
3. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
el sistema láser (10) es una instalación de amplificación de pulso por modulación de frecuencia de un láser de Ti:zafiro de modo autobloqueado con una energía de salida mayor de 0,6 J, una potencia de salida mayor de 20 TW capaz de emitir pulsos láser más cortos de 40 fs.
4. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
la segunda diana (22) está dispuesta directamente corriente abajo desde la primera diana (18).
5. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
la primera diana (18) es un chorro de fluido o un chorro de gas o un chorro de gas supersónico o un chorro de gas helio supersónico.
6. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
el punto focal o la cintura del láser es del orden de la longitud de onda de plasma de la primera diana (18).
7. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
la segunda diana (22) es una lámina sólida que comprende un material de alto Z y/o comprende una banda de material.
8. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
la segunda diana (22) es un material o una aleación que comprende un material o una combinación de materiales seleccionados entre el grupo de tantalio, molibdeno, tungsteno y plomo.
9. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
la primera diana (18) es capaz de liberar electrones con una energía mayor o igual que 1 MeV.
10. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por
medios de generación que crean un campo magnético (30) corriente abajo desde la segunda diana (22) y se hacen pasar por los pulsos cortos de fotones de alta energía (28).
11. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por
una anchura lateral de la segunda diana (22) que es igual a o menor que 1,0 mm.
12. Una fuente de pulsos cortos de fotones de alta energía (28) de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada por que
dicho espesor (24) de la segunda diana (22) es menor que o igual a 1,0 mm.
13. Un procedimiento para generar un pulso corto de fotones de alta energía (28), que comprende:
- producir pulsos láser (12) con una longitud de pulso más corta que 200 fs y capaces de ser enfocados para alcanzar intensidades mayores de 1018 W/cm2;
- irradiar una primera diana (18) capaz de liberar un pulso de electrones de alta energía (20) tras la irradiación con al menos uno de dichos pulsos láser (12);
- incidir dicho pulso de electrones de alta energía (20) sobre una segunda diana (20) capaz de liberar un pulso corto de fotones de alta energía (28); caracterizado por
- usar como dicha segunda diana (20) una diana con un espesor (24) que es menor que o igual a la longitud de saturación (26) del endurecimiento del haz de dichos fotones de alta energía (28) en la segunda diana (22) y con una anchura lateral de la segunda diana (22) que es menor que la anchura total a media altura (FWHM) de la anchura lateral de dicho pulso de electrones de alta energía (20) que incide sobre la segunda diana (22).
14. Uso de una fuente de acuerdo con la reivindicación 1 para la inspección no destructiva de una pieza de trabajo mediante la obtención de una imagen de al menos una parte de dicha pieza de trabajo, que comprende las etapas de:
- proporcionar dicha pieza de trabajo en una posición para estar expuesta por los fotones de alta energía liberados de dicha fuente;
- exponer al menos una parte de dicha pieza de trabajo con fotones de alta energía liberados de dicha fuente;
- detectar al menos una señal que es una medida de la dispersión y/o de la amortiguación de dichos fotones de alta energía; y
- crear una imagen de al menos dicha parte de dicha pieza de trabajo.
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