激光尾波場加速電子的實驗研究.pdf

1、帶電粒子加速器是20世紀最偉大的發(fā)明之一,在高能物理及國民經(jīng)濟中發(fā)揮著舉足輕重的作用,是所處時代高科技的結(jié)晶。對于采用射頻腔加速的加速器來說,由于受限于射頻腔材料的電離擊穿,其加速電場被限制在100MV/m之內(nèi),由此造成高能加速器龐大的體積及高昂的代價,成為制約加速器向更高能量發(fā)展的瓶頸,因此必須尋找更加高效的加速途徑。等離子體作為電離介質(zhì),本身不存在電離擊穿的問題,是一種理想的加速介質(zhì)。近年來,隨著啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的不斷發(fā)展

2、,出現(xiàn)了超短超強激光脈沖。這為利用激光脈沖共振激發(fā)大振幅的等離子體尾波,進而加速電子提供了新的加速途徑。
　　 激光尾波場提供的加速電場高達100GV/m,加速產(chǎn)生的電子束脈沖寬度在飛秒量級(<50fs),電子束束斑大小在微米量級,這些特性都是傳統(tǒng)加速器很難實現(xiàn)的。鑒于激光尾波場加速電子的諸多優(yōu)勢,世界各大實驗室都投入大量精力進行研究。本文依據(jù)SILEX-Ⅰ超短超強激光裝置進行了激光尾波場加速電子的實驗研究,主要工作有:

3、　　 一、利用2.7mm口徑的超聲速錐形噴嘴產(chǎn)生的中性氣體與激光脈沖的相互作用,在國內(nèi)率先實驗獲得了58MeV的準(zhǔn)單能電子束。對于當(dāng)時激光裝置的工作狀態(tài)來說,當(dāng)噴嘴的噴氣壓強維持在2.5MPa時,有利于激光尾波場加速產(chǎn)生高能電子束。為了詳細的研究實驗中的電子加速過程及其物理問題,利用PIC程序在大范圍的等離子體參數(shù)尺度上對激光等離子體相互作用進行模擬分析。結(jié)果顯示,在考慮了預(yù)脈沖對等離子體密度的影響之后,模擬給出的電子束無論在能量大小

4、方面還是在能散方面都是最接近實驗結(jié)果的。通過對激光脈沖及等離子體波演化過程的細致分析發(fā)現(xiàn),實驗中電子束能量較低的因為,是由于在這種情況下激光脈沖需要在更長的空間尺度(～2.3mm)上進行自演化來提高激光強度,而電子在尾波場中真正的加速距離只有0.4mm左右。
　　 二、實驗產(chǎn)生了總電荷量達20nC的電子束。通過對激光脈沖能量的空間分布及出射電子束角分布的測量發(fā)現(xiàn),激光脈沖能量空間分布的不均勻是導(dǎo)致電子束大電荷量的主要因為,激光脈

5、沖的不均勻主要包括脈沖主焦斑外圍的大面積暈區(qū)以及多個強度較弱的子脈沖。這樣的激光脈沖產(chǎn)生的電子束不是單一的電子束,而是由多束電子構(gòu)成。為了驗證電荷測量的可靠性,對其測量工具ICT進行了詳細的實驗標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果顯示測量結(jié)果是可信的。
　　 三、理論研究充氣型放電毛細管對激光脈沖的引導(dǎo),從Bernoulli方程組出發(fā)對毛細管充氣過程的流量控制進行計算。利用MHD程序?qū)Ψ烹娒毠苤械入x子體通道的形成過程進行詳細研究。模擬發(fā)現(xiàn),充氣型毛

6、細管的放電過程可以分為電離擊穿過程、通道形成過程及通道穩(wěn)定過程等三個階段。詳細的模擬顯示,在很大的放電電流參數(shù)及充氣壓強范圍內(nèi),放電毛細管都可以產(chǎn)生比較穩(wěn)定的等離子體通道。
　　 四、針對激光脈沖引導(dǎo)所需的預(yù)等離子體通道,在國內(nèi)率先建立了一套完整的充氣型放電毛細管系統(tǒng),其中包括高壓放電電源系統(tǒng)、毛細管系統(tǒng)及其充氣系統(tǒng)。放電電源可以穩(wěn)定工作在10kV～30kV,對于目前實驗常用的毛細管長度及充氣壓強來說,這樣的電壓可以順利實現(xiàn)毛細

7、管兩端的放電擊穿。放電電源內(nèi)置三種不同的電容器,可以保證放電電流的脈沖寬度在200ns～500ns,放電電流200A～500A。這樣的放電電流脈沖可以有效促使毛細管內(nèi)等離子體的產(chǎn)生及等離子體通道的穩(wěn)定形成。
　　 五、在放電毛細管系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,利用等離子體的Stark展寬效應(yīng)結(jié)合一維的光譜成像系統(tǒng),對充氣型放電毛細管產(chǎn)生的等離子體密度與充氣壓強之間的關(guān)系進行詳細測量,給出了二者之間的定標(biāo)關(guān)系。測量結(jié)果顯示,毛細管軸向等離子體密度

8、與充氣壓強基本滿足線性關(guān)系。利用定標(biāo)關(guān)系,在實驗中通過調(diào)節(jié)充氣壓強就可以方便的控制等離子體密度。
　　 六、在建立了充氣型放電毛細管系統(tǒng)并對其產(chǎn)生的等離子體密度進行測量之后,在國內(nèi)首次進行了充氣型毛細管的等離子體通道引導(dǎo)及激光尾波場的電子加速實驗。在放電情況下,小能量打靶時激光能量透過率偏低。在沒有放電的情況下,初步獲得了長達15mm的激光引導(dǎo),同時還實現(xiàn)了毛細管情況下激光尾波場電子加速中高能電子束的產(chǎn)生。通過對激光脈沖信噪比的