激光尾波場(chǎng)加速電子的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、帶電粒子加速器是20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一,在高能物理及國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用,是所處時(shí)代高科技的結(jié)晶。對(duì)于采用射頻腔加速的加速器來(lái)說(shuō),由于受限于射頻腔材料的電離擊穿,其加速電場(chǎng)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(jià),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(wèn)題,是一種理想的加速介質(zhì)。近年來(lái),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(qiáng)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(jìn)而加速電子提供了新的加速途徑。
　　 激光尾波場(chǎng)提供的加速電場(chǎng)高達(dá)100GV/m,加速產(chǎn)生的電子束脈沖寬度在飛秒量級(jí)(<50fs),電子束束斑大小在微米量級(jí),這些特性都是傳統(tǒng)加速器很難實(shí)現(xiàn)的。鑒于激光尾波場(chǎng)加速電子的諸多優(yōu)勢(shì),世界各大實(shí)驗(yàn)室都投入大量精力進(jìn)行研究。本文依據(jù)SILEX-Ⅰ超短超強(qiáng)激光裝置進(jìn)行了激光尾波場(chǎng)加速電子的實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)率先實(shí)驗(yàn)獲得了58MeV的準(zhǔn)單能電子束。對(duì)于當(dāng)時(shí)激光裝置的工作狀態(tài)來(lái)說(shuō),當(dāng)噴嘴的噴氣壓強(qiáng)維持在2.5MPa時(shí),有利于激光尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生高能電子束。為了詳細(xì)的研究實(shí)驗(yàn)中的電子加速過(guò)程及其物理問(wèn)題,利用PIC程序在大范圍的等離子體參數(shù)尺度上對(duì)激光等離子體相互作用進(jìn)行模擬分析。結(jié)果顯示,在考慮了預(yù)脈沖對(duì)等離子體密度的影響之后,模擬給出的電子束無(wú)論在能量大小

4、方面還是在能散方面都是最接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果的。通過(guò)對(duì)激光脈沖及等離子體波演化過(guò)程的細(xì)致分析發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)中電子束能量較低的因?yàn)?是由于在這種情況下激光脈沖需要在更長(zhǎng)的空間尺度(～2.3mm)上進(jìn)行自演化來(lái)提高激光強(qiáng)度,而電子在尾波場(chǎng)中真正的加速距離只有0.4mm左右。
　　 二、實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了總電荷量達(dá)20nC的電子束。通過(guò)對(duì)激光脈沖能量的空間分布及出射電子束角分布的測(cè)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?yàn)?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(gè)強(qiáng)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(yàn)證電荷測(cè)量的可靠性,對(duì)其測(cè)量工具ICT進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果顯示測(cè)量結(jié)果是可信的。
　　 三、理論研究充氣型放電毛細(xì)管對(duì)激光脈沖的引導(dǎo),從Bernoulli方程組出發(fā)對(duì)毛細(xì)管充氣過(guò)程的流量控制進(jìn)行計(jì)算。利用MHD程序?qū)Ψ烹娒?xì)管中等離子體通道的形成過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)研究。模擬發(fā)現(xiàn),充氣型毛

6、細(xì)管的放電過(guò)程可以分為電離擊穿過(guò)程、通道形成過(guò)程及通道穩(wěn)定過(guò)程等三個(gè)階段。詳細(xì)的模擬顯示,在很大的放電電流參數(shù)及充氣壓強(qiáng)范圍內(nèi),放電毛細(xì)管都可以產(chǎn)生比較穩(wěn)定的等離子體通道。
　　 四、針對(duì)激光脈沖引導(dǎo)所需的預(yù)等離子體通道,在國(guó)內(nèi)率先建立了一套完整的充氣型放電毛細(xì)管系統(tǒng),其中包括高壓放電電源系統(tǒng)、毛細(xì)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(duì)于目前實(shí)驗(yàn)常用的毛細(xì)管長(zhǎng)度及充氣壓強(qiáng)來(lái)說(shuō),這樣的電壓可以順利實(shí)現(xiàn)毛細(xì)

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(xì)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(xì)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(duì)充氣型放電毛細(xì)管產(chǎn)生的等離子體密度與充氣壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)測(cè)量,給出了二者之間的定標(biāo)關(guān)系。測(cè)量結(jié)果顯示,毛細(xì)管軸向等離子體密度

8、與充氣壓強(qiáng)基本滿足線性關(guān)系。利用定標(biāo)關(guān)系,在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)調(diào)節(jié)充氣壓強(qiáng)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(xì)管系統(tǒng)并對(duì)其產(chǎn)生的等離子體密度進(jìn)行測(cè)量之后,在國(guó)內(nèi)首次進(jìn)行了充氣型毛細(xì)管的等離子體通道引導(dǎo)及激光尾波場(chǎng)的電子加速實(shí)驗(yàn)。在放電情況下,小能量打靶時(shí)激光能量透過(guò)率偏低。在沒(méi)有放電的情況下,初步獲得了長(zhǎng)達(dá)15mm的激光引導(dǎo),同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了毛細(xì)管情況下激光尾波場(chǎng)電子加速中高能電子束的產(chǎn)生。通過(guò)對(duì)激光脈沖信噪比的