超强圆偏振激光直接加速产生超高能量电子束

研究表明, 峰值强度为10²²–10²⁵ W/cm²量级的圆偏振激光脉冲的有质动力场可以直接加速并产生GeV–TeV的单能电子束, 其中被加速电子的能量与激光脉冲的峰值强度成线性定标关系. 为了获得更高能量的电子束, 通过对一维解析模型的分析得到: 如果电子束在激光传播的方向上具一个初始能量E₀, 那么这种线性的定标关系可以被打破, 被加速电子束最终的能量可以被放大E₀倍. 这是由于具有一定初始能量的电子束不容易被激光脉冲抛在后面, 进而获得更高的加速距离. 二维粒子模拟结果显示: 当电子束的初始能量E₀为MeV量级时这个方法是有效的, 而当E₀过大时这个方法失效. 这是因为当电子的加速距离远大于激光脉冲的瑞利长度时, 激光强度的衰减使得电子束的加速错过了最佳加速场.     

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究北大核心CSCD

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。     

超短强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案

随着超短脉冲激光技术的发展, 人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W/cm²、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.超短脉冲激光很容易把静止的电子加速到兆电子伏的能量. 而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波(称为激光尾波场), 后者可以在毫米空间尺度把电子加速到上百兆电子伏的能量.文章将介绍激光尾波场加速电子的物理机制和方案、这个领域的最新进展、以及目前存在的问题.     

相对论飞秒激光脉冲在真空中对预加速电子的加速

通过求解电子运动的相对论方程，发现预加速电子在超强超短激光脉冲的作用下可以获得很高的能量增益. 飞秒激光脉冲的上升沿在焦点附近的区域有效加速电子后，电子和光脉冲一起传播一段距离（远大于瑞利长度）后，激光强度变得很弱，从而使脉冲下降沿对电子的减速作用可以忽略不计，因此电子只经历加速过程而没有被减速，当电子和光脉冲分离时，电子获得了很高的能量增益. 当光强为10¹⁹Ｗ／cm² ，电子的初始能量为MeV量级时，电子的能量增益可以达到01GeV. 进一步讨论了电子的能量增益与电子的初始条件与激光脉冲的参数之间的关系. 关键词： 电子加速 飞秒激光脉冲 能量增益     

锐真空-等离子体边界倾角对激光尾波场加速中电子注入的影响

超短超强激光脉冲在气体等离子体中激发的尾波场加速在过去40年里有了长足的发展,人们已经在厘米加速距离内获得了数GeV的准单能电子加速,激光尾波加速的最高电子能量已经达到8 GeV.为了进一步提升加速电子束的稳定性和品质,多种电子注入方式先后被提出.本文研究了基于锐真空-等离子体边界面的密度跃变注入,着重讨论了不同角度的倾斜边界面对注入电子品质的影响.二维粒子模拟研究表明,与倾角为0°的垂直边界面相比,在合适的倾斜边界角下,第二个尾波空泡内产生的注入电量可以有近三倍的提升,同时偏振方向与入射面平行的驱动激光可以增加第一个空泡内注入电子的电量.根据不同激光入射角度时尾波场中电子自注入的起始位置差异,分析了电子电量与横向振荡增强的原因.这些研究有利于提升基于Betatron运动的尾波场辐射及其应用.     

空泡机制产生betatron X射线辐射的数值模拟

针对SILEX钛宝石激光器参数,采用PIC数值模拟程序VORPAL对激光尾波场加速进行了模拟,得到了电子轨迹及能量数据,进而通过理论计算得到了空泡机制下X射线辐射特性。结果表明,空泡机制下高能电子在空泡中做betatron振荡且多数电子被加速到170 MeV左右;加速能量较低的电子（约100 MeV）, 其辐射谱为临界能量约3 keV的类同步辐射谱,发散角约为8 mrad,而能量较高的电子（约170 MeV）对应的光子临界能量约为10 keV。     

超强激光脉冲下等离子体块的整体加速研究

为了克服激光加速中强流离子束空间电荷效应对粒子输运的影响,提出一种利用两块不同密度的固体靶先后和一束强度约为1022 W/cm2、脉冲长度为5T(T为激光周期)的超强脉冲激光相互作用的方案,实现了中性等离子体块的加速。通过一维PIC数值模拟研究发现,在合适的参数下,加速后的电子与质子几乎以相同的速度共同飞行长达60λ(λ为激光波长)的距离,其中质子与电子的能量分别为GeV和100MeV量级。     

激光驱动尾波场加速电子诱导光核嬗变

提出了一种基于激光尾波场加速电子诱导光核嬗变的优化方案并开展了135Cs光核嬗变的数值模拟研究。蒙特卡罗模拟研究发现随着电子能量的增加，嬗变产额逐渐趋于饱和，单位能量电子的嬗变效率在40 MeV附近时存在峰值，半高处能量为20、120 MeV。为了提升半高处能量内的电子电量从而优化嬗变产额，使用粒子模拟程序研究了超短超强激光在气体等离子体中的传输过程。研究结果发现，随着等离子体密度的降低，尾波场加速的电子能量逐渐升高，但是电荷量逐渐减少，并且圆偏振激光加速的电子能量和电荷量均优于线偏振激光。通过调整等离子体密度和激光偏振，发现在圆偏振激光和特定等离子体密度条件下，存在嬗变产额的最优值。利用电导率等效方法对345 GHz折叠波导行波管中的电磁信号的传输损耗进行了仿真研究，考察了流通管孔径、加工粗糙度等对冷腔传输损耗的影响，流通管孔径较大或加工粗糙度较大都会导致电磁信号传输衰减严重。还模拟分析了热腔中电磁信号衰减对慢波结构净增益、带宽、最佳周期数等器件特征参数的影响，结果显示，电磁信号衰减会使得增益下降和带宽降低。     

激光与固体靶相互作用中低密度预等离子体对高能电子产生的影响

 对线极化、圆极化的超短超强激光脉冲与靶前有一段低密度预等离子体的固体靶的相互作用进行了理论和粒子模拟研究。激光通过有质动力加速机制加速预等离子体中的电子，研究了电子获得的最大能量随激光强度和预等离子体密度的变化。当激光脉冲与靶直接作用时，靶中的电子由于J×B机制而得到加速，所获得的能量比预等离子体中电子低。研究表明，在超短超强激光脉冲与固体靶相互作用中，预等离子体的存在有利于高能电子的产生。     

激光等离子体加速器研究综述

 综述了有关激光尾场加速器、等离子体拍频波加速器、多束激光脉冲驱动的尾场加速器以及自调制激光尾场加速器的概念及其基本特性,概述了近期的实验结果。介绍了等离子体波的产生机理及等离子体波中电子的俘获和加速,并讨论了存在于激光等离子体加速器中的一些限制和今后发展前景。     

激光等离子体波电子加速器

本文分别用理论分析和粒子模拟方法讨论了等离子体尾波加速器和拍波加速器的物理机制。结果表明,只要激光等离子体波足够强,加上适当强度的横向磁场,就可以把MeV数量级的电子在公尺距离内加速到GeV数量级的能量。另外,还用粒子模拟方法,研究了激光对热等离子体受激向后喇曼散射产生低相速度的等离子体静电波对低能电子加速的问题,探讨了多级或多波加速的可能性。结果表明,利用激光等离子体波加速器,在一般的实验室条件下,就可获得GeV数量级的高能电子。 关键词：     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

超强激光功率密度对等离子体中自生磁场和电子热传导的影响

应用多光子非线性康普顿散射模型、3维粒子模拟模型和数值计算方法,研究了超强激光与等离子体作用中自生磁场产生和电子热传导过程,提出了将非线性康普顿散射光作为改变等离子体自生磁场和电子热传导的新机制,给出了自生磁场最大饱和值和超热电子热传导的修正方程和数值计算结果。研究发现在时间为100~160范围内,自生磁场能量随入射激光功率密度增大而迅速增大,之后处于较高饱和阶段。增大的初始时刻较散射前提前了20,增大阶段的时间延长了30,饱和阶段增幅为40。入射激光功率密度为1019~1020W/cm2时,自生磁场强度最大模拟值为1.47104~3.75104T,单电子能谱峰值出现在3.3MeV和6.6MeV附近,能谱曲线在4~15 MeV和11~14.3MeV范围迅速衰减,在6.7MeV和13.2MeV以上时,超热电子有效温度为2.6MeV和4.5MeV,比无散射的理论值和拟合值均有一定增大。随入射激光强度增大,热流随激光脉冲一起向等离子体内流动的时间缩短,自生磁场限制热流的时间延长。并对所得结果给出了初步物理解释。     

超强飞秒激光尾波场加速产生58MeV准单能电子束实验

超短超强激光与等离子体相互作用产生的激光尾波场可以在毫米尺度上加速产生高能量的准单能电子束.在SILEX-Ⅰ激光装置上进行的激光尾波场加速实验中,利用超强飞秒激光与超声速锥形喷嘴产生的2.7mm直径氦气气体柱相互作用,获得了能散为15.5%、发散角为15mrad、能量为58MeV的准单能电子束.在70TW激光照射下获得的电子束总电量达到15.4nC.介绍了实验条件、方法和主要实验结果.     

强激光与等离子体相互作用中低频电磁场孤子波的产生及其捕获

用二维粒子模拟程序研究了超短脉冲强激光与等离子体相互作用中局域低频电磁场的产生现象.这种低频电磁场在超短脉冲激光激发尾波场、脉冲后沿产生频率下移的过程中形成.通常它们的振荡频率接近于或低于电子等离子体振荡频率，因而被捕获在等离子体中(即传播速度接近于零).在演化过程中，通常它们以孤子场的形式出现.这种孤子波的形成及其演化与离子运动有极大关系.用相对论强激光脉冲可以产生达到相对论振幅的电磁场孤子波，后者可以把离子加速到非常高的能量.研究还表明，在二维几何位形下，孤子波产生与入射光的偏振态有很大关系.     

充气型放电毛细管的密度测量及磁流体模拟

在激光尾波场电子加速机理中,为了有效地加速电子,需要抑制衍射散焦等造成的激光传输不稳定性问题. 激光脉冲的稳定传输不仅有利于能量耦合给等离子体波,而且对电子束的注入及稳定加速有着重要影响,具有一定横向密度分布的充气型放电毛细管可以有效引导激光脉冲的传输. 利用等离子体的Stark展宽效应对毛细管产生的等离子体进行密度测量,给出了等离子体密度与充气压强之间的关系. 利用磁流体程序CRMHA对毛细管的放电特性进行了模拟,研究了毛细管引导效应的形成机理. 关键词： 充气型放电毛细管 Stark展宽 磁流体模拟 引导     

激光-等离子体加速器研究综述

综述了有关激光尾场加速器、等离子体拍频波加速器、多束激光脉冲驱动的尾场加速器以及自调制激光尾场加速器的概念及其基本特性,概述了近期的实验结果。介绍了等离子体波的产生机理及等离子体波中电子的俘获和加速,并讨论了存在于激光等离子体加速器中的一些限制和今后发展前景。     

激光等离子体相互作用的局域振荡电子加热机制

 用2.5维粒子模拟程序模拟了超强激光与等离子体的相互作用过程，发现超强激光可以通过J×B加热机制加速电子并引起电荷分离，从而产生很强的静电场并形成电场势阱，电子在静电场势阱中振荡，被多次加速，使得高速电子被甩出势阱，进而增强电荷分离，然后静电场结构被破坏，静电势能传给电子。在此过程中，电子在此阱中作局域振荡，并且被J×B机制多次加速，激光的能量会有效地传给电子，使电子能量高达10MeV。这是一种新的电子加热机制，称之为局域振荡电子加热机制。     

激光加速电子束团的输出特性研究

通过仔细研究俘获加速CAS(captureandaccelerationscenario)机制中电子束团的输出特性,发现其出射电子有3类不同的运动轨道即掠过(pass-by)、非弹性散射(IS)、CAS.由于实际入射电子束团的线度远大于强激光脉冲的线度,因此只有位于入射电子束团中心区域的电子才可能被俘获加速.对于目前所能获得的聚焦激光场强(～10²¹W/cm²)和实际的电子束团(～10⁸个电子)而言,最大的输出能量可达到450MeV以上,同时被加速电子的数目可达到10⁴—10⁵个.这表明CAS可望发展成为小型台式加速器的新加速原理     

神龙1号加速器束流输运系统研制

神龙1号直线感应加速器由注入器输运段、加速段、聚焦段等3个部分组成。整个束传输线从阴极发射面算起到轫致辐射靶结束，全长约48m，其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极管加速区，电子能量达到约3．6MeV，再经过4．5m的无加速场漂移区到达注入器出口，随后进入到长38．5m的加速段，在加速段出口时电子能量不低于18MeV；然后进入到长约3．8m的无加速漂移段，经过调整后通过两级磁透镜的聚焦将电子束聚焦到轫致辐射靶上产生X射线。整个束传输线使用了100多个螺线管线圈（包括两个磁透镜）约束电子束的横向发散，