欧美国家制成激光加速器

目前，世界上已有3个实验组独立成功地利用激光场的尾波加速单能电子束。当一束强的激光脉冲进入气体或等离子体时。激光的电场可以加速运动的电子，直到相对静止的离子通过库仑场把电子拉回为止。等离子体波沿着激光脉冲的尾场运动。在合适的条件下，电子能够被等离子体波带着走；而以前。被加速的电子的能量是分散的。但是，只要加速过程在合适的时间停止。正在加速的电子可以超过等离子体波，而且所有的电子都达到相同的能量。由法国科研中心（GNRS）的维克多·莫片（Victor Malka）领导的小组和由英国伦敦皇家学院的斯多达·孟格利斯（StuartMangles）领导的小组已精确地调整其激光器和等离子体的参数，分别产生了能量约为170MeV和70MeV的准直电子束。     

3厘米的10亿电子伏加速器

在过去的一个世纪中，用于核物理与粒子物理研究的加速器所加速的粒子能量从几千电子伏（keV）、几百万电子伏（MeV）直增加到几十亿电子伏（GeV）．让这样高能量的粒子轰击物质可以生成瞬间的小规模的早期宇宙．如今，在短时间内把粒子加速到更高能量的研究工作已经迈出了值得注意的一步．     

TRIUMF ARIEL 电子直线加速器设计

 TRIUMF 的三期升级工程(ARIEL) 计划建造一个 50 MeV 平均流强为10 mA的电子直线加速器作为注入器,通过光裂反应生成放射性核素。电子直线加速器包括两个主要部分：注入器和后加速器,注入器完成电子能量从100 keV到10 MeV的转换,随后的后加速器将电子能量从10 MeV加速到50 MeV。电子源拟采用重复频率为650 MHz的热电子枪提供初始能量为100 keV,束长为 171 ps的电子束。束流动力学模拟了几种不同的设计方案以获得最优化的设计,模拟显示通过对腔体以及聚焦元件的仔细设计以及电子枪出射电子的参数选择, 电子束能量在达到50 MeV时束长可以被聚焦到 11.75 ps (对应于1.3 GHz 频率下5.5°) ,并且可以使电子束在超导低温柜中的尺寸保持在1.26 cm以下。     

软X射线连续谱Z箍缩铝等离子体电子温度诊断

针对强光一号加速器（约1.5 MA,80～100 ns）Z箍缩铝丝阵实验设计和研制了一套弯晶谱仪,采用邻苯二甲酸氢铊（TlAP）晶体对辐射能谱进行色散,用X射线胶片记录连续辐射谱型,谱仪测谱范围为1.8～3.0 keV。以第10084发次平面型铝丝阵负载实验为例,获得了具有轴向分辨的时间积分辐射谱型,对其中某一热斑处的数据进行处理得到了该区域等离子体时间积分电子温度约为520(135%)eV。     

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，     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）北大核心CSCD

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

S波段6 MeV边耦合电子直线加速器的设计研究（英文）

近年来,对紧凑、稳定及可靠型电子直线加速器的需求越来越多,其能量主要分布在几百keV到十几个MeV的范围内,其中需求最多的则是能量在MeV量级的微波电子直线加速器。在这种形势下,中国科学院高能物理研究所正在研制一台S波段6 MeV的边耦合电子直线加速器,本文对基于该加速器的模拟计算研究进行了介绍。EGUN和HFSS分别用来设计电子枪和边耦合加速结构。通过将EGUN计算得到的电子束流参数和HFSS计算得到的三维电磁场分布数据引入到PARMELA中,完成了对该加速器的多粒子动力学研究。模拟结果显示,所设计的加速器完全能够满足设计指标的要求。最终,在考虑束流负载效应的因素后,完成了边耦合加速结构的微波结构设计。     

正弦平方势与沟道辐射谱线的自然展宽

指出了非线性效应、多普勒效应、晶格热振动、电子多重散射和偶极效应等对沟道辐射谱线宽度的影响;强调了辐射反作用对谱线宽度的影响是不可避免的。比较了不同的粒子-晶体相互作用势,并从正弦平方势出发,在小振幅近似下讨论了沟道粒子的运动行为;用摄动法求解了系统的特征方程,计算了沟道辐射谱线的自然展宽和频率漂移。最后,以正电子的Si(110)面沟道辐射为例,计算了它的辐射频率。结果表明,对于能量为E=56MeV的正电子,沟道辐射能量E=ω=36.0keV。     

掺杂超晶格量子阱的沟道效应与沟道辐射

 分析了超晶格量子阱的沟道效应和沟道辐射,利用正弦平方势描述了掺杂超晶格量子阱沟道粒子的运动行为,并在经典力学框架内,把粒子的运动方程化为摆方程。用Jacobian椭圆函数和椭圆积分解析地给出了系统的解和粒子运动周期,导出了量子阱沟道辐射的辐射强度和辐射能量。结果表明,对于能量为100 MeV左右的电子,辐射能量可达keV量级（X能区）。指出了用量子阱沟道辐射作为X激光或γ激光的可能性。     

丝阵靶箍缩等离子体软X射线辐射能谱研究

 在S—300装置上研究了丝阵靶Z箍缩等离子体的软X射线辐射的动态过程。利用多通道X射线谱仪在50～2 000 eV范围内测量了丝阵靶内爆等离子体X射线辐射谱，辐射主要位于60~220 eV谱段。辐射谱可用温度为40~50 eV的Planck黑体谱近似描述。在能量高于500 eV的谱段，辐射谱与Planck黑体谱有较大的偏离。这主要是因为等离子体热斑的出现、在1.5~2 keV范围内线谱的存在和加速电子轫致辐射的结果。     

X-ray generation in strongly nonlinear plasma waves

We show that a laser wake field in the "bubble" regime [Appl. Phys. B 74, 355 (2002)]], works as a compact high-brightness source of x-rays. The self-trapped relativistic electrons make betatron oscillations in the transverse fields of the bubble and emit a bright broadband x-ray radiation with a maximum about 50 keV. The emission is confined to a small angle of about 0.1 rad. In addition, we make simulations of x-ray generation by an external 28.5 GeV electron bunch injected into the bubble. gamma quanta with up to GeV energies are observed in the simulation in good agreement with analytical results. The energy conversion is efficient, leading to a significant stopping of the electron bunch over 5 mm interaction distance.     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

Femtosecond coherent pulses in the keV range from inner-shell transitions pumped by a betatron source

We present a new method to generate ultra-short X-ray laser pulses by using the recently demonstrated laser-driven betatron source to photo-pump inner-shell transitions. The proposed compact set-up will then open the route to a wide range of applications. The betatron spectrum and ion-population kinetics are modeled and the temporal evolution of the gain coefficient for the K-α transitions is assessed. Using measured values of divergence, duration, and number of photons per pulse of the betatron source as input parameters, local gain values close to 60 cm^?1 are calculated for nitrogen at 3.2 nm. Significant gain values are also numerically obtained at shorter wavelengths (for neon at 1.5 nm) when the betatron energy distribution is optimized as suggested by recent laser wakefield electron acceleration experiments.     

基于神光Ⅱ装置的Pd-L带X射线源实验研究

基于神光Ⅱ激光装置,利用第九路激光与金属靶Pd作用产生了能谱在2.9～3.6keV的X射线源,其转换效率达到8%。通过多角度带通XRD测量其发射角分布,其分布满足cos1/3θ的规律。研究结果表明,Pd X射线源具有高亮度以及能点适中的特性,可以应用于惯性约束聚变、天体物理等前沿科学研究。     

紧凑型单能伽马射线源

基于高亮度电子束与超短强激光相互作用的逆康普顿散射X/γ射线源具有单色性好、能量可调、偏振可控等特点,在核安全及核安保领域具有广泛的应用前景。清华大学将研制国际上首套能量达MeV的紧凑准单能伽马源装置并开展包括先进辐射成像、基于核共振荧光的物质分析检测等应用工作。给出该光源设计方案,以及针对其关键性能指标进行的优化及光源最终性能指标。目前已完成光源的设计,正在进行部件的加工采购,预计将于2023年启动装置的安装调试工作,于2025年完成项目的调试和验收。     

电子束放射照相的特性与参数优化

短脉冲强激光产生的电子束具有源尺寸小、脉宽窄、准单能谱等特点, 在放射照相诊断中具有独特作用. 本文通过分析电子在材料中散射并采用蒙特卡罗方法数值模拟, 研究了100 keV到几百MeV能量电子束对有厚度起伏或存在界面的靶的透视, 并与质子、X射线束透视结果比较, 给出了电子束放射照相的特性与参数优化: 基于电子在材料中非弹性散射或能量损失, 选用能量使其射程与靶厚度接近的电子束来诊断靶厚度不均匀性; 基于电子在材料中的弹性散射, 选用射程超过靶厚度的电子束来诊断靶界面.     

Hard X-ray generation from microdroplets in intense laser fields

Microdroplets of 15-μm diameter are subjected to ultra-short laser pulses of intensities up to 10¹⁵Wcm⁻² to produce hot dense plasma. The hot electrons produced in the microdroplet plasma result in efficient generation of hard X-rays in the range 50–150keV at an irradiance as low as 8×10¹⁴Wcm⁻². The X-ray source efficiency is estimated to be about 2 ×10⁻⁷%. A prepulse that is about 11ns ahead of the main pulse strongly influences the droplet plasma and the resulting X-ray emission. For a similar laser prepulse and intensity, no measurable hard X-ray emission is observed when the laser is focused on a solid target of similar composition and this indicates that liquid droplet targets are best suited for hard X-ray generation in laser–plasma interactions.     

激光-电子康普顿散射物理特性研究

对激光-电子康普顿散射物理特性即能量特性和微分截面角分布进行了仔细的研究.计算结果显示出光子能量和微分截面角分布的简单结构.康普顿散射X射线光源具有散射光子的能量易调节、方向性好等特点.在入射电子束能量很高时,X射线近乎单向出射.光源色散度较大,但实验上可以获得色散（带宽）小的X射线.对于各种波长的激光,在很宽的电子束能量范围（1 MeV—10 GeV）内,散射X射线光子的总截面和前向发射圆锥内（半圆锥角1/γ,其中γ=E/m₀ 关键词： 康普顿散射 能量特性 微分截面 角分布     

X-ray radiation from nonlinear Thomson scattering of an intense femtosecond laser on relativistic electrons in a helium plasma

We have generated x-ray radiation from the nonlinear Thomson scattering of a 30 fs/1.5 J laser beam on plasma electrons. A collimated x-ray radiation with a broad continuous spectrum peaked at 0.15 keV with a significant tail up to 2 keV has been observed. These characteristics are found to depend strongly on the laser strength parameter a(0). This radiative process is dominant for a(0) greater than unity at which point the relativistic scattering of the laser light originates from MeV energy electrons inside the plasma.     

相对论飞秒激光辐照表面调制靶产生高定向性正电子束

激光驱动的正电子源具有高产额、短脉宽、高能量的优点。采用粒子模拟和蒙特卡罗模拟相结合的方法,对相对论飞秒激光与表面具有微米丝阵结构的调制靶相互作用产生正电子束的过程进行了全三维的模拟研究。结果表明,在激光能量约3.2 J、脉宽约为40 fs的情况下,可得到产额为1011量级、最大能量达120 MeV的超热电子束,其轰击高Z转换靶可达到产额为109量级、截止能量约50 MeV的正电子,且正电子的发散角仅为4.92°。相比于平板靶,表面调制靶的使用可以提高正电子的产额、能量和定向性。