基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

激光等离子体尾波加速器的发展和展望

超强激光在气体等离子体中传输时可以激发出大振幅的电子等离子体尾波。激光等离子体尾波加速器是利用该尾波对带电粒子（特别是电子和正电子）进行加速的一种新型装置。由于其加速梯度相较于现有的常规加速器可以提升1000倍，为建造超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础，也为将来建造基于等离子体的超高能正负电子对撞机和自由电子激光装置提供了可能。对该新型加速器的原理、特点、发展历程，尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。     

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.     

中空等离子体通道中强激光脉冲对电子的加速

分析了中空等离子体通道内传播的强激光脉冲电磁场中注入电子的运动,发现当激光脉冲强度超过某个阈值时,电子能获得有效的纵向加速并自动与脉冲分离.所得结果为实验提供了参考和依据.     

相对论强激光与近临界密度等离子体相互作用的质子成像

近临界密度是激光等离子体相互作用中能量吸收和高能电子产生的重要等离子体参数区间.利用激光加速产生的质子束作为电磁场探针,研究了超强激光与近临界密度等离子体相互作用产生的等离子体结构及其时间演化.实验发现,初始均匀分布的质子束穿过近临界密度等离子体后分裂为两个斑.两个质子束斑的间距随着作用时间先增大后减小.并且两个束斑呈不对称分布.分析认为,幅度约为10~9 V/m的不对称分布瞬变电场是产生质子束偏折和分裂的主要原因.粒子模拟的结果也验证了这一解释.该研究对激光尾场电子加速、离子加速、惯性约束聚变快点火方案研究等有一定的参考价值.     

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。     

双示踪元素X射线能谱诊断激光等离子体电子温度

在“星光Ⅱ”激光装置上对Mg/Al混合材料平面靶和Mg/Al示踪层金盘靶进行三倍频激光打靶实验,用平面晶体谱仪测量靶材料发射的X射线能谱,获取了示踪离子谱线实验数据.采用多组态Dirac-Fock方法计算所需原子参数,并在局域热动平衡条件下建立了双示踪离子谱线强度比随电子温度变化关系.在此基础上由双示踪元素等电子谱线法确定了Mg/Al混合材料平面靶及金盘靶激光等离子体的电子温度 关键词： 电子温度 激光等离子体 X射线能谱     

快点火中质子的能量沉积和神光Ⅱ升级装置上的质子束的产生

基于神光Ⅱ升级装置激光条件,利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序,模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件.首先根据快点火靶的条件,利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围,模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm³时,能量为7—12 MeV的质子束适合点火;当背景等离子体密度为400 g/cm³时,能量为8—18 MeV的质子束适合点火.再根据神光Ⅱ升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数,通过利用粒子模拟程序,结合流体程序给出的预等离子体,分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速,在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV,没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV,具体分析了两种情况下质子加速的物理机制,其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.     

激光尾波场驱动准连续小角度电子束研究进展

报道了在北京大学新建成的5 Hz 200 TW飞秒激光加速器实验装置上利用68 TW(1.7 J,25 fs)的激光与混合气体(99%He掺杂1%N_2)进行激光电子加速的初步实验结果与理论分析.在实验中观测到了最大截止能量为290 MeV的连续电子能谱,并且最大输出能量在一定的聚焦范围内基本不变.二维particle-in-cell模拟表明:电离注入导致电子不断注入,使得纵向相空间在激光传播几个毫米后基本被电子填满;之后相空间中电子分布基本保持稳定,随着激光传播距离的增加,输出电子最大能量几乎不变,这与实验观察到的最大输出能量随激光聚焦位置在一定范围内不变的现象一致.实验与模拟结果揭示了在当前实验条件下连续电离注入对电子束品质的影响,为今后进一步优化电离注入电子品质提供了依据.     

短脉冲强激光打靶产生的质子角分布实验研究

 采用短脉冲强激光辐照固体双层薄靶的方式对质子束的产生及质子束角分布开展了实验研究。在SILEX-Ⅰ短脉冲激光装置上利用脉宽为30 fs的强激光辐照背面镀有CH膜的金膜靶,在距离靶背3.3 cm处采用CR39记录靶背出射的质子角分布。通过分析靶背出射质子的角分布,研究了激光功率密度和对比度对质子加速机制的影响。研究结果表明:占主导地位的质子产生和加速机制对激光预脉冲比较敏感。激光预脉冲较弱时,靶背壳电场加速机制占主导地位;当激光预脉冲较强时,靶前加速机制占主导地位。此外,还对导致质子环形分布的磁场大小进行了估算。     

超薄靶激光质子加速实验研究

在超短超强飞秒SILEX-Ⅰ激光装置上,开展了薄膜靶激光质子加速的实验研究。实验发现激光预脉冲、靶厚度对质子加速有很大的影响。在激光强度3×1018~3×1019W/cm2条件下,采用前表面厚度为3μm铜、后表面镀4μm厚CH靶,质子的最大能量达到3.15 MeV。而对190 nm厚CH膜靶,质子的最大能量为0.54 MeV。初步研究了激光偏振对质子加速的影响,相同激光功率条件下,圆偏振激光加速产生的质子最大能量略低于P偏振打靶。这些结果与靶后鞘层加速机制相一致。     

Generation of Electron Beams in the Range of Forevacuum Pressures

This paper presents the results of a study on the generation of electron beams at gas pressures ranging from 0.01 to 0.1 Torr. The fact that this range of pressures is attainable with mechanical pumps only has provoked interest in this problem. To generate an electron beam, use is made of a plasma source based on a hollow-cathode discharge in combination with a plane-parallel acceleration gap. In the given range of pressures, the peculiarities of emission and acceleration of electrons are related to the high probability of ionization of the gas in the acceleration gap and to the formation of an ion flow propagating toward the electron beam. This causes a decrease in discharge operating voltage and also an increase in plasma density in the emission region. Two types of breakdown are observed in the acceleration gap: an interelectrode breakdown and a breakdown in the plasma–electrode system. The designed electron source allows one to obtain beams of cylindrical cross section with currents of up to 1 A and energies of up to 10 keV.     

高品质激光尾波场电子加速器

激光尾波场电子加速的加速梯度相比于传统直线加速器高了3—4个量级,对于小型化粒子加速器与辐射源的研制具有重要的意义,成为当今国内外的研究热点.台式化辐射源应用需求的提高,特别是自由电子激光装置的快速发展,对电子束流品质提出了更高的要求,激光尾波场电子加速的束流品质和稳定性是目前实现新型辐射源的首要障碍.本文归纳整理了中国科学院上海光学精密机械研究所电子加速研究团队十年来在研制台式化激光尾波场电子加速器过程中采取的方案和取得的进展.例如率先提出了注入级和加速级分离的级联加速方案,通过实验获得了GeV量级的电子束能量;基于级联加速方式利用能量啁啾控制,实验获得世界最高品质的电子束流;通过优化激光系统稳定性和特殊的气体喷流结构,获得稳定的高品质电子束流输出等.这一系列实验结果有利于进一步推进激光尾波场电子加速器的应用.     

超短超强激光脉冲作用下的Mo等离子体X射线辐射(英文)

在SILEX-1激光器上,利用光子计数型CCD测量了超短超强激光束与高纯度Mo相互作用而产生的发射谱。实验发现, 在超短超强激光脉冲作用下, Mo等离子体辐射Kα X射线, 这一过程伴随很强的热辐射和轫致辐射。Mo等离子体Kα X射线辐射强度、 热辐射和轫致辐射随激光功率密度增加而增强。Using a Single photon counting CCD, X ray emission spectra of high purity Mo irradiated by ultra short and ultra intense laser pulse was firstly detected. The experiment was carried out with the SILEX 1 laser facility. The experimental results show that, for Mo target, characteristic K shell emission (Kα) is observed in the 0.23—2.32 J energy range in addition to a broadband bremsstrahlung background, and the X ray radiation intensity, thermal radiation and bremsstrahlung increase with enhancementofthe laser power density.     

Tomography of injection and acceleration of monoenergetic electrons in a laser-wakefield accelerator

A tomographic diagnosis method was developed to systematically resolve the injection and acceleration processes of a monoenergetic electron beam in a laser-wakefield accelerator. It was found that all the monoenergetic electrons are injected at the same location in the plasma column and accelerated from 5 to 55 MeV energy in 200 microm distance. This is a direct measurement of the real acceleration gradient in a laser-wakefield accelerator, and the experimental data are consistent with the model of transverse wave breaking and beam loading for monoenergetic electron injection.     

Developments in laser wakefield accelerators:From single-stage to two-stage

Laser wakefield accelerators(LWFAs)are compact accelerators which can produce femtosecond high-energy electron beams on a much smaller scale than the conventional radiofrequency accelerators.It is attributed to their high acceleration gradient which is about 3 orders of magnitude larger than the traditional ones.The past decade has witnessed the major breakthroughs and progress in developing the laser wakfield accelerators.To achieve the LWFAs suitable for applications,more and more attention has been paid to optimize the LWFAs for high-quality electron beams.A single-staged LWFA does not favor generating controllable electron beams beyond 1 Ge V since electron injection and acceleration are coupled and cannot be independently controlled.Staged LWFAs provide a promising route to overcome this disadvantage by decoupling injection from acceleration and thus the electron-beam quality as well as the stability can be greatly improved.This paper provides an overview of the physical conceptions of the LWFA,as well as the major breakthroughs and progress in developing LWFAs from single-stage to two-stage LWFAs.     

超强激光脉冲作用下的Au等离子体L-X射线辐射测量

基于SILEX-Ⅰ激光器,利用单光子计数型电荷耦合器件,在超强超短脉冲激光与高纯度Au靶相互作用中,通过改变入射激光的能量,测量了不同激光功率密度下的Au等离子体L-X射线发射谱。实验结果表明:在超强超短脉冲激光作用下,Au等离子体L-X射线发射过程中由于高速电子存在,会诱发很强的热辐射和轫致辐射,并且Au等离子体特征L-X射线发射强度、热辐射和轫致辐射随激光功率密度增加而增强。     

Cold electrons acceleration in TNSA laser-generated plasma using a low-contrast fs laser

The fs laser facility in Bordeaux, delivering an intensity of 10¹⁸ W/cm² at normal incidence on thin foils, has been used to induce forward electron and ion acceleration in target-normal-sheath-acceleration (TNSA) regime. Micrometric thin foils with different composition, thickness, and electron density, were prepared to promote the charge particle acceleration in the forward direction. The plasma electron and ion emission monitoring were performed on-line using SiC semiconductor detectors in time-of-flight (TOF) configuration and gaf-chromics films both covered by thin absorber filters. The experiment has permitted to accelerate electrons and protons. A special attention was placed to detect relativistic hot electrons escaping from the plasma and cold electrons returning to the target position. The electron energies of the order of 100 keV and of about 1 keV were detected as representative of hot and cold electrons, respectively. A high cold electron contribution was measured using low-contrast fs laser, while it is less evident using high-contrast fs lasers. The charge particle acceleration depends on the laser parameters, irradiation conditions, and target properties, as will be presented and discussed.