李大章，高 杰

（中國(guó)科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049）

自1979年Tajima等［1］提出激光尾場(chǎng)加速器（LWFA）概念以來(lái)，激光等離子體加速器（LPA）受到新型加速原理研究領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。該方法利用超短超強(qiáng)激光脈沖和低密度等離子體相互作用產(chǎn)生一個(gè)跟在激光脈沖后面以接近光速的速度移動(dòng)的縱向加速電場(chǎng)，其加速梯度可達(dá)100GV／m，較傳統(tǒng)射頻加速結(jié)構(gòu)高了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，這為小尺寸、桌面型加速器的設(shè)想成為現(xiàn)實(shí)提供了可能。經(jīng)過(guò)30多年的努力，LPA 在提高束團(tuán)能量，控制束團(tuán)能散等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，一系列產(chǎn)生GeV 量級(jí)高能單能電子束的實(shí)驗(yàn)相繼被報(bào)導(dǎo)［2-4］。

此前在LPA 方面的實(shí)驗(yàn)研究大多集中于“空泡加速”領(lǐng)域［5-6］。這就要求激光脈沖的脈寬很短（τ≤30fs）且功率密度很高（I≥1019W／cm2）。滿足這些要求的激光器一般在穩(wěn)定性，調(diào)試、維護(hù)的周期，重復(fù)頻率等方面無(wú)法令人滿意。因此，產(chǎn)生的電子束質(zhì)量的提高往往過(guò)分依賴于激光器性能的提升或整體實(shí)驗(yàn)布局的復(fù)雜化（如引入碰撞脈沖以提高注入效率［7］，引入毛細(xì)管以延長(zhǎng)激光傳播距離［8］等）。與LWFA相對(duì)，自調(diào)制激光尾場(chǎng)加速器（SM-LWFA）可運(yùn)行于更長(zhǎng)脈寬、更小功率的激光器（如百飛秒，太瓦量級(jí)的激光器），對(duì)激光、等離子體參數(shù)的匹配要求也更低。SM-LWFA 最初是在激光器條件達(dá)不到LWFA 要求時(shí)作為替代方案被提出的［9-10］，它的優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)簡(jiǎn)單和擁有更高的加速性能。不僅如此，SM-LWFA 在控制束團(tuán)的尺寸和發(fā)散角方面有著天然的優(yōu)勢(shì)。但SM-LWFA 中電子的注入、加速過(guò)程往往并不穩(wěn)定，這使得人們一度認(rèn)為無(wú)法利用此種原理產(chǎn)生單能電子束團(tuán)，也逐漸忽視了在該方向的研究。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外一系列實(shí)驗(yàn)證明，在激光、等離子體參數(shù)合適的條件下，自調(diào)制激光尾場(chǎng)加速一樣可以產(chǎn)生高品質(zhì)電子束［11-15］。對(duì)這方面的研究具有很高的應(yīng)用前景。

1 實(shí)驗(yàn)布局及結(jié)果分析

圖1為實(shí)驗(yàn)布局。實(shí)驗(yàn)中到達(dá)靶面的激光能量約為150～250mJ，脈寬為80fs，折合功率為2～3TW。等離子體的產(chǎn)生裝置是馬赫數(shù)為5的長(zhǎng)條型氣體噴嘴，長(zhǎng)度為1.2mm，背壓為0.5～7.5 MPa。應(yīng)用Top view 和Shadow view 診斷，可觀察激光和等離子體相互作用時(shí)的通道產(chǎn)生情況，通過(guò)透射光光譜測(cè)量，可得到等離子體密度信息，而通過(guò)電子譜儀及角分布診斷設(shè)備可得出電子束團(tuán)的空間分布及能譜信息。

圖2示出了典型的等離子體通道測(cè)量結(jié)果。從圖中可看出，激光在等離子體中傳輸接近1mm（約15倍瑞利長(zhǎng)度）而沒有明顯發(fā)散，說(shuō)明等離子體對(duì)激光產(chǎn)生了良好的自聚焦作用，這有利用自調(diào)制的充分發(fā)生以及電子的穩(wěn)定加速。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局Fig.1 Experimental setup

圖2 等離子體通道的測(cè)量結(jié)果Fig.2 Measurement result of plasma channel

圖3 透射光譜的測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement result of optical spectrum

圖3示出了透射光譜的測(cè)量結(jié)果。從圖中可看出，激光和等離子體相互作用后發(fā)生了明顯的藍(lán)移，這是自調(diào)制產(chǎn)生的重要標(biāo)志之一。根據(jù)藍(lán)移量的大小，可估算出當(dāng)背壓在1～6.5 MPa變化時(shí)，相互作用中的等離子體密度約為3.8×1018～2.5×1019cm-3。

圖4示出電子角分布及能譜測(cè)量結(jié)果。從圖4a可看出，出射電子束團(tuán)在未經(jīng)磁鐵偏轉(zhuǎn)時(shí)的水平、垂直發(fā)散角均為2 mrad，束流的對(duì)稱性和亮度均較高。從圖4b可看出，電子具有較好的單能性，束團(tuán)中心能量約為23 MeV，能散為±3.5%，電量為6pC，垂直發(fā)散角約為2mrad（這與角分布測(cè)量是相吻合的）。據(jù)此得到束團(tuán)的歸一化發(fā)散角θn＝γ·θx，y＝92mrad，這在已有的LPA 實(shí)驗(yàn)中是最小的。若假設(shè)束團(tuán)尺寸和模擬中得到的約0.8μm，則估算歸一化發(fā)射度可達(dá)0.07 mm·mrad，已達(dá)到甚至超過(guò)了目前最先進(jìn)的光陰極微波電子槍的水平。

圖4 電子角分布（a）及能譜測(cè)量結(jié)果（b）Fig.4 Electron beam profile（a）and measurement result of energy spectrum（b）

2 模擬結(jié)果與討論

為更好地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究相互作用的機(jī)制，利用OOPIC 程序?qū)Ρ緦?shí)驗(yàn)進(jìn)行了有針對(duì)性的研究，模擬結(jié)果示于圖5。

圖5 等離子體電子密度（a～d）和激光脈沖（e～h）隨時(shí)間的變化Fig.5 Plasma electron density（a-d）and laser pulse（e-h）vs.time

從圖5可看出，當(dāng)激光脈沖剛進(jìn)入等離子體中時(shí)，由于自聚焦的作用，其橫向尺寸明顯變?。▓D5a、b、e、f），同時(shí)等離子體電子被激光脈沖橫向排開，圍繞在其周圍形成密度較高的電子鞘層。隨著激光脈沖的進(jìn)一步傳輸（圖5c、g），由于等離子體波長(zhǎng)小于激光脈沖長(zhǎng)度，所以回流電子將和脈沖尾部發(fā)生碰撞、耦合，導(dǎo)致激光脈沖尾部被侵蝕，脈寬變短，強(qiáng)度增加。同時(shí)脈沖橫向變寬，在等離子體中形成一類似于空泡的加速結(jié)構(gòu)。在空泡的尾部有背景等離子體電子被俘獲并加速。隨著自注入電子的產(chǎn)生和加速，激光脈沖的尾部被加速侵蝕，但仍能在幾百μm 的距離內(nèi)維持空泡加速結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而使自注入電子獲得幾十MeV 的能量，且保持較低的能散。同時(shí)，較高密度的等離子體可提供更大的橫向聚焦力，從而很快阻尼束團(tuán)的橫向振蕩，使束團(tuán)的尺寸、發(fā)散角及發(fā)射度保持在一極低水平。

3 結(jié)語(yǔ)

本工作報(bào)道了利用2TW 量級(jí)的激光器產(chǎn)生了準(zhǔn)單能電子束團(tuán)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這是國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用TW 量級(jí)激光器產(chǎn)生高品質(zhì)電子束團(tuán)。與國(guó)際上應(yīng)用類似激光器所得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比，本工作的電子束質(zhì)量也是最高的。根據(jù)估算，在實(shí)驗(yàn)中得到的電子束團(tuán)的歸一化發(fā)射度已達(dá)到甚至超過(guò)了目前最先進(jìn)的光陰極微波電子槍的水平。再考慮到激光尾場(chǎng)加速所產(chǎn)生的電子束團(tuán)具有天然的尺寸?。◣讉€(gè)μm 量級(jí)）、束長(zhǎng)短（幾十飛秒）等優(yōu)點(diǎn)，我們認(rèn)為，不遠(yuǎn)的將來(lái)有望將其應(yīng)用到傳統(tǒng)加速器領(lǐng)域，用來(lái)替代電子槍，或者作為傳統(tǒng)加速器的前級(jí)使用。

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