激光尾波場驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)連續(xù)小角度電子束研究進(jìn)展?

李榮鳳 高樹超 肖朝凡 徐智怡 薛興泰 劉建波 趙研英陳佳洱 盧海洋2) 顏學(xué)慶2)

1)(北京大學(xué)物理學(xué)院,核科學(xué)與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100871)

2)(北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)中心,北京 100871)

1 引 言

激光等離子加速器技術(shù)在1979年由Tajima和Dawson[1]提出以后,由于其獨(dú)特的無擊穿特性一直受到激光等離子體和加速器兩個(gè)領(lǐng)域的學(xué)者大量關(guān)注.隨著啁啾脈沖放大技術(shù)(chirped pulse amplif i cation,CPA)的提出[2],超短激光脈沖技術(shù)迅猛發(fā)展,近年來在實(shí)驗(yàn)室條件下已可獲得超過1020W/cm2的聚焦功率密度.當(dāng)前激光驅(qū)動(dòng)電子束主要有兩種加速機(jī)制:激光直接加速(direct laser acceleration,DLA)和激光尾波場加速(laser wakef i eld acceleration,LWFA).DLA機(jī)制通常針對(duì)等離子體密度較高情況,被加速電子能量不高且?guī)挻?發(fā)散角也較大,但是可以獲得大電量的電子束[3].LWFA機(jī)制通常利用較低的等離子體密度,在相對(duì)論強(qiáng)度激光作用下形成空泡結(jié)構(gòu),注入電子可在適當(dāng)條件下獲得長距離加速,因而可以實(shí)現(xiàn)高能量電子束輸出.通過控制注入和激光等離子體匹配條件可以獲得低能散高能電子束輸出.

激光與等離子體相互作用過程中,入射的強(qiáng)激光由于有質(zhì)動(dòng)力將電子排開,離子質(zhì)量較重相對(duì)保持在原位不動(dòng),電子離子的分離造成了電荷分離場,這種分離場將電子拉回,形成振蕩的等離子體波,等離子體波的相速度與激光群速度相等,具有一定初始動(dòng)量的背景電子,當(dāng)速度趕上等離子體波的相速度時(shí)容易被俘獲加速.根據(jù)一維非相對(duì)論縱向波破極限,強(qiáng)激光場驅(qū)動(dòng)下的等離子體尾波結(jié)構(gòu)形成的加速電場梯度可達(dá)100 GV/m,即有可能在厘米尺度上獲得GeV量級(jí)的加速粒子[4].自2004年《Nature》封面報(bào)道了法、美、英三國科學(xué)家同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室獲得較高品質(zhì)激光驅(qū)動(dòng)電子束的突破性進(jìn)展[5?7]之后,加速電子能量分別于2006年突破GeV[8],2013年達(dá)到2 GeV[9],2014年突破4.2 GeV[10],發(fā)展十分迅速.通過近年的實(shí)驗(yàn)和理論研究,各國科學(xué)家也在謀求電子品質(zhì)的提升,探索了各種注入方式和導(dǎo)引方式對(duì)加速電子的影響[11?13].國內(nèi)各研究小組在實(shí)驗(yàn)研究方面也取得了重大進(jìn)展.早在2008年,中國工程物理研究院利用毛細(xì)管導(dǎo)引獲得了0.56 GeV的電子束輸出[14].中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用級(jí)聯(lián)電子加速方案,實(shí)現(xiàn)電子注入和加速分別控制,成功開展了激光自引導(dǎo)電子級(jí)聯(lián)加速實(shí)驗(yàn)研究,獲得0.8 GeV電子束[15],并開展放電毛細(xì)管尾波場電子加速實(shí)驗(yàn),獲得高達(dá)1.8 GeV的高能電子束[16].上海交通大學(xué)采用了自截?cái)嗟碾婋x注入方法,得到了單能性比較好的GeV電子束[17].2016年清華大學(xué)也獲得了高品質(zhì)準(zhǔn)單能電子束輸出,且在尾場探測(cè)方面獲得了突破性進(jìn)展[18,19].

北京大學(xué)為進(jìn)行激光等離子體加速研究,目前已建成5 Hz,200 TW激光裝置[20],利用68 TW激光進(jìn)行了激光電子加速的初步實(shí)驗(yàn),采用含1%N2摻雜的He氣,采用電離注入得到了最高能量穩(wěn)定在290 MeV的連續(xù)譜電子輸出,其發(fā)散角～4 mrad(FWHM),且在高能部分(大于250 MeV)發(fā)散角小于3 mrad.結(jié)合電離注入的理論[21,22]對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)這種連續(xù)注入的機(jī)制使得相空間被填滿,電子在加速時(shí)可以獲得最大能量幾乎不變的輸出.

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡介

用于實(shí)驗(yàn)的200 TW激光裝置主要由振蕩器與雙CPA放大器構(gòu)成,其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示.振蕩器輸出飛秒脈沖經(jīng)CPA1(kHz)放大后進(jìn)入XPW濾波器,再進(jìn)入CPA2(5 Hz)進(jìn)行后續(xù)放大.CPA2經(jīng)過擴(kuò)束及放大之后獲得最高輸出能量可達(dá)7.2 J,經(jīng)過壓縮得到輸出能量5 J,脈沖寬度25 fs的激光脈沖.

圖1 已建成200 TW激光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.The layout of 200-TW laser system.

圖2 激光加速電子實(shí)驗(yàn)布局示意圖Fig.2.Schematic of experimental arrangement for laser electron acceleration.

現(xiàn)階段電子加速實(shí)驗(yàn)采用的結(jié)構(gòu)為單級(jí)氣體靶形式,其實(shí)驗(yàn)布局示意圖如圖2所示.主激光經(jīng)過F#12.5的離軸拋物面鏡(OAP)后聚焦到噴嘴下方氣體區(qū)域,利用強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)等離子體實(shí)現(xiàn)尾波場電子加速.激光等離子體通道內(nèi)等離子密度由經(jīng)過相互作用區(qū)域與主激光和噴嘴呈90°入射的探針光,經(jīng)干涉測(cè)量得到.其基本原理是利用探針光的大光斑和等離子體通道的柱狀特性,探針光上半部分經(jīng)過等離子體通道,其攜帶了等離子體相位信息,而下半部分未通過等離子體區(qū)域僅具有初始相位,由光斑的上下兩部分相互干涉信息獲得等離子體相位信息,根據(jù)等離子密度與相位的關(guān)系和等離子通道對(duì)稱性反演出等離子體通道密度分布信息[23].加速后的出射電子進(jìn)入磁極面平行于入射激光偏振方向的磁譜儀中,磁極面大小200 mm×160 mm,磁場強(qiáng)度1 T均勻分布,側(cè)向能夠出射電子最大能量145 MeV,正向出射電子最小能量265 MeV,采用Lanex熒光屏接收的電子信號(hào)經(jīng)成像系統(tǒng)后由電荷耦合器件(CCD)直接記錄.實(shí)驗(yàn)時(shí)CPA2輸出激光脈沖經(jīng)壓縮及傳輸系統(tǒng)到達(dá)OAP后功率約為68 TW(1.7 J,25 fs),其焦斑分布如圖3所示.實(shí)驗(yàn)中測(cè)得激光焦斑半高全寬尺寸為15μm,對(duì)應(yīng)能量集中度約為15%,因而激光聚焦平均強(qiáng)度I約為5.8×1018W/cm2.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)聚焦焦斑及焦斑分布Fig.3.(color online)The spot prof i le of the laser beam.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)中采用的脈沖氣閥可提供上升時(shí)間(上升沿觸發(fā)至形成穩(wěn)定氣流)約為1.2 ms,氣體脈沖與激光相互作用時(shí)間可通過延時(shí)器精確控制(精度高于微秒),實(shí)驗(yàn)中延時(shí)采用1.5 ms,即激光在氣閥觸發(fā)后1.5 ms入射至氣體區(qū)域.氣閥置于三軸控制平移臺(tái)上,因而可以精確控制氣閥與激光脈沖的相對(duì)位置.使用圓錐形噴嘴,其喉徑為0.3 mm,張角為5°,長度為33 mm,可提供長度超過5 mm的氣體區(qū)域.噴嘴在激光方向上可移動(dòng)距離為20 mm.實(shí)驗(yàn)中使用的氣體為He氣摻雜了1%的N2,背壓為30 bar(1 bar=105Pa),在距離噴嘴下方2.4 mm處經(jīng)激光電離形成密度約為ne=4.7×1018cm?3的等離子體區(qū)域.測(cè)量中,探針光與主激光的延時(shí)設(shè)定為20 ps.作為示例,圖4給出了背壓為30 bar時(shí),距離噴嘴下方2.4 mm處激光等離子體通道區(qū)域干涉密度圖和相應(yīng)反演密度分布.

實(shí)驗(yàn)中有效激光功率(考慮激光焦斑能量集中度后)為10 TW,在密度為ne=4.7×1018cm?3的等離子體中激光的自聚焦閾值為Pcrit[GW]?17(ωL/ωp)2=6.3 TW(其中ωp=為激光頻率),因而激光在其中可以通過自聚焦獲得更高強(qiáng)度.根據(jù)LWFA理論[24],其對(duì)應(yīng)耗散長度=2.78 mm.通參數(shù)計(jì)算可知

與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的最優(yōu)加速電子能量基本一致.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)背壓為30 bar,距離噴嘴下方2.4 mm處,(a)密度干涉圖和(b)反演得到的密度圖Fig.4.(color online)(a)Raw image of interferogram;(b)density of plasma inverted from(a).

圖5給出了磁譜儀正向測(cè)得的三發(fā)電子能譜原始數(shù)據(jù),實(shí)驗(yàn)中由于激光抖動(dòng)、噴嘴氣流的不穩(wěn)定性等因素使得發(fā)次之間的信號(hào)強(qiáng)弱略有差異,初步實(shí)驗(yàn)中未對(duì)成像系統(tǒng)傳輸效率進(jìn)行標(biāo)定,因此未對(duì)電子加速的電荷量進(jìn)行測(cè)量.根據(jù)磁譜儀的幾何結(jié)構(gòu)和磁場分布,我們計(jì)算了電子的能譜曲線.不難看出,發(fā)散角在能譜反演過程中將具有較大影響.圖6給出了磁譜儀正向測(cè)得的能譜橫向發(fā)散角隨能量的變化,對(duì)應(yīng)正向能譜數(shù)據(jù)圖5(c),由于正向屏的成像系統(tǒng)呈縮小倍率,單個(gè)像素對(duì)應(yīng)0.22 mrad,所以根據(jù)像素計(jì)數(shù)得到的發(fā)散角在2.5 mrad附近略有起伏.側(cè)向能譜能量較低,對(duì)應(yīng)發(fā)散角約為4 mrad,大于磁譜儀正向?qū)?yīng)的高能發(fā)散角(約為3 mrad).我們針對(duì)正向能譜反解時(shí),對(duì)發(fā)散角的影響進(jìn)行了計(jì)算比較,如圖7所示,分為三種情況:1)不考慮發(fā)散角的影響;2)發(fā)散角為±1 mrad;3)發(fā)散角為±2 mrad.可以看出,選擇與數(shù)據(jù)相匹配的發(fā)散角對(duì)應(yīng)分辨率反解出的能譜將更接近真實(shí)情況.

圖6 正向出射電子的發(fā)散角(對(duì)應(yīng)圖5(c))Fig.6.The divergence of the forward electrons corresponds to Fig.5(c).

實(shí)驗(yàn)中,我們通過改變激光在氣體中的相對(duì)位置來控制激光在氣體中傳輸和自聚焦條件,獲得了一組激光加速電子的最高能量與激光焦點(diǎn)距離噴嘴中心位置的相對(duì)關(guān)系曲線,如圖8所示(其中負(fù)號(hào)表示激光焦點(diǎn)位于噴嘴正下方與激光傳播相反的方向).從圖8可以看出,激光在氣體中需要經(jīng)過一定距離的自聚焦演化才能夠形成足夠強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)激光場,從而驅(qū)動(dòng)電子加速,在激光焦點(diǎn)相對(duì)于噴嘴中心變化400μm時(shí)對(duì)加速電子最大能量影響不大.

采用與實(shí)驗(yàn)條件相同的參數(shù)進(jìn)行二維(2D)Epoch模擬分析,模擬區(qū)域大小為100μm×100μm,網(wǎng)格密度為5000×2500 cells,采用移動(dòng)窗口,計(jì)算總長為6200μm,激光中心波長λ=0.8μm,脈寬30 fs(FWHM),歸一化光強(qiáng)a0=2.6,等離子體采用純He中摻雜1%N2,前后各有500μm線性上升沿、下降沿,中間5 mm的密度均勻區(qū)域ne=5×1018cm?3,激光聚焦于等離子體平臺(tái)區(qū)前500μm處.模擬中看到,激光入射到等離子體中,先產(chǎn)生了非線性尾場,當(dāng)采用純He時(shí)由于不滿足自注入條件P/Pcr?3,沒有自注入電子[25],在實(shí)驗(yàn)中也未觀察到電子信號(hào);當(dāng)采用在純He中摻雜1%N2時(shí)模擬中可以觀察到N原子K殼層電子發(fā)生電離,并持續(xù)注入到尾場加速結(jié)構(gòu)中,當(dāng)最開始注入的電子超過失相位置之后,后注入的電子仍在加速,整個(gè)相空間基本被填滿,得到連續(xù)分布的電子能譜;如圖9所示,相空間被填滿后隨著激光傳輸,相空間結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定,輸出電子的最大截止能量基本不變.當(dāng)激光焦點(diǎn)再繼續(xù)前移時(shí),加速電子能量將由于加速距離不足而下降.這樣的加速結(jié)構(gòu)最終在實(shí)驗(yàn)上得到了穩(wěn)定輸出的、最大能量近290 MeV連續(xù)譜電子束.

圖7 能譜計(jì)算 (a)不考慮發(fā)散角的影響;(b)發(fā)散角為±1 mrad;(c)發(fā)散角為±2 mradFig.7. The typically electron spectrum integrated with different divergence from original electron signal:(a)with 0 divergence;(b)with±1 mrad divergence;(c)with±2 mrad divergence.

圖8 激光焦點(diǎn)相對(duì)于噴嘴中心距離對(duì)加速電子的影響Fig.8.The effect of laser focal location on accelerated electrons maximum energy.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)2D模擬中隨著加速距離的增加加速電子相空間的演化Fig.9.(color online)The evolution of phase space with the increase of the acceleration distance in 2D Epoch simulation.

4 結(jié) 論

在北京大學(xué)已建成的200 TW飛秒激光加速器裝置上利用68 TW激光進(jìn)行了電子加速實(shí)驗(yàn)研究,采用電離注入的方式獲得了發(fā)散角小于4 mrad的最高能量穩(wěn)定在290 MeV的準(zhǔn)連續(xù)電子束輸出,通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量及理論計(jì)算比較,確認(rèn)了加速電子的能量測(cè)量系統(tǒng)的可靠性,利用該寬譜電子束可實(shí)現(xiàn)康普頓背散射X光源以及電子束超快成像等應(yīng)用.本工作將給未來在該系統(tǒng)上進(jìn)行的電子加速實(shí)驗(yàn),提供可靠診斷基礎(chǔ),為進(jìn)一步獲得高性能電子束奠定條件.

本文受到北京大學(xué)重離子物理研究所激光加速器團(tuán)隊(duì)成員的幫助,對(duì)所有對(duì)本工作做過貢獻(xiàn)的組員表示感謝.

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