基于混合注入機(jī)制的級聯(lián)尾場電子加速*

譚放 張曉輝 朱斌 李綱 吳玉遲 于明海 楊月 閆永宏 楊靖 范偉 董克攻 盧峰 谷渝秋?

1) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥 030006)

2) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,高溫高密度等離子體物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)

1 引 言

1979年,Tajima和Dawson[1]提出了激光等離子體波加速器的設(shè)想.其基本原理是超短超強(qiáng)激光在氣體里傳輸,其尾部可以激發(fā)出縱向的尾波電場,該電場可以用于加速帶電粒子.當(dāng)尾波場強(qiáng)度超過等離子體所能允許的最大電場強(qiáng)度而發(fā)生波破時(shí),運(yùn)動(dòng)速度超過尾波場相速度的電子可以被注入進(jìn)尾波場中,隨后在尾波電場中被進(jìn)一步加速[2].等離子體尾波電場的強(qiáng)度E0主要由等離子體密度np決定,其簡易表達(dá)式為E0[GV/m]=300(np)1/2[1019cm-3],通常為數(shù)十MV/cm-GV/cm量級.激光尾場電子加速器可以通過毫米至厘米的加速距離,將電子加速至幾十MeV至GeV量級,代表了新一代加速器的發(fā)展方向[3].2004年美國LBNL實(shí)驗(yàn)室[4]、英國RAL實(shí)驗(yàn)室[5]以及法國LOA實(shí)驗(yàn)室[6]同時(shí)報(bào)道了在激光尾場電子加速方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重新喚起了尾場電子.而經(jīng)過多年的發(fā)展,激光尾場加速器已經(jīng)可以獲得能量為數(shù)GeV量級的尾場電子[7-10].

激光尾場電子加速器產(chǎn)生的高品質(zhì)電子束可以進(jìn)一步產(chǎn)生高質(zhì)量的輻射源.2001年,Catravas等[11]提出了全光湯姆遜散射光源的設(shè)想,使用激光尾場加速產(chǎn)生高能電子,再用激光與尾場電子相作用產(chǎn)生X射線脈沖.全光湯姆遜散射光源有希望獲得脈寬短至10 fs,源尺寸小于5 μm、發(fā)射角mrad量級、單色性很好的高品質(zhì)臺面硬X射線和伽馬射線源.目前,實(shí)驗(yàn)建立的全光湯姆遜散射光源主要有兩種類型: 一種采用兩束激光對打[12-16],對激光和電子的時(shí)空同步要求極高,但能夠用于噴嘴、氣室、毛細(xì)管等多種尾場電子加速器上; 另一種使用等離子體鏡反射主激光,使其與尾場電子相作用[17-19],激光與電子的時(shí)空同步難度低,但需要主激光被良好地自聚焦且能量不能損耗過大,只能用于較短的噴氣靶尾場電子加速器.

穩(wěn)定的高品質(zhì)單能全光湯姆遜散射光源的核心需求是穩(wěn)定的高品質(zhì)單能尾場電子,這也是激光尾場電子加速技術(shù)本身發(fā)展的需求.為了獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)單能尾場電子,國內(nèi)外的研究者開展了一系列針對尾場電子注入機(jī)制的研究.早期研究中,波破導(dǎo)致的電子注入被稱為自注入[20-26],其發(fā)生時(shí)間、位置以及注入的電量嚴(yán)重依賴于激光在等離子體內(nèi)部的非線性傳輸及自聚焦過程,因此具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,對初始參數(shù)也非常敏感,每發(fā)打靶電子的注入位置都會改變,使得最終獲得的尾場電子發(fā)與發(fā)之間的重復(fù)性很差.為了進(jìn)一步提高尾場電子的穩(wěn)定和重復(fù)性,電子注入技術(shù)得到了深入的研究,如離化注入[7,27-30]、碰撞注入[31-33]、密度梯度注入[34-37]、沖擊波前沿注入[38-43]等.離化注入[27]是在低Z氣體里混入少量高Z氣體,例如在He氣里混入少量N2氣,激光功率密度較高的部分可以將N原子內(nèi)層的電子電離并直接注入進(jìn)尾場加速相從而得到加速.激光在混合氣體中傳輸時(shí),離化注入通常發(fā)生在整個(gè)等離子體通道中,由此產(chǎn)生的尾場電子電量較大,但能譜為連續(xù)譜.碰撞注入[31-33]是使用第二束激光與主激光碰撞形成駐波,在駐波波峰所在區(qū)域激光強(qiáng)度大大提高,使得電子只在駐波波峰附近注入,該方法也可以獲得穩(wěn)定的單能尾場電子,但需要實(shí)現(xiàn)兩束激光高精度時(shí)空同步,實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度很高.密度梯度注入[34-37]通過使用具有連續(xù)變化的密度梯度的氣體靶,變化的等離子體密度可以控制尾場加速結(jié)構(gòu)的尺度,從而實(shí)現(xiàn)電子的注入和持續(xù)加速.密度梯度注入也是一個(gè)持續(xù)的過程,導(dǎo)致電子能譜通常也為連續(xù)譜.沖擊波前沿注入(shock wave front injection)[38-43]可以看作一種發(fā)生在極陡峭的密度梯度處的電子注入.其原理是在超音速噴嘴上附加刀片,超音速氣流接觸刀片時(shí),在刀邊邊緣被減速,產(chǎn)生一個(gè)尺度極小但密度變化非常陡峭的高密度區(qū)域.激光在這個(gè)區(qū)域的密度下降沿處形成急速膨脹的尾場結(jié)構(gòu),尾場相速度降低,使原本不能被注入進(jìn)尾場加速區(qū)的電子包含進(jìn)加速區(qū),從而在一個(gè)尺度極小且位置受控的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)電子的注入.在沖擊波前沿注入的電子的初始狀態(tài)以及后續(xù)的加速距離都一致,因此可以大大提高尾場電子的單能性和穩(wěn)定性.

因?yàn)槲矆鲭娮拥淖⑷牒图铀傩枰煌牡入x子體密度條件,一個(gè)很自然的想法就是將電子的注入和加速分開,分別使用不同的氣體密度來滿足兩個(gè)過程不同的需求.小尺度的高密度注入級可以產(chǎn)生能量較低的單能電子作為種子束.大尺度的低密度加速級無法注入電子但是可以通過較長距離的加速將種子束加速至高能量,這就是所謂的級聯(lián)加速[44,45].級聯(lián)電子加速技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)對電子注入和加速過程的控制,同時(shí)也可以為之后開展多路級聯(lián)研究奠定基礎(chǔ),有希望通過多次尾場加速將電子加速至TeV量級[46,47].在多路級聯(lián)電子加速技術(shù)中,小能量高重頻激光器產(chǎn)生的尾場電子可以作為種子源,在后續(xù)的級聯(lián)加速過程中得到進(jìn)一步的加速.種子源的單能性和穩(wěn)定性對后續(xù)的電子加速過程以及最終獲得的電子束參數(shù)有重要影響,因此有必要探索小能量高重頻激光條件下降低尾場電子絕對能散并提高電子束參數(shù)穩(wěn)定性的途徑.

項(xiàng)目組在之前的研究中已經(jīng)在激光聚變研究中心的SILEX-I裝置上成功獲得了58 MeV的單能尾場電子[48],但尾場電子的重復(fù)性仍然不夠好.基于新建的45 TW重頻激光器,通過對現(xiàn)有的電子注入技術(shù)以及電子加速技術(shù)的調(diào)研,項(xiàng)目組確定了技術(shù)路線: 在現(xiàn)有的超音速噴嘴尾場電子加速裝置上引入沖擊前沿注入技術(shù)、離化注入技術(shù)以及級聯(lián)電子加速技術(shù),來產(chǎn)生全光湯姆遜散射光源所需的可以穩(wěn)定重復(fù)運(yùn)行的單能電子束.為了獲得更加穩(wěn)定且重復(fù)性好的尾場電子,Thaury等[49]和Golovin等[50]的研究表明,結(jié)合多種控制注入技術(shù)以及級聯(lián)加速技術(shù)的混合加速技術(shù)可以有效克服單個(gè)技術(shù)的極限,獲得質(zhì)量和穩(wěn)定性更好的單能尾場電子.目前混合加速相關(guān)的研究成果較少,還有大量的物理細(xì)節(jié)需要探索.因此我們開展了這方面的研究,通過對噴嘴的設(shè)計(jì),使用單個(gè)噴嘴實(shí)現(xiàn)了注入和加速的分離,然后在注入級引入沖擊前沿結(jié)合離化注入的方式,獲得了穩(wěn)定產(chǎn)生的尾場電子.

2 實(shí)驗(yàn)布局及參數(shù)

尾場電子加速實(shí)驗(yàn)的噴嘴設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)排布如圖1(a)所示.實(shí)驗(yàn)中使用的超音速噴嘴為單路供氣的雙出口噴嘴,第一個(gè)出口為直線型管道,出口直徑為1 mm,第二個(gè)出口為錐形管道,出口直徑2 mm.直線型管道噴出的氣體尺度小、流速慢、氣體密度高,對應(yīng)的等離子體密度也高,激光與其作用更容易產(chǎn)生電子注入,因此可以作為級聯(lián)加速的電子注入級.錐形管道噴出的氣體尺度大、流速快、氣體密度低,不容易發(fā)生電子注入,但對激光能量的損耗較小,可以支持長距離的電子加速,因此可以作為級聯(lián)加速的電子加速級.注入級的出口處安裝刀邊,氣體流經(jīng)刀邊邊緣時(shí)可以產(chǎn)生密度更高、尺度更小的沖擊波前沿,更有利于電子注入.同時(shí)由于注入級與加速級分開,注入級的刀邊不會影響加速級的氣體密度分布.飛秒激光聚焦到噴嘴的加速級中心,與超音速噴嘴噴出的氣體相作用產(chǎn)生尾場電子.使用熒光屏(Gd2O2S:Tb)將電子的束斑轉(zhuǎn)換成可見光光斑,再使用一臺16 bit CCD(1024×1024像素)結(jié)合成像鏡頭可以實(shí)現(xiàn)電子束斑的在線監(jiān)測.使用磁譜儀(0.8 T,230 mm)對電子進(jìn)行偏轉(zhuǎn),用熒光屏(Gd2O2S:Tb)結(jié)合16 bit CCD記錄電子能譜.整套磁譜儀的效率經(jīng)過標(biāo)定,可以直接由熒光屏發(fā)光強(qiáng)度給出電子電量.

實(shí)驗(yàn)中為了保護(hù)激光器,打靶功率限制為30 TW,到靶能量為700 mJ,脈寬25 fs,激光波長為800 nm,激光聚焦OAP的焦距為420 mm,聚焦焦斑為10 μm(半高全寬,40%能量集中度),激光的歸一化強(qiáng)度a0=2.9.激光打靶高度距離噴嘴上沿2 mm,激光聚焦位置為加速級中心.為了測量噴嘴附近的氣體密度分布,使用探針激光對氣體進(jìn)行陰影照相,同時(shí)在0-180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴嘴,每隔3°測量一次氣體密度分布,最后使用三維CT重建算法計(jì)算得到噴嘴附近氣體密度的三維分布.噴氣氣壓為650 kPa且噴嘴附加刀邊時(shí),其附近的氣體密度分布如圖1(b)所示,噴嘴軸線上距離噴嘴2 mm處氣體密度的一維分布如圖1(c).可以看到,刀邊的引入在噴嘴的兩個(gè)出口之間2 mm位置處產(chǎn)生了一個(gè)高密度氣柱,其后沿存在一個(gè)極陡的氣體密度下降沿.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電子的束斑大小可以反映尾場加速機(jī)制是否生效.前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),當(dāng)電子的束斑變成極小的沒有旁瓣的斑時(shí),可以認(rèn)為激光在等離子體內(nèi)得到了良好的引導(dǎo),尾場電子在等離子體通道內(nèi)得到充分的加速,其電子能量達(dá)到最大值,其束斑才能達(dá)到極小.因此可以通過檢測電子束斑的尺寸隨激光和靶參數(shù)的變化,優(yōu)化電子束斑,來尋找最優(yōu)的尾場加速條件.

圖1 (a) 噴嘴設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)排布; (b) 氣體密度分布側(cè)視二維圖; (c) 2 mm高處氣體密度對應(yīng)電子密度的一維分布Fig.1.(a) The gas jet designment and the experimental layout; (b) the side view of the gas density distribution; (c) the one dimensional electron density at a height of 2 mm from the gas jet.

通過比較不同的實(shí)驗(yàn)條件下電子束斑隨噴氣氣壓的變化,可以研究沖擊波前沿注入、離化注入、級聯(lián)加速等技術(shù)的有效性.實(shí)驗(yàn)中涉及四種實(shí)驗(yàn)條件: I)使用刀邊堵住注入級,形成只有單加速級的噴嘴,工作氣體使用純He氣; II)噴嘴包含注入級和加速級,不附加刀邊,工作氣體為He(97.5%)/N2(2.5%)混合氣; III)噴嘴包含注入級、加速級和刀邊,工作氣體為純He氣; IV) 噴嘴包含注入級、加速級和刀邊,工作氣體為He(97.5%)/N2(2.5%)混合氣.

圖2(a)-圖2(e)為條件I)下所獲得的電子束斑,可以觀察到,對于純He氣、單加速級情況,噴氣氣壓低于2200 kPa時(shí)完全沒有電子產(chǎn)生.只有當(dāng)噴氣氣壓提升至2200 kPa時(shí),才能產(chǎn)生尾場電子,但束斑位置非常不穩(wěn)定.在更高的氣壓下(2600 kPa)會出現(xiàn)多次注入導(dǎo)致的多個(gè)電子束斑.進(jìn)一步的測量顯示,電子能譜的穩(wěn)定性很差,且全為連續(xù)譜,說明電子主要來自于自注入機(jī)制,并且在激光與靶相互作用的全過程中都會發(fā)生.

去掉刀邊,同時(shí)將工作氣體更換為混合氣體,條件II)下所獲得的電子束斑如圖2(f)-圖2(j)所示.與條件I)下獲得的結(jié)果相比,注入級以及混合氣體的使用使得產(chǎn)生尾場電子的下限氣壓明顯降低至1800 kPa,且電子束斑的位置變穩(wěn)定.進(jìn)一步對電子能譜的測量顯示,電子能譜仍然為連續(xù)譜,但穩(wěn)定性變好,說明混合氣體的引入使得電子注入的物理機(jī)制變?yōu)殡x化注入,提高了電子注入的穩(wěn)定性.但在不附加刀邊的情況下,注入級與加速級的等離子體密度差不夠高,不能穩(wěn)定地將電子注入位置限制于注入級,在激光與靶相互作用的全過程中都會發(fā)生離化注入.

通過在注入級附加刀邊,可以在注入級中產(chǎn)生沖擊波前沿,比較工作氣體分別為純He氣以及He/N2混合氣時(shí)的電子束斑,如圖3(a)-圖3(e)以及圖3(f)-圖3(j),分別對應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件III)和IV).圖3(a)-圖3(e)顯示,工作氣體為純He氣時(shí),在1800 kPa才開始有電子注入.提高噴氣氣壓時(shí),角分布光斑的位置波動(dòng)極大,并且高于2400 kPa時(shí)會有多光斑出現(xiàn).進(jìn)一步的電子能譜測量結(jié)果也顯示,在下限氣壓(1800 kPa)時(shí),仍然無法產(chǎn)生穩(wěn)定的單能電子.通過比較圖2(f)-圖2(j)以及圖3(a)-圖3(e)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),對于離化注入(混合氣)、沖擊波前沿注入(附加刀邊)、級聯(lián)加速(雙噴嘴)這三種條件,實(shí)驗(yàn)中只采用其中兩種時(shí),發(fā)生電子注入所需的氣壓皆高于1800 kPa,并且皆不能將電子注入穩(wěn)定地約束在注入級內(nèi).而同時(shí)應(yīng)用上述三種條件,即實(shí)驗(yàn)條件IV),不同噴氣氣壓下的電子束斑如圖3(f)-圖3(j)所示.可以看到,在噴氣氣壓500 kPa時(shí)就開始有電子注入,且電子的出射方向基本穩(wěn)定.對電子能譜進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)有部分發(fā)次出現(xiàn)單能電子.由此可見,混合氣體中的離化注入可以顯著降低電子注入發(fā)生的氣體密度,結(jié)合沖擊波前沿注入,可以有效地將離化注入約束到?jīng)_擊波前沿處.這些注入的電子可以在加速級中得到進(jìn)一步加速,有希望獲得穩(wěn)定的單能電子.

基于圖3(f)-圖3(j)的結(jié)果,在條件IV)時(shí),在噴氣氣壓600 kPa附近精細(xì)地調(diào)節(jié)噴氣氣壓,最后發(fā)現(xiàn)噴氣氣壓為650 kPa時(shí)電子束斑大小和指向的穩(wěn)定性最佳,因此在該密度下連打6發(fā),測試其多發(fā)打靶條件下的穩(wěn)定性,打靶結(jié)果見表1.

圖3 電子束斑 (a)-(e) He氣結(jié)果; (f)-(j) He氣混入2.5% N2氣結(jié)果Fig.3.The electron angular distribution for (a)-(e) pure He and (f)-(j) the mixed gas of He with 2.5% N2.

表1 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶6發(fā)得到的電子束斑參數(shù),θx,,θy為出射方向,σx,σy為角分布光斑的半高全寬直徑Table 1.The emitting direction θx,θy and the FWHM angular spread σx,σy of the electron angular distribution for continuous 6 shots under jet pressure of 650 kPa.

從表1可以看到,連續(xù)打靶六發(fā),電子出射角度的平均值為(-21.3±2.6,24.4±3.06) mrad,角分布光斑的半高全寬(FWHM)為(6.07±1.4,4.85±0.7) mrad.光斑最小的發(fā)次為562發(fā),其放大的角分布如圖4,角分布光斑在x和y方向的半高全寬分別為3.8和3.6 mrad.對電子束斑的測量結(jié)果顯示,基于級聯(lián)加速、沖擊前沿注入以及離化注入技術(shù),尾場電子出射方向的穩(wěn)定性得到了提升,發(fā)散角也得到了控制.

圖4 噴氣氣壓650 kPa時(shí)發(fā)射角最小的電子束斑Fig.4.The spot size for shot 0562 when the jet pressure is 650 kPa.

接下來使用磁場強(qiáng)度為8000 Gs (1 Gs=10-4T)的磁譜儀對電子能譜進(jìn)行測量,連續(xù)打靶5發(fā),測量得到的電子能譜結(jié)果如圖5,其具體參數(shù)如表2所列,其中電子束電量由經(jīng)標(biāo)定后的熒光成像系統(tǒng)給出.由能譜測量結(jié)果可以看到,連續(xù)打靶時(shí),可以基本保持電子的單能性,且電子能譜基本沒有低能尾部,呈現(xiàn)干凈的單能峰結(jié)構(gòu).多發(fā)打靶時(shí)電子中心能量會有抖動(dòng),抖動(dòng)范圍為58.2-71.0 MeV,平均能量為(63.24±6.12) MeV.電量的抖動(dòng)為2.0-9.4 pC,平均值為(5.99±3.10) pC,電子絕對能散(FWHM)的抖動(dòng)為6.9-17.0 MeV,平均值為(13.0±3.9) MeV.

4 結(jié)果討論

為了獲得穩(wěn)定的單能尾場電子,最基本的思路是約束尾場電子的注入范圍,使電子可以穩(wěn)定地在一個(gè)區(qū)域內(nèi)注入,并且注入?yún)^(qū)域需要盡可能小,這樣可以保證注入電子初始條件的一致性以及多發(fā)重復(fù)時(shí)的穩(wěn)定性,提高種子電子束的單能性.在后續(xù)的加速過程中,初始注入的準(zhǔn)單能電子可以被進(jìn)一步加速,由于加速距離一致,在尾場加速未發(fā)生失相的情況下可以保持電子的單能性,最終獲得穩(wěn)定的單能電子束.如果在后續(xù)的加速過程中還會發(fā)生電子注入,新注入的電子加速距離較小,能量更低,會帶來電子能譜的低能尾部,影響尾場電子束的單能性.因此在后續(xù)的加速過程中需要抑制電子的持續(xù)注入.

圖5 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶5發(fā),磁譜儀測量到的電子能譜Fig.5.Electron energy spectra for continuous 5 shots under jet pressure of 650 kPa.

表2 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶5發(fā)得到的電子能譜參數(shù)Table 2.The central energy,charge and energy spread of the electrons for continuous 5 shots when the jet pressure is 650 kPa.

通過研究離化注入、沖擊波前沿注入、級聯(lián)加速這三種技術(shù)對電子束斑的影響,發(fā)現(xiàn)可以將三種技術(shù)結(jié)合,降低電子注入的噴氣氣壓下限,將電子的注入約束于注入級中的沖擊波前沿處,從而獲得了可以穩(wěn)定產(chǎn)生的單能尾場電子.尾場電子出射角度的平均值為(-21.3±2.6,24.4±3.06) mrad,角分布光斑的半高全寬(FWHM)為(6.07±1.4,4.85±0.7) mrad.尾場電子中心能量的平均值為(63.24±6.12) MeV,能散為(13.0±3.9) MeV.在下一步的工作中,通過減小激光入射方向和輸出能量的抖動(dòng),有希望進(jìn)一步提升尾場電子的穩(wěn)定性.目前獲得的尾場電子中心能量約60 MeV,這主要由于噴氣氣壓較低,限制了尾場加速梯度以及最終獲得的尾場電子能量.如何使用更高密度的噴嘴產(chǎn)生更高能量的尾場電子,同時(shí)保持尾場電子的單能性和穩(wěn)定性,是我們下一步的研究內(nèi)容.

使用粒子模擬(PIC)程序?qū)D1(c)所示氣體密度分布下的尾場加速過程進(jìn)行了研究.取高斯脈沖激光強(qiáng)度a0=1.5、脈寬25 fs、焦斑5 μm、波長800 nm.為了與噴氣氣壓650 kPa下混合氣體被完全電離時(shí)的電子密度相對應(yīng),取峰值處電子密度1.9×1018/cm3.模擬得到的沖擊波前沿附近等離子體中電子的縱向相空間分布(x-γVx)如圖6所示,在沖擊波前沿所在2.05-2.15 mm處,電子可以有效地被注入并被進(jìn)一步加速.進(jìn)一步的模擬研究顯示,降低電子密度至1.6×1018/cm3時(shí)(對應(yīng)噴氣氣壓547 kPa),全過程不再有電子被注入及加速.這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3(f)-圖3(j)基本符合,當(dāng)噴氣氣壓稍微降低以后不再有尾場電子產(chǎn)生.

圖6 等離子體中電子在縱向相空間(x-γVx)的分布Fig.6.The Distribution of electrons in longitudinal phase space (x-γVx).

5 結(jié) 論

通過45 TW激光裝置上開展的激光尾波場加速實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬研究,證實(shí)通過在級聯(lián)加速噴嘴中引入離化注入技術(shù)以及沖擊波前沿注入技術(shù),可以大幅度降低電子注入的閾值氣壓,并將電子的注入位置約束至注入級中的沖擊波前沿處.然后通過在加速級中的進(jìn)一步加速,穩(wěn)定地產(chǎn)生單能尾場電子.在最優(yōu)化的條件下,可以實(shí)驗(yàn)獲得最小發(fā)散角為(3.6×3.8) mrad,平均中心能量為(63.24±6.12) MeV,平均能散為(13.0±3.9) MeV,平均電量為(5.99±3.10) pC的重頻單能尾場電子.基于項(xiàng)目組發(fā)展的這種結(jié)構(gòu)高度集成、只需要一路供氣系統(tǒng)的級聯(lián)尾場電子加速裝置,實(shí)驗(yàn)研究揭示了一種使用幾十TW級別高重頻激光器產(chǎn)生極小絕對能散的單能尾場電子的途徑.可以將這種小絕對能散的尾場電子束作為種子源,導(dǎo)入更高加速能量的尾場電子加速裝置,有希望通過后續(xù)的級聯(lián)加速過程產(chǎn)生中心能量GeV甚至TeV的單能尾場電子.

在當(dāng)前的研究中,產(chǎn)生的尾場電子的中心能量較低(約60 MeV),且多發(fā)打靶時(shí)中心能量有一定的抖動(dòng).在下一步的研究工作中,計(jì)劃通過使用更高密度的噴嘴,并通過對噴嘴氣體密度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)使尾場電子的注入位置不變,有希望產(chǎn)生更高中心能量的單能尾場電子.同時(shí)通過對激光器的改造,將激光器輸出能量的波動(dòng)控制在5%以下,有希望進(jìn)一步提高尾場電子中心能量的穩(wěn)定性.穩(wěn)定獲得單能尾場電子以后,計(jì)劃開展全光湯姆遜散射光源的研究,并診斷光源的光子能量、發(fā)射角、源尺寸等參數(shù).