CN107426911A - 一种使用团簇靶材的电子加速器设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种使用团簇靶材的电子加速器设备，其特征在于，包括：用于提供真空环境的真空靶室；用于通过其中的超声速喷嘴将气体提供到所述真空靶室以产生团簇的气体输运组件；用于提供激光以与团簇反应的激光器，所述激光器的激光对比度在10^‑6到10^‑8之间。可以采用诸如氩气等状态稳定气体来用作生成团簇的气体。根据本发明的电子加速装置可以通过调节激光对比度以及输入气体的流量来选择参与反应的团簇的尺寸和密度，从而获得更高品质的电子束输出。并且本发明还可以通过改变激光脉冲到达气体喷嘴上方的时间延时和气体背压，来改变所产生的电子束的发散角。

Description

一种使用团簇靶材的电子加速器设备

技术领域

本发明涉及激光尾波场电子加速，尤其涉及采用团簇靶材的电子加速。

背景技术

电子加速器，是利用感生电场来加速电子的一种设备。电子加速器使得电子沿切线方向射入环形加速腔，使得电子受到其中感生电场的作用而被加速。由于受到加速腔中磁场的洛伦兹力的作用，电子在加速腔的圆形轨道上运动，从而重复加速的过程。传统电子加速器需要长达数公里的加速腔才能将粒子加速到GeV量级，例如美国斯坦福大学的直线电子加速器(SLAC)可以将电子加速到100GeV，但是长达3km的加速设备造价昂贵，尺寸巨大，并且由于加速腔壁受到击穿电压的限制，加速电场强度被限制在100MV/m的量级。

在1979年，Tajima和Dawson提出利用激光束等离子体波加速电子的方法。但是局限于当时的激光器技术不能满足实验需求，研究工作多以理论为主。90年代，激光技术飞速发展，尤其是基于啁啾脉冲放大技术(CPA)的太瓦级(TW)飞秒激光器系统的成功研发，使得这一研究领域受到极大重视，被视为新一代电子加速器。激光等离子体加速器能够保持高达非相对论波破场的量级，即100GV/m，比传统加速器高3个量级。随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数(最主要是密度)密切相关。随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体(同气体靶作用)和稠密等离子体(同液、固体作用)。对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×10²¹cm^-3，介于气体密度与固液密度之间。

在2004年之前，激光等离子体加速器实验已经获得了峰值能量100MeV，总电量1nC的电子束。但是电子束品质很差，没有达到研究者的期望。之后的时间里，科学家们通过控制激光和等离子体的参数，对电子束团的品质(峰值能量、电量、稳定性和能散等)实现了大幅度的提升。在10¹⁸W/cm²的激光能量密度下，电子被纵向的非线性力——有质动力排开，共振激发出等离子体波(尾波场)。电子的俘获和注入是依靠横向波破(自注入机制)或者电离(离化注入机制)发生的。自注入机制(Self-injection Regime)需要较高的激光强度(a₀～4)和等离子密度(n_e～10¹⁸cm^-3)，大大限制了电子束在加速场中的加速距离，并且不利于高品质电子束团的产生。但是基于离化注入机制(Ionization-induced Injection)的激光等离子体加速器，通过激光与纯氮气或者混合气体相互作用，能够最大程度延长电子束在尾波场中的加速距离。这种新奇的机制利用了不同电子壳层之间的巨大电势能能差，将低层电子电离并注入尾波场中进行加速。对于百太瓦级别的飞秒激光，当等离子体密度为10¹⁸cm^-3时，电子失相距离L_d＝λ_p ³/λ₀ ²(λ_p是等离子体波长，λ₀是激光波长)被限制在1cm，电子最大能量接近1GeV。

目前为止，绝大多数激光等离子体加速器(LPA)都是通过气体靶实现，这种实验配置带来了诸多不便。比如，当激光与气体相互作用，形成低密等离子体，需要较高的等离子体密度才能实现激光在等离子体中的有效传输，否则激光发生散焦，就不能保证激光与等离子体在相对论激光密度下发生相互作用。与气体靶相比，团簇作为一种非常奇特的状态，与激光相互作用有多个优势：有利于激光自聚焦、局部固体电子密度和激光脉冲能量的高效吸收。中国科学院物理所陈黎明团队就激光—气体靶/团簇靶相互作用产生相对论电子束已发表一系列结果。该团队使用上海交通大学激光等离子体实验室200TW激光装置与氮气气体靶相互作用，得到了105MeV、3mrad的准单能电子束(M.Z.Tao et al.“Quasimonoenergetic collimated electron beams from alaser wakefield acceleration in low density pure nitrogen”,Physics ofPlasmas.,21,073102(2014))。该团队使用中国科学院物理研究所极光三号激光器和氩气团簇靶相互作用，产生了最高能量达600MeV的连续电子，并在横向上观察到了电量超过3nC的大电量电子出射(L.M.Chen et al.“Brightbetatron X-ray radiation from a laser-driven-clustering gas target”,ScientificReports.,3,1912(2013))。与气体靶相比，电子束团的电量和稳定性都得到了大幅提升。然而，在上述文章中所提到的加速器技术所产生的电子束电量仅为数十个pC，并且能散均在30％之上。

综上所述，目前等离子体加速器大多使用气体靶材，产生电子束团的电量大多局限于百pC量级，并且由于电子注入过程较长，能散会较大。而现有技术中对于采用团簇靶的加速器的电子束电量和能散仍需进一步的改善。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种电子加速器设备。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种使用团簇靶材的电子加速器设备，其特征在于，包括：

用于提供真空环境的真空靶室；

用于通过其中的超声速喷嘴将气体提供到所述真空靶室以产生团簇的气体输运组件；

用于提供激光以与团簇反应的激光器，所述激光器的激光对比度在10^-6～10^-8之间。

优选地，其中所述气体为氩气。

优选地，其中所述气体输运组件的气体背压在0～5MPa之间。

优选地，其中所述超声速喷嘴为直径3mm的圆形超声速气体喷嘴。

优选地，其中还包括用于控制所述激光器发出激光的时间与所述气体从所述超声速喷嘴中喷出的时间之间的延时的装置，所述延时在0～18ms之间。

一种用于使用团簇靶材的电子加速器设备的方法，包括：

在10^-6～10^-8之间选择激光器的激光对比度。

优选地，所述的方法还包括：

在0～5MPa之间选择气体背压。

优选地，其中所述气体为氩气。

优选地，所述的方法还包括：

调节所述气体从超声速喷嘴中喷出的流量。

优选地，所述的方法还包括：

在0～18ms之间选择激光器发出激光的时间与所述气体从超声速喷嘴中喷出的时间之间的延时。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

与普遍使用气体靶的现有技术相比，本发明采用的团簇靶能够提供更高效更瞬时的电子注入过程，能够形成了超低能散和高电量的电子束。

相较于M.Z.Tao等人使用激光装置与氮气气体靶相互作用的技术方案，以及使用激光器和氩气团簇靶相互作用的技术方案，本发明可以产生总电量更高的电子束，并且可以大幅降低能散的百分比。

此外在本发明中，还提出可以通过选择激光脉冲到达气体喷嘴上方的时间延时，来控制所产生的电子束的发散角。

综上，本发明可以产生高品质、高电量、低能散的电子束，因而尤其适用于对电子束品质有较高要求的应用领域，例如自由电子激光、传统加速器前端电子源和超快辐射源驱动等。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是采用团簇靶和激光脉冲的电子加速器系统的准备端结构示意图；

图2是采用团簇靶和激光脉冲的电子加速器系统的输出端结构示意图；

图3是采用团簇靶和激光脉冲的电子加速器的工作原理示意图；

其中，附图标记：1、电源系统，2、激光系统，3、气体运输系统，4、总控制系统，5、光学监测系统，6、电子束出束装置，7、能量监测系统，8、X射线出束装置，9、时间同步系统，2’、激光，10、真空靶室，11、超声速喷嘴，12、螺线圈电磁阀，13、气体储存钢瓶，14、驱动电源，15、输气管道，16、团簇。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。

图1和图2示意性地示出了采用团簇靶和激光脉冲的电子加速器系统的结构示意图。在如图所示的电子加速器中，电源系统1用于为整个系统提供电源；激光系统2可以在真空靶室10中提供太瓦级的飞秒激光脉冲；气体输运系统3用于将高压的气体喷入真空靶室10进行绝热膨胀以形成团簇；生成的所述团簇与所述激光脉冲在真空靶室10中发生反应，从而进行电子加速。并且其中，光学检测系统5用于控制光学元件以将激光脉冲投入真空靶室10中以及调整用于与团簇反应的激光脉冲；时间同步系统9用于控制发出激光激光脉冲的时间以及喷出高压气体的时间，以使得激光脉冲在恰当的时刻与生成的团簇发生反应；能量监测系统7用于监测激光脉冲的能量和/或经过电子加速后所生成的电子束的参数。参考图2，在完成电子加速后，通过真空靶室10中的电子束出束装置6和X射线出束装置8分别导出所产生的电子束和X射线。

图3示意性地示出了采用团簇靶材和激光脉冲的等离子体电子加速器的工作原理图。图3中的电子加速器具有真空靶室10，以及气体输运组件(包括超声速喷嘴11、电磁阀12、钢瓶13、驱动电源14、输气管道15)，以及用于提供激光2’的激光器(未示出)。

参考图3所示，激光2’可以例如通过高透率镜片进入真空靶室10，并且假设该激光2’的初始尺度为10cm飞秒，那么当其经过一个聚焦长度达2m的离轴抛物面镜后可以聚成一个仅有30微米大小的激光焦斑。可以由光学检测系统5来调控诸如高透率镜片、离轴抛物面镜、反射镜、窄带通滤光片、光学电荷耦合元件(CCD)的光学元件，从而对激光状态进行监控，以保证激光在合适的条件下与气体-团簇发生相互作用。此外，可以从钢瓶13中将诸如氩气的稀有气体导出到真空靶室10，钢瓶13中的高纯氩气以一定的气体背压通过输气管道15进入真空靶室10中的螺线圈电磁阀12，该螺线圈电磁阀上装有作为气体喷流出口的超声速喷嘴11。电磁阀外接驱动电源14驱动超声速喷嘴11将氩气以超音速的速度(例如4.8马赫)喷入真空靶室10，并在其中发生绝热膨胀，瞬间冷凝的氩气形成团簇16。时间同步系统9使得激光2’在恰当的时刻与生成的团簇16发生相互作用，从而电离出用于电子加速的等离子体。在这样的电子加速器中，电子的被加速的距离取决于等离子体的长度。

其中，形成团簇的过程是将高压气体在真空靶室内进行绝热膨胀，其原理是：在喷嘴快门打开的瞬间,高压气体的内能瞬间转化成定向动能，使其内能下降，分子热运动的动能减少，并且在气体分子膨胀的过程中，分子间距增大导致分子间的势能增大，使分子热运动的动能进一步减少，气体温度急剧下降，形成过饱和气体，这些气体冷凝成核而形成团簇。换而言之，团簇就是通过范德瓦耳斯力结合在一起的气体分子。

通过研究证明了上述方法所生成的团簇的尺寸与所使用气体的初始背压、温度,以及喷嘴的几何构型有关。Hagena通过研究给出了用于描述高压气体的初始状态对团簇形成尺寸的影响的Hagena参数，表示为以下公式：

式中d为喷嘴的喉部直径(单位为mm)；α为喷嘴的半张角；T₀为高压气体的初始温度(单位为K)；P₀为高压气体的初始背压(单位为mba)；k为与气体种类有关的冷凝参数，原子序数较大的气体具有较高的k值因而更容易形成团簇，比如从成本和效果方面考虑可以采用氩气。

不同的Γ^*值对于团簇的产生和尺寸有着不同的影响：

当Γ^*≤200时,没有团簇产生；

当200＜Γ^*≤1000时，气体喷流处于由没有团簇产生向生成团簇过渡的中间态；

当Γ^*>1000时，生成团簇，并随着Γ^*值的增大团簇尺寸不断增大。此时，可以认为气体喷流的大部分凝结形成了团簇。

可知在电子加速过程中，团簇化程度越高(即团簇尺寸越大，密度越多)，等离子体密度越低。这是由于气体从超声速气体喷嘴中喷出后，部分发生绝热膨胀冷凝成团簇，剩余部分则继续以气体形式存在。激光与气体发生相互作用而产生等离子体，因此团簇化程度与等离子体密度n_e成反比关系。其中，团簇平均尺寸由下面公式给出：

N＝33(Γ^*/1000)^2.35。

在采用团簇与激光相互作用的电子加速过程中，电子束的能量取决于激光能量P和等离子体密度n_e。调节激光功率和等离子体密度可以控制电子被加速的加速梯度。电子加速产生的电子束的能量E_gain可以用以下公式来表示：

E_gain(GeV)＝1.7(P/100TW)^1/3(n_e/10¹⁸cm^-3)^-2/3

然而，还没有确切的理论来证明电子加速产生的电子束电量与激光参数(例如激光能量或激光对比度)以及团簇化程度(或等离子体密度)之间的关系，也没有理论可以证明影响电子加速中能散的因素。由此，发明人进行了试验，以下示出了发明人所采用的多个实施例。

实施例1

根据本发明的一个实施例，电子加速器中激光器的激光对比度为10^-6、激光能量为0.5J，钢瓶13中气体背压为3MPa，采用为直径为3mm的气体喷嘴11，将延时(即激光器发出激光2’脉冲的时间与所述气体从所述超声速喷嘴中喷出的时间之间的间隔)设置为10ms。

通过测试发现该电子加速器输出的电子束电量为120pC，能散为50％，并且电子束能量为70MeV，电子束的发散角为3个毫弧度。

实施例2

根据本发明的第二个实施例，在保持上述实施例1其他配置不变的情况下，而仅将激光能量改为使用3J，测试发现该电子加速器输出的电子束电量、能散、和电子束的发散角与上述实施例相同，电子束能量为310MeV。

实施例3

根据本发明的第三个实施例，在保持上述实施例1其他配置不变的情况下，而仅将激光器的激光对比度改为使用10^-8，通过测试发现该电子加速器输出的能散、电子束能量、和电子束的发散角与上述实施例相同，电子束电量为450pC。

实施例4

根据本发明的第四个实施例，在保持上述实施例1其他配置不变的情况下，而仅将激光器的激光对比度改为使用10^-7，通过测试发现该电子加速器输出的电子束电量为315pC。

通过比较上述实施例1～4的结果可知，所采用的激光能量会影响最终输出的电子束能量。并且，随着激光对比度取值的减小(从10^-6到10^-8)，电子加速器的能散呈现减小的趋势，所获得的电子束电量呈现增加的趋势。

发明人在以上实施例的基础上还进行了其他试验，发现在保持与上述实施例1其他配置不变，而仅改变所使用的气体背压的情况下，当背压为0～5MPa时，电子加速器输出的电子束电量呈现先增长后减小的结果，并且在背压接近3MPa时所输出的电子束电量最大。

此外，发明人还发现在仅改变延时的情况下，当延时为0～18ms时，电子束的发散角呈现先减小后增大的结果，其发散角的范围是3～10毫弧度，并且在延时设置为10ms时具有最好的电子束准直性(即3毫弧度)。

本发明的发明人认为导致上述随着激光对比度取值的减小而输出电子束电量呈现升高趋势的试验结果的原因在于，团簇的生成需要时间并且团簇的大小和密度并非一成不变的，而采用恰当的激光对比度可以使得恰当尺寸和密度的团簇与激光脉冲接触，更有利于输出高品质的电子束。发明人发现，当使得激光器具有低激光对比度(即取值大于10^-10)时，电子加速器可以输出具有更高电量的电子束。其中激光对比度指的是激光预脉冲与主脉冲的比值。

然而，在现有技术中所采用的激光对比度取值均小于10^-10，例如M.Z.Tao等人所提出的将氮气团簇靶或氩气团簇靶与激光器结合使用以用于电子加速的技术方案。这是由于在本领域中存在固有认知，普遍认为当低激光对比度取值大于10^-10时会带来强烈的预脉冲，而使得在主激光到达前团簇已经被破坏。因此，在现有技术中并没有通过改变所使用的激光对比度而控制激光与不同大小和或密度的团簇反应的方案。而根据本发明的实施例的结果证实了，采用取值大于10^-10的激光对比度反而有利于输出高电量的电子束并且降低能散百分比。

此外，根据本发明上述试验结果还显示不同的气体背压也会导致所输出电子束电量的改变，发明人认为导致该结果的原因在于，参与反应的所生成的团簇本身的大小和密度也会影响电子加速器输出的电子束的品质，而用于产生团簇的初始气体背压是改变团簇大小和密度的重要影响因素。

出于上述原因，发明人认为改变进入真空靶室的气体流量也可以产生类似的效果，因而可以选择能提供恰当的气体流量的装置，例如采用能通过改变气体背压来控制气体喷入真空靶室的快慢的装置，又例如采用圆形气体喷嘴来替代M.Z.Tao等人所采用的长条扁型喷嘴以使得喷入真空靶室的气体密度分布更加均匀，从而获得的高品质的电子束输出。在本发明的一个实施例中，采用直径为3mm的圆形气体喷嘴作为超音速喷嘴11。

并且，本发明上述试验结果还显示了将延时(即激光器发出激光2’脉冲的时间与所述气体从所述超声速喷嘴中喷出的时间之间的间隔)设置为不同值(0～18ms)会改变输出电子束的准直性。发明人认为这是由于团簇分子的存在，会影响激光的输运过程和电离过程，而一旦激光在团簇-气体中的折射率发生了变化，便会导致电子注入过程极不稳定，因而影响了电子束的发散角。

发明人认为在激光与团簇发生反应的过程中，激光脉冲前沿与气体-团簇分子发生相互作用使得部分被电离产生背景等离子体，激光在等离子体中的光压将电子排开，形成一个只有正离子的“空腔”，形成一个等离子体波(即尾波场)。脉冲通过之后，尾波场以光速在激光之后向前运动，同时被排开的电子收到巨大的电荷分离势的作用。当电子能量满足一定条件，就会被注入到尾波场中进行加速。如果电离出的电子具有很高的初始能量，那么将会容易被注入，即具有小发散角。而在气体从超声速喷嘴中喷出后，需要数个毫秒才能完成团簇的形成以及团簇的分解，因此可以将激光到达喷嘴的时间延时设置为几个毫秒(例如0～18ms)，使得激光与恰当分布密度的团簇反应，从而改变电子束在输出时的发散角。

通过试验发现，该恰当分布密度的团簇可以是小尺寸、高密度分布的团簇，例如团簇平均尺寸小于0.1微米，团簇分布密度大于10⁷cm^-3。可以通过现有技术来测量或者估算出所述团簇分布密度。

如前文所述，本发明克服了现有技术对必须采用非常强的激光对比度(即取值需大于10^-10)的固有认知，通过选择激光对比度和/或气体背压，来控制输出电子束的电量。并且可以通过选择激光器发出激光的时间与气体从超声速喷嘴中喷出的时间之间的延时，来控制输出电子束的发散角。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。本发明所使用的术语“之间”应理解为包含所述范围的端点值。尽管上文参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种使用团簇靶材的电子加速器设备，其特征在于，包括：

用于提供真空环境的真空靶室；

用于通过其中的超声速喷嘴将气体提供到所述真空靶室以产生团簇的气体输运组件；

用于提供激光以与团簇反应的激光器，所述激光器的激光对比度在10^-6～10^-8之间。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述气体为氩气。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的设备，其中所述气体输运组件的气体背压为0～5MPa之间。

4.根据权利要求3所述的设备，其中所述超声速喷嘴为直径3mm的圆形超声速气体喷嘴。

5.根据权利要求3所述的设备，其中还包括用于控制所述激光器发出激光的时间与所述气体从所述超声速喷嘴中喷出的时间之间的延时的装置，所述延时在0～18ms之间。

6.一种用于使用团簇靶材的电子加速器设备的方法，包括：

在10^-6～10^-8之间选择激光器的激光对比度。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

在0～5MPa之间选择气体背压。

8.根据权利要求7所述的方法，其中所述气体为氩气。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括：

调节所述气体从超声速喷嘴中喷出的流量。

10.根据权利要求6-9中任意一项所述的方法，还包括：

在0～18ms之间选择激光器发出激光的时间与所述气体从超声速喷嘴中喷出的时间之间的延时。