CN108112155B - 激光尾波场加速器的级联装置以及级联系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光尾波场加速器的级联装置和级联系统。级联装置包括真空室、后级激光器、级联系统以及后级激光尾波场加速器。级联系统包括弯曲毛细管、前端电极片、后端电极片、充气管道和气体产生装置。弯曲毛细管的两端分别设置前端电极片和后端电极片，弯曲毛细管的内部与气体产生装置流体连通。弯曲毛细管与后级激光尾波场加速器设置于真空室内。前端电极片和后端电极片用于连接电源并形成电压差使得弯曲毛细管内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。本发明具有装置简单紧凑易行、级联效率高、级联前后电子束品质稳定的优点。

Description

激光尾波场加速器的级联装置以及级联系统

技术领域

本发明涉及激光加速领域，具体涉及一种激光尾波场加速器级联装置以及级联系统。

背景技术

利用超短超强激光在低于临界密度的等离子体中传播时产生的尾波场来加速电子的概念是由Tajima和Dawson在1979年首次提出的。激光在等离子体传播时会在激光脉冲后方激发电子等离子体波，称为激光尾波。激光尾波中的纵向电场能够捕获并加速特定电子，实现高能电子加速。由于激光尾波场的强度不会受通常的材料破坏阈值的限制，可以比通常的射频场加速器高出3个量级，因此基于它的加速系统具有尺度小、加速梯度大、性价比高等优点。激光尾波场加速器在超快电子衍射、电子束加速和桌面型辐射源等领域都有广泛的应用前景。

激光尾波场加速器的另一个重要应用方向是制造太电子伏特(1太电子伏特＝10¹²电子伏特)能量级别的正负电子线性对撞机。但是，单级激光尾波场加速器中的电子能量的增益受到激光泵浦能量损耗的限制。目前人们普遍认为， 10000兆电子伏特是电子在单级尾波场加速器中能够获得的能量增益的合理目标。要想在未来实现太电子伏特能量级别的对撞机，就必须要将激光尾波场加速器进行多达100级的级联耦合，即将在前一级激光尾波场加速器中被加速的电子束注入到由另外一束新的激光产生的激光尾波场中继续加速。2016年，美国的Steinke等人在实验上初步实现了激光尾波场加速器的级联。他们通过使用等离子体镜反射新的激光束和使用主动型等离子体透镜聚焦电子束，实现了将在前一级被加速电子束中3.5％的电子耦合到下一级激光尾波场加速器中，并将电子能量提高了100兆电子伏特。然而，该方案中需要在装置的级联区域安装复杂的等离子体镜和主动型等离子体透镜，同时需要实现电子束与主动型等离子体镜在时间和能量上的匹配，对于利用该方案实现高效的级联加速提出了挑战。

因此，本领域迫切需要研发一种简单易行、级联效率高，同时电子束品质在级联前后稳定的激光尾波场加速器级联方法，使得最终加速获得的电子束能量达到太电子伏特量级，从而实现基于激光尾波场加速器的太电子伏特能量级别的对撞机。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光尾波场加速器级联装置以及级联系统，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种激光尾波场加速器的级联装置，包括真空室、后级激光器、级联系统以及后级激光尾波场加速器，其中

所述级联系统包括弯曲毛细管、前端电极片、后端电极片、充气管道和气体产生装置，所述弯曲毛细管的两端分别设置所述前端电极片和后端电极片，所述弯曲毛细管的内部与所述气体产生装置通过所述充气管道流体连通；

所述弯曲毛细管与所述后级激光尾波场加速器设置于所述真空室内，其中

所述前端电极片和后端电极片用于连接电源并形成电压差使得所述弯曲毛细管内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。

较佳地，还包括前级加速器，所述前级加速器用于产生前级出射电子束，该前级出射电子束沿水平方向运动，从所述弯曲毛细管的侧面外壁进入所述弯曲毛细管，并在从所述弯曲毛细管后端中心出射后，再进入所述后级激光尾波场加速器。

较佳地，所述后级激光器产生的后级激光脉冲入射到弯曲毛细管前端面后，在穿过管内等离子体区域时逐步改变传输方向，从后端面中心沿水平方向出射，接着进入所述后级激光尾波场加速器，并对电子束再次加速。

较佳地，所述弯曲毛细管的弯曲半径逐渐增大，管道末端的弯曲半径趋于无穷大。

较佳地，所述弯曲毛细管的初始弯曲曲率半径在5毫米至50毫米之间。

较佳地，所述弯曲毛细管的长度位于0.5毫米至10毫米之间，更佳地位于1毫米至5毫米之间。

较佳地，所述前级电子束具有以下特征：

(1)电子束长度为0.5微米至5微米，较佳地1微米至3微米；

(2)电子束宽度为0.5微米至10微米，较佳地1微米至5微米；和/或

(3)电子能量大于500兆电子伏特，较佳地大于1000兆电子伏特。

较佳地，所述后级激光器产生的激光脉冲具有以下特征：

(1)脉冲宽度为1飞秒至100飞秒，较佳地10飞秒至30飞秒；

(2)脉冲在焦点处的焦斑束腰半径为3微米至30微米，较佳地5微米至 20微米；和/或

(3)脉冲峰值功率密度为10¹⁸瓦特每平方厘米至10²⁰瓦特每平方厘米，较佳地，为10¹⁸瓦特每平方厘米至10¹⁹瓦特每平方厘米。

较佳地，所述气体产生装置提供的气体为低原子序数气体，较佳地为氦气。

较佳地，所述弯曲毛细管内气体分子放电电离后所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

较佳地，所述前级电子束与后端电极片之间沿水平方向上初始距离位于 0.5毫米至10毫米之间，和/或

所述后级激光尾波场加速器与所述弯曲毛细管的出口间的距离小于2毫米。

根据本发明的另一方面，提供了一种级联系统，所述级联系统包括弯曲毛细管、前端电极片、后端电极片、充气管道和气体产生装置，

所述弯曲毛细管的两端分别设置所述前端电极片和后端电极片，所述弯曲毛细管的内部与所述气体产生装置通过所述充气管道流体连通，其中

所述前端电极片和后端电极片用于连接电源并形成电压差使得所述弯曲毛细管内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。

较佳地，所述弯曲毛细管的弯曲半径逐渐增大，管道末端的弯曲半径趋于无穷大。

较佳地，所述弯曲毛细管的初始弯曲曲率半径在5毫米至50毫米之间。

较佳地，所述弯曲毛细管的长度位于0.5毫米至10毫米之间，更佳地位于1毫米至5毫米之间。

较佳地，所述弯曲毛细管内气体分子放电电离后所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

本发明的激光尾波场加速器级联装置具有装置简单紧凑易行、级联效率高、级联前后电子束品质稳定的优点，特别适用于场地有限、电子束能量要求高的应用场所，适合大范围普及推广，具体地，本发明的激光尾波场加速器级联装置具有以下优点：

1.装置简单紧凑：仅需要一个弯曲毛细管就实现了后级激光传输方向的改变而不需要等离子体镜，同时前级出射电子束到弯曲毛细管的距离短，使得电子束的自约束足以克服其横向发散效果实现电子束的横向约束而不需要等离子体透镜；

2.操作简单，级联效率高：电子束与后级激光脉冲在时空上的匹配与电子束的能量关系小，同时电子束能量越高其自约束效果越好，电子束越容易在后级激光尾波场中被完全捕获，实现高效率的级联，适合应用于需要多次级联以获得超高电子束能量的应用场所；

3.级联前后电子束品质稳定：级联前后电子束横纵向尺度、能散、横向动量的数量级均基本保持不变。

附图说明

图1是本发明的激光尾波场加速器级联装置的结构示意图；

图2是后级激光脉冲在弯曲半径逐渐变大的弯曲毛细管中传输时的原理图；

图3是本发明的激光尾波场加速器级联装置中典型电子束从前级出射时的初始能谱和级联加速后的能谱图。

具体实施方式

本发明人经过广泛而深入的研究，首次研发了一种结构新颖，可用于产生超高能量电子束的激光尾波场加速器级联装置。本发明基于弯曲毛细管中的气体在放电后形成的横向不均匀分布的等离子体能改变激光脉冲在其中的传播方向的原理，让后级激光的传输方向逐步变得跟前级出射的电子束相同，降低了其在后续等离子体通道中的横向振荡，使电子束能够在后级激光尾波场加速器中被后级激光脉冲产生的尾波场进一步加速，从而实现激光尾波场加速器的级联。

本发明的激光尾波场加速器级联装置具有装置简单紧凑易行、级联效率高、级联前后电子束品质稳定的优点，特别适用于场地有限、电子束能量要求高的应用场所，适合大范围普及推广。

如本文所用，术语“等离子体通道”指在激光脉冲传播方向密度均匀分布，而在垂直激光传播方向中心密度低，周围密度高的等离子体分布。

以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细说明，以便更清楚理解本发明的目的、特点和优点。应理解的是，附图所示的实施例并不是本发明范围的限制，而只是为了说明本发明技术方案的实质精神。

图1是本发明的激光尾波场加速器的级联装置的结构示意图。如图1所示，激光尾波场加速器的级联装置包括真空室(1)、后级激光器(3)、级联系统 (5)以及后级激光尾波场加速器(6)。级联系统(5)包括弯曲毛细管(9)、前端电极片(10)、后端电极片(11)、充气管道(12)和气体产生装置(13)，弯曲毛细管(9)的两端分别设置前端电极片(10)和后端电极片(11)，弯曲毛细管(9)的内部与气体产生装置(13)通过充气管道(12)流体连通，弯曲毛细管(9)与所述后级激光尾波场加速器(6)设置于所述真空室(1) 内。前端电极片(10)和后端电极片(11)用于连接电源并形成电压差使得弯曲毛细管(9)内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管(9)轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。

较佳地，本发明的级联装置还包括前级加速器(图未示)，该前级加速器用于产生前级出射电子束(2)，前级出射电子束(2)长度为0.5微米至5 微米，宽度为0.5微米至10微米，能量大于500兆电子伏特，能散为1％至10％。

该电子束(2)随能量耗散了的前级激光脉冲一起沿x轴(图示水平方形)正方向运动，遇到弯曲毛细管(9)外壁后前级激光脉冲运动方向偏转无法进入弯曲毛细管(9)，而该电子束从侧面穿过弯曲毛细管(9)外壁进入弯曲毛细管(9)，接着从弯曲毛细管(9)后端中心穿出，再入射到后级激光尾波场加速器(6)中。

气体产生装置(13)通过充气管道(12)稳定的向弯曲毛细管(9)内供应低原子序数的气体(例如氢气或氦气)，弯曲毛细管(9)内的气体分子所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

在本发明中，代表性的低原子序数气体包括(但并不限于)：氢气、氦气、或其组合。较佳地，低原子序数气体为安全性高的气体如氦气等惰性气体。

弯曲毛细管(9)两端分别连接前端电极片(10)和后端电极片(11)，并通过导线连接到电源(14)的两极；电源放电时前后端电极片(10,11) 间的电压差导致弯曲毛细管(9)中的气体分子被电离，可重复放电产生沿弯曲毛细管(9)轴向密度均匀，沿弯曲毛细管(9)径向中心密度小而外侧密度大的等离子体通道。

后级激光器(3)产生的激光脉冲(4)脉冲宽度均为10飞秒至100飞秒，脉冲在焦点处的焦斑束腰半径均为5微米至25微米，脉冲峰值功率密度均为10¹⁸瓦特每平方厘米至10¹⁹瓦特每平方厘米，该激光脉冲只能在真空中传播；较佳地，激光脉冲为基模高斯光束。

后级激光脉冲(4)从弯曲毛细管(9)前端面入射，在曲率半径逐步变化的弯曲毛细管(9)内的等离子体通道中传输，由于等离子体通道中等离子体密度的不均匀分布，导致不同位置对激光的折射率不同，该效应与毛细管曲率半径逐步变化，导致激光焦斑的束腰半径在传输过程中稳定而激光的传播方向逐步改变，且激光脉冲在垂直其传播方向上仅有微米幅度的横向振荡，最终使激光脉冲从弯曲毛细管后端面中心沿x轴正方向出射，平稳进入后级激光尾波场加速器(6)。

在后级激光尾波场加速器(6)中，电子束处在后级激光脉冲(4)的后方，被其产生的尾波场捕获并进一步被加速，成为更高能电子束(7)。

更高能电子束(7)相比初始的前级电子束(2)，纵向、横向尺度均基本保持不变，能量增加100兆电子伏特至10000兆电子伏特，能散仍为 10％以下(含)，横向动量的数量级不变。

后级激光尾波场加速器出射的电子束可以作为下一级级联系统的入射电子束(8)，连接下一级的级联系统和激光尾波场加速器，利用新的激光脉冲对电子束做进一步加速。

图2是后级激光脉冲(4)在弯曲半径逐渐变大的弯曲毛细管(9)中传输时的原理图。弯曲毛细管(9)的弯曲半径逐渐增大，管道前端的初始弯曲半径在5毫米至50毫米，末端的弯曲半径趋于无穷大。后级激光脉冲 (4)从弯曲毛细管(9)前端面的外侧入射，入射位置到前端面中心的距离为其中等离子体临界密度激光在焦点处的焦斑束腰半径为w₀，特征密度激光脉冲的波长为λ。由于弯曲半径的逐渐变大，其在弯曲毛细管(9)中传输时横向振荡的中心位置从弯曲毛细管(9)中心外侧逐渐向中心靠拢，后级激光脉冲(4)的中心在横向振荡的同时也就从外侧向中心靠拢，从弯曲毛细管(9)后端面的中心沿x轴正方向出射。这一逐渐靠拢的过程降低了激光脉冲在传输时的横向振荡幅度，使得激光束始终在等离子体密度较低的区域传输，从而激光脉冲的波前形变较小。这既保证了激光脉冲能从弯曲毛细管(9)的中心位置出射，也使得其传输方向更接近x轴正方向，让激光脉冲在进入后级激光尾波场加速器之后的横向振荡更小，从而使电子束能够始终停留在激光的尾波场中持续被加速，这是本发明的基本原理之一。然而，应理解，本发明的保护范围并不受上述基本原理的限制。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

实施例1

本实施例采用图1所述的激光尾波场加速器级联装置，其中前级出射电子束的长度为2微米，宽度为1微米，能量为1000兆电子伏特，半高全宽能散为5％，后级激光束为基模高斯光束，脉冲的波长为0.8微米，激光束脉宽为20飞秒，焦点处的焦斑半径为8微米，峰值功率密度为5.5×10¹⁸瓦特每平方厘米。弯曲毛细管的长度为2毫米，初始弯曲半径为10毫米，最终弯曲半径趋于无穷大。激光从弯曲毛细管前端外侧垂直入射，距离中心6.33微米。放电后形成的等离子体通道中心的电子密度为1.5×10¹⁸个每立方厘米。

数值模拟得到的结果表明，该实施例的激光尾波场加速器级联装置产生了更高能量的电子束，该电子束级联加速后的纵向横向尺度基本不变，中心能量为1200兆电子伏特，半高全宽能散为5.4％，入射电子束中80％的电子获得了级联加速。

图3示出了该电子束的初始能谱和级联加速后的能谱图，表明电子束能量获得了增加，而能散基本不变。

本发明的激光等离子体加速器具有以下优点：

1.装置简单紧凑：仅需要一个弯曲毛细管就实现了后级激光传输方向的改变而不需要等离子体镜，同时前级出射电子束到弯曲毛细管的距离短，使得电子束的自约束足以克服其横向发散效果实现电子束的横向约束而不需要等离子体透镜；

2.操作简单，级联效率高：电子束与后级激光脉冲在时空上的匹配与电子束的能量关系小，同时电子束能量越高其自约束效果越好，电子束越容易在后级激光尾波场中被完全捕获，实现高效率的级联，适合应用于需要多次级联以获得超高电子束能量的应用场所；

3.级联前后电子束品质稳定：级联前后电子束横纵向尺度、能散、横向动量的数量级均基本保持不变。

如本文所使用的，属于“接近”、“约”“大致”以及类似的术语旨在具有与本发明主体所属技术领域的普通技术人员熟知并可接受的用语一致的更宽的意思。本领域的普通技术人员在阅读本公开时应理解，这些术语旨在允许所描述和要求保护的一些特征的说明，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确数值范围。因此，这些术语应被理解为一种指示，即所描述和所要求保护的主体的非实质性的或无关紧要的修改或变换应被认为落入所附权利要求书所要求的本发明的保护范围。

应注意，本文所使用的用于描述各实施例的术语“示例性”旨在指示这些实施例仅仅是可能实施例的可能示例、代表和/或说明(且这种术语不旨在隐含这样的实施例必然是非凡的或最好的示例)。

本文的元件位置的方向(例如“水平”、“垂直”、“上”、“下”等)仅仅用于描述附图中各元件的定向。应指出，其他实施例中，各元件的定向可以是不同的，且这些变型旨在包含于本发明中。

以上已详细描述了本发明的较佳实施例，但应理解到，在阅读了本发明的上述讲授内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改。这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (24)

1.一种激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，包括真空室(1)、后级激光器(3)、级联系统(5)以及后级激光尾波场加速器(6)，其中

所述级联系统(5)包括弯曲毛细管(9)、前端电极片(10)、后端电极片(11)、充气管道(12)和气体产生装置(13)，所述弯曲毛细管(9)的两端分别设置所述前端电极片(10)和后端电极片(11)，所述弯曲毛细管(9)的内部与所述气体产生装置(13)通过所述充气管道(12)流体连通；以及

所述弯曲毛细管(9)与所述后级激光尾波场加速器(6)设置于所述真空室(1)内，其中

所述前端电极片(10)和后端电极片(11)用于连接电源并形成电压差使得所述弯曲毛细管(9)内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管(9)轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布；

所述级联装置还包括前级加速器，所述前级加速器用于产生前级出射电子束(2)，所述前级出射电子束(2)沿水平方向运动，从所述弯曲毛细管(9)的侧面外壁进入所述弯曲毛细管(9)，并在从所述弯曲毛细管(9)后端中心出射后，再进入所述后级激光尾波场加速器(6)；

所述后级激光器(3)产生的后级激光脉冲(4)入射到弯曲毛细管(9)前端面后，在穿过管内等离子体区域时逐步改变传输方向，从后端面中心沿水平方向出射，接着进入所述后级激光尾波场加速器(6)，并对电子束(2)再次加速。

2.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的弯曲半径逐渐增大，管道后端的弯曲半径趋于无穷大。

3.根据权利要求2所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)前端的初始弯曲半径在5毫米至50毫米之间。

4.根据权利要求2所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的长度位于0.5毫米至10毫米之间。

5.根据权利要求2所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的长度位于1毫米至5毫米之间。

6.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述前级出射电子束(2)具有以下特征：

①电子束长度为0.5微米至5微米；

②电子束宽度为0.5微米至10微米；和/或

③电子能量大于500兆电子伏特。

7.根据权利要求6所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述电子束的长度为1微米至3微米。

8.根据权利要求6所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述电子束宽度为1微米至5微米。

9.根据权利要求6所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述电子能量大于1000兆电子伏特。

10.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述后级激光器(3)产生的激光脉冲(4)具有以下特征：

①脉冲宽度为1飞秒至100飞秒；

②脉冲在焦点处的焦斑束腰半径为3微米至30微米；和/或

③脉冲峰值功率密度为10¹⁸瓦特每平方厘米至10²⁰瓦特每平方厘米。

11.根据权利要求10所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述脉冲宽度为10飞秒至30飞秒。

12.根据权利要求10所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述脉冲在焦点处的焦斑束腰半径为5微米至20微米。

13.根据权利要求10所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述脉冲峰值功率密度为10¹⁸瓦特每平方厘米至10¹⁹瓦特每平方厘米。

14.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述气体产生装置(13)提供的气体为低原子序数气体。

15.根据权利要求14所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述气体产生装置(13)提供的气体为惰性气体。

16.根据权利要求14所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述气体产生装置(13)提供的气体为氦气。

17.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器级联装置，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)内气体分子放电电离后所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

18.根据权利要求1所述的激光尾波场加速器的级联装置，其特征在于，所述前级出射电子束(2)与后端电极片(11)之间沿水平方向上初始距离位于0.5毫米至10毫米之间，和/或所述后级激光尾波场加速器(6)与所述弯曲毛细管(9)的出口间的距离小于2毫米。

19.一种级联系统(5)，其特征在于，所述级联系统(5)包括弯曲毛细管(9)、前端电极片(10)、后端电极片(11)、充气管道(12)和气体产生装置(13)，

所述弯曲毛细管(9)的两端分别设置所述前端电极片(10)和后端电极片(11)，所述弯曲毛细管(9)的内部与所述气体产生装置(13)通过所述充气管道(12)流体连通，其中

所述前端电极片(10)和后端电极片(11)用于连接电源并形成电压差使得所述弯曲毛细管(9)内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管(9)轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。

20.根据权利要求19所述的级联系统，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的弯曲半径逐渐增大，管道后端的弯曲半径趋于无穷大。

21.根据权利要求19所述的级联系统，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)前端的初始弯曲半径在5毫米至50毫米之间。

22.根据权利要求19所述的级联系统，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)内气体分子放电电离后所含电子数密度大于10¹⁸个每立方厘米。

23.根据权利要求19所述的级联系统，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的长度位于0.5毫米至10毫米之间。

24.根据权利要求19所述的级联系统，其特征在于，所述弯曲毛细管(9)的长度位于1毫米至5毫米之间。