（等离子体物理专业论文）激光尾波场加速电子的实验研究.pdf

激光尾波场加速电子 的实验研究 作者姓名： 学科专业： 导师姓名： 完成时间： 董克攻 等离子体物理 王晓方1 教授 谷渝秋2 研究员 二。一一年五月二日 删p l r w l i l f ljllllri l l l y 1 9 0 9 0 7 。1 “ 1 中国科学技术大学近代物理系 2 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 l t h e e x p e r i m e n t a ls t u d y o f e l e c t r o na c c e l e r a t i o nb y al a s e rw a k e f i e l d a u t h o r sn a m e ：k e g o n gd o n g s p e c i a t i t y ： s u p e r v i s o r ： f i n i s h e dt i m e ： p t a s m ap h y s i c s p r o f x i a o f a n gw a n 9 1 p r o f y u q i ug u 2 m a y2 加，2 0 11 1 d e p a r t m e n to f m o d e r np h y s i c s u s t c z l a s e rf u s i o nr e s e a r c hc e n t e rc a e p 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：童童坠签字日期：巡红：笸! 竺 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 目么开口保密( 年) 作者签名：苞色垦 作者签名：篮：匕垦 签- - 7 - e g q ：u ! 垡 导师签名：至望鱼左 签字日期：翌! ：垂：坌： 摘要 摘要 带电粒子加速器是2 0 世纪最伟大的发明之一，在高能物理及国民经济中发 挥着举足轻重的作用，是所处时代高科技的结晶。对于采用射频腔加速的加速器 来说，由于受限于射频腔材料的电离击穿，其加速电场被限制在1 0 0 m v m 之内， 由此造成高能加速器庞大的体积及高昂的代价，成为制约加速器向更高能量发展 的瓶颈，因此必须寻找更加高效的加速途径。等离子体作为电离介质，本身不存 在电离击穿的问题，是一种理想的加速介质。近年来，随着啁啾脉冲放大技术 ( c p a ) 的不断发展，出现了超短超强激光脉冲。这为利用激光脉冲共振激发大 振幅的等离子体尾波，进而加速电子提供了新的加速途径。 激光尾波场提供的加速电场高达1 0 0 g v m ，加速产生的电子束脉冲宽度在 飞秒量级( 5 0 f s ) ，电子束束斑大小在微米量级，这些特性都是传统加速器很难 实现的。鉴于激光尾波场加速电子的诸多优势，世晃各大实验室都投入大量精力 进行研究。本文依据s i l e x i 超短超强激光装置进行了激光尾波场加速电子的 实验研究，主要工作有： 一、利用2 7 m m 口径的超声速锥形喷嘴产生的中性气体与激光脉冲的相互 作用，在国内率先实验获得了5 8 m e v 的准单能电子束。对于当时激光装置的工 作状态来说，当喷嘴的喷气压强维持在2 5 m p a 时，有利于激光尾波场加速产生 高能电子束。为了详细的研究实验中的电子加速过程及其物理问题，利用p i c 程 序在大范围的等离子体参数尺度上对激光等离子体相互作用进行模拟分析。结果 显示，在考虑了预脉冲对等离子体密度的影响之后，模拟给出的电子束无论在能 量大小方面还是在能散方面都是最接近实验结果的。通过对激光脉冲及等离子体 波演化过程的细致分析发现，实验中电子束能量较低的原因，是由于在这种情况 下激光脉冲需要在更长的空间尺度( 2 3 m m ) 上进行自演化来提高激光强度， 而电子在尾波场中真正的加速距离只有0 4 m m 左右。 二、实验产生了总电荷量达2 0 n c 的电子束。通过对激光脉冲能量的空间分 布及出射电子束角分布的测量发现，激光脉冲能量空间分布的不均匀是导致电子 束大电荷量的主要原因，激光脉冲的不均匀主要包括脉冲主焦斑外围的大面积晕 区以及多个强度较弱的子脉冲。这样的激光脉冲产生的电子束不是单一的电子 束，而是由多束电子构成。为了验证电荷测量的可靠性，对其测量工具i c t 进 行了详细的实验标定，标定结果显示测量结果是可信的。 三、理论研究充气型放电毛细管对激光脉冲的引导，从b e r n o u l l i 方程组出 发对毛细管充气过程的流量控制进行计算。利用m h d 程序对放电毛细管中等离 i 摘要 子体通道的形成过程进行详细研究。模拟发现，充气型毛细管的放电过程可以分 为电离击穿过程、通道形成过程及通道稳定过程等三个阶段。详细的模拟显示， 在很大的放电电流参数及充气压强范围内，放电毛细管都可以产生比较稳定的等 离子体通道。 四、针对激光脉冲引导所需的预等离子体通道，在国内率先建立了一套完整 的充气型放电毛细管系统，其中包括高压放电电源系统、毛细管系统及其充气系 统。放电电源可以稳定工作在l o k v 3 0 k v ，对于目前实验常用的毛细管长度及 充气压强来说，这样的电压可以顺利实现毛细管两端的放电击穿。放电电源内置 三种不同的电容器，可以保证放电电流的脉冲宽度在2 0 0 n s - 5 0 0 n s ，放电电流 2 0 0 a 5 0 0 a 。这样的放电电流脉冲可以有效促使毛细管内等离子体的产生及等离 子体通道的稳定形成。 五、在放电毛细管系统的基础上，利用等离子体的s t a r k 展宽效应结合一维 的光谱成像系统，对充气型放电毛细管产生的等离子体密度与充气压强之间的关 系进行详细测量，给出了二者之间的定标关系。测量结果显示，毛细管轴向等离 子体密度与充气压强基本满足线性关系。利用定标关系，在实验中通过调节充气 压强就可以方便的控制等离子体密度。 六、在建立了充气型放电毛细管系统并对其产生的等离子体密度进行测量之 后，在国内首次进行了充气型毛细管的等离子体通道引导及激光尾波场的电子加 速实验。在放电情况下，小能量打靶时激光能量透过率偏低。在没有放电的情况 下，初步获得了长达1 5 m m 的激光引导，同时还实现了毛细管情况下激光尾波场 电子加速中高能电子束的产生。通过对激光脉冲信噪比的对比发现，预脉冲在激 光脉冲的引导过程中起着重要的作用。此外，基于较长的激光等离子体相互作用 距离，透射光谱中出现了蓝移量较大的平台光谱。为了研究首轮实验中放电毛细 管产生等离子体密度较低的原因，在二维情况下对毛细管的充气过程进行详细的 流体模拟。模拟显示，目前放电毛细管等离子体密度低的主要原因是较小的毛细 管充气孔，通过对毛细管充气孔参数的优化选择，提出了对毛细管的进一步改进。 关键词：激光尾波场，电子加速，放电毛细管，m h d 模拟，预等离子体通道引 导，p i c 模拟，s t a r k 展宽 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ec h a r g e dp a r t i c l ea c c e l e r a t o rw a so n eo ft h e g r e a t e s ti n v e n t i o n si nt h e t w e n t i e t hc e n t u r y i ti sv e r yi m p o r t a n tf o rp r o m o t i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h eh i g h e n e r g yp h y s i c sa n ds o c i a le c o n o m i c s h o w e v e r , f o rt h er a d i o f r e q u e n c ya c c e l e r a t i o n u s e di nt h ec o n v e n t i o n a la c c e l e r a t o r , t h ea c c e l e r a t i n gg r a d i e n ti sl i m i t e dt o10 0 m v m b e c a u s eo ft h ee l e c t r i c a lb r e a k d o w no ft h em a t e r i a l l a r g e rs c a l e ( m u l t i - k m ) a n d h i g h e rc o s t ( m u l t i h u n d r e dm i l l i o nd o l l a r s ) w o u l db en e c e s s a r yf o rt h eh i g h e re n e r g y a c c e l e r a t o r , a n dr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n v e n t i o n a la c c e l e r a t o r t h ep l a s m a i sai d e a lm e d i u mf o ra c c e l e r a t i o nb e c a u s et h ep l a s m ai t s e l fi si o n i z e da n dt h e r ei sn o b r e a k d o w n a st h ed e v e l o p m e n to ft h ec h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ，u l t r a s h o r ta n d u l t r a - h i g hi n t e n s i t yl a s e rp u l s eh a sb e e ni n v e n t e di nt h el a s tt w e n t yy e a r s w h e ns u c h al a s e rp u l s ei n t e r a c t sw i t ht h eu n d e r d e n s ep l a s m a ，i tc a nd r i v eh i g h - a m p l i t u d ep l a s m a w a v eb e h i n di t st a i l t h i sp l a s m aw a v ec a nt r a pe l e c t r o n sa n da c c e l e r a t et h e mt og e v i nt h ec ms c a l e ，w h i c hs u p p l i e san e w a p p r o a c hf o rt h ee l e c t r o na c c e l e r a t i o n t h ea c c e l e r a t i n gg r a d i e n to ft h el a s e rw a k e f i e l dc o u l db eh i g h e rt h a n10 0 g v m ， a n dt h ed u r a t i o no ft h eg e n e r a t e de l e c t r o nb e a mi ss h o r t e rt h a n5 0 f sa n dt h es p o ts i z e i s u s u a l l ys e v e r a lm i c r o m e t e r s ，a l lo ft h e s ec h a r a c t e r sa r eb e t t e rt h a nt h a to ft h e c o n v e n t i o n a la c c e l e r a t o r t h el a s e rw a k e f i e l d a c c e l e r a t i o n ( l w f a ) h a sb e e n r e s e a r c h e df o rm o r et h a nt w e n t yy e a r sa l lo v e rt h ew o r l d e x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h e l w f ai nt h es i l e x il a s e rf a c i l i t ya r ei n t r o d u c e d t h em a i nr e s u l t si nt h i st h e s i sa r e p r e s e n t e di nt h ef o l l o w s ： 1q u a s i - m o n o e n e r g e t i ce l e c t r o nb e a mw i t h58 m e vw a so b t a i n e db yan o z z l ej e t o f2 7 m md i a m e t e r , a n dt h em a t c h e dg a sp r e s s u r ew a s2 5 m p af o rt h ec o n d i t i o no ft h e l a s e rf a c i l i t y p i cs i m u l a t i o n sw e r ec o n d u c t e dt oe x p l o r et h ed e t a i l e dp h y s i c sp r o c e s s o ft h el w f au n d e rd i f f e r e n tp l a s m ad e n s i t i e s s i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t e dt h a tt h e i n t e r a c t i o np l a s m ad e n s i t yw a sd e d u c e db yt h ep r e - p u l s e ，w h i c hw a sv a l i d a t e db yt h e f o r w a r dr a m a ns p e c t r u m f o rt h ed e d u c e dp l a s m ad e n s i t y , t h es e l f - e v o l u t i o nl e n g t h o ft h el a s e rp u l s ew a sa b o u t2 3 m m ，a n dt h ea c c e l e r a t i n gl e n g t ho ft h ee l e c t r o nb e a m w a s j u s t0 4 m m ，w h i c hr e s u l t e di nt h el o w e re n e r g yo f t h ee l e c t r o nb e a m 2e l e c t r o nb u n c hw i t ht o t a lc h a r g eu pt o2 0 n cw a so b t a i n e d a n a l y s i so ft h e e n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h el a s e rp u l s es h o wt h a tt h el a r g es p o ts i z ea n dt h em u l t i p l e p u l s e sa r ei nc h a r g eo ft h el a r g ec h a r g ee l e c t r o nb u n c h t h eg e n e r a t e de l e c t r o nb u n c h c o n s i s t so fs e v e r a lb e a m l e t s d e t a i l e dc a l i b r a t i o no ft h ei c td e m o n s t r a t e st h a tt h e i c h a r g em e a s u r e m e n tw a sr e l i a b l e 3t h eb e r n o u l l ie q u a t i o n sa r eu s e dt oc a l c u l a t et h eg a sf l o wo ft h eg a s f i l l e d c a p i l l a r y m h ds i m u l a t i o n sa r eu s e dt os t u d yt h ep r o c e s so ft h e p l a s m ac h a n n e l g e n e r a t i o no ft h ed i s c h a r g ec a p i l l a r y t h es i m u l a t i o n sa l s od e m o n s t r a t et h a tt h e r e 御e t h r e es t a g e sf o rt h ec h a n n e lg e n e r a t i o ni nt h e d i s c h a r g ec a p i l l a r y , w h i c ha r eg a s i o n i z a t i o n ，c h a n n e lf o r m a t i o na n dc h a n n e ls t a b l e d e t a i l e ds i m u l a t i o n ss h o wt h a tt l i e s t a b l ep l a s m ac h a n n e lc a nb eg e n e r a t e di nd i f f e r e n td i s c h a r g ec u r r e n t sa n df i l l e dg a s p r e s s u r e s 4t h eg a sf i l l e dc a p i l l a r yd i s c h a r g ew a v e g u i d e s y s t e mw a sc o n s t r u c t e di nl f r c w h i c hc o n s i s t so fd i s c h a r g es o u r c e ，c a p i l l a r ya n d t h eg a sf i l l e ds y s t e m t h ed i s c h a r g e s o u r c ec a l l s u p p l yav o l t a g eo f10 k v 3 0 k vs t e a d i l y t h e r ea r et h r e ed i 脏r e n t c a p a c i t o r si nt h ed i s c h a r g es o u r c ef o rg e n e r a t i n gd i f f e r e n td i s c h a r g ec a r t e n t ，t h e d u r a t i o no fw h i c hi sb e t w e e n2 0 0 n sa n d5 0 0 n s ，a n dt h ec u r r e n ta m p l i t u d ei sb e t w e e n 2 0 0 aa n d5 0 0 a s u c hd i s c h a r g ec u r r e n tc a l lb r e a k d o w nt h ec a p i l l a r ya n d g e n e r a t e p l a s m ac h a n n e ls u c c e s s f u l l y 5b a s e do nt h eg a sf i l l e dc a p i l l a r yd i s c h a r g ew a v e g u i d e ，t h ep l a s m ad e n s i t vi s m e a s u r e db yt h es t a r kb r o a d e no fp l a s m au s i n gas p e c t r o m e t e r t h es c a l i n gl a wo f p l a s m ad e n s i t ya n dg a sf i l l e dp r e s s u r ei nc a p i l l a r yi so b t a i n e d t h i ss c a l i n gl a wc a n b e u s e dt oc o n t r o lt h e p l a s m ad e n s i t y i nt h e f o l l o w i n g l a s e r g u i d i n ga n dl w f a e x p e r i m e n t s 6t h el a s e rg u i d i n ga n de l e c t r o na c c e l e r a t i o n e x p e r i m e n t sb yt h eg a sf i l l e d c a p i l l a r ys y s t e mw e r gc o n d u c t e di nl f r c i nt h ee x p e r i m e n t s ，h i g he n e r g ye l e c t r o n b u n c hw i t hm a x w e l l i a nd i s t r i b u t i o nw a so b t a i n e da n dt h el a s e rp u l s ew a sg u i d e d a b o u t15 m mi nt h ec a p i l l a r yw i t h o u td i s c h a r g e a n a l y s i so ft h el a s e rp u l s e ，sc o n t r a s t r a t i os h o w st h a tt h ep r e - p u l s ec o n d i t i o np l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h eg u i d i n go f t h e l a s e rp u l s e 2 ds i m u l a t i o n sa r ed o n et oe x p l o r et h er e a s o n so f t h em u c hl o w e rp l a s m a d e n s i t yg e n e r a t e di nt h ec a p i l l a r y t h es i m u l a t i o n sd e m o n s t r a t et h a tt h es m a l l e r g a l s i n l e t so ft h ec a p i l l a r ya r ei nc h a r g eo ft h el o w e rd e n s i t yi nt h ec a p i l l a r y d u et ot h e s e s i m u l a t i o n s ，t h ei m p r o v e m e n t sf o rt h en e x tg e n e r a t i o nc a p i l l a r ya r ep r o p o s e di nt h e e n d k e yw o r d s ：l a s e rw a k e f i e l d ，e l e c t r o n a c c e l e r a t i o n ，d i s c h a r g ec a p i l l a r y , m h d s i m u l a t i o n ，p r e - p l a s m ac h a n n e lg u i d i n g ，p i cs i m u l a t i o n ，s t a r kb r o a d e n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章引言1 1 1 强场物理简介1 1 2 传统加速器3 1 3 激光等离子体加速器4 1 4 国内外现状5 1 4 1 理论方面5 1 4 2 实验方面。9 1 5 论文安排1 0 参考文献1 1 第二章激光等离子体相互作用1 7 2 1 激光等离子体相互作用中的非线性过程1 7 2 1 1 自聚焦1 7 2 1 2 光谱变化1 8 2 1 - 3 自压缩2 0 2 1 4 受激r a m a n 散射2 0 2 2 激光尾波场的产生2 1 2 2 。1 等离子体中的电磁波及等离子体振荡2 l 2 2 2 有质动力2 3 2 2 3 激光尾波场的产生2 4 2 3 激光尾波场中的电子注入3 l 2 3 1 自注入3 1 2 3 2 碰撞注入3 2 2 3 3 密度梯度注入3 3 2 3 4 离化注入3 4 2 4 激光尾波场中三个重要的特征长度3 6 v 目录 2 4 1 自然散焦长度。3 6 2 4 2 泵浦损耗长度3 7 2 4 3 失相长度3 8 2 5 激光尾波场中的能量定标率3 9 2 5 1 线性区4 0 2 5 2 非线性区4 0 参考文献4 3 第三章喷气靶电子加速实验4 7 3 1 实验设置及诊断方法4 7 3 1 1 实验布局及实验条件4 7 3 1 2 自散射像的测量4 9 3 1 3r a m a n 散射光谱的测量5 0 3 1 4 电子束能谱的测量5 l 3 i 5 电子束电量的测量5 2 3 2 准单能电子束的产生5 3 3 2 i 角分布测量5 4 3 2 2 能谱测量5 6 3 2 3 结果分析5 9 3 3 大电量电子束的产生6 0 3 3 1 实验结果6 0 3 3 2 结果分析6 1 3 4 积分束流仪的标定6 3 3 4 i 标定需求6 3 3 4 2 标定方案6 4 3 4 3 标定结果6 5 3 5p i c 模拟分析6 8 3 5 1 模拟参数选取6 9 3 5 2 模拟结果分析7 2 3 6 本章总结7 5 参考文献7 6 第四章毛细管引导原理及数值计算8 1 目录 4 1 激光在等离子体中的引导? 8 1 4 1 1 引导需求8 l 4 1 2 引导途径8 3 4 1 3 激光引导的匹配焦斑8 7 4 2 毛细管引导效应的数值计算8 8 4 2 1m h d 方程组准解析解8 9 4 2 2m h d 数值模拟9 2 4 2 3b e r n o u l l i 计算9 4 4 2 4 毛细管中的定标关系9 6 4 3 本章总结9 7 参考文献9 8 第五章毛细管电子加速实验1 0 1 5 1 毛细管及其充气系统1 0 1 5 2 毛细管放电系统1 0 4 5 3 等离子体的密度测量1 0 6 5 3 1s t a r k 展宽1 0 7 5 3 2 测量布局1 0 8 5 3 3 测量结果1 0 9 5 4 毛细管电子加速实验初步研究1 1 2 5 4 1 实验设置1 1 3 5 4 2 小能量引导实验1 1 4 5 4 3 大能量引导实验1 1 5 5 4 4 透射光谱的测量1 1 9 5 4 5 高能电子束的产生1 2 0 5 5 毛细管的改进1 2 1 5 5 1 充气过程的流体模拟1 2 1 5 5 2 毛细管的进一步改进1 2 3 5 6 本章总结1 2 5 参考文献1 2 6 第六章总结与展望1 2 9 6 1 总结1 2 9 v 目录 6 2 展望1 3 1 致谢1 3 3 攻读学位期间发表的论文情况1 3 5 v i i i 第一章引言 1 1 强场物理简介 第一章引言 自从1 9 6 0 年美国人m a i m a n 制成世界上第一台激光器( 红宝石激光器) 后， 由于其很好的方向性与相干性以及高强度等优点而被广泛应用于国民经济的各 个领域。随着掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 和啁啾脉冲放大技术( c h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ) 的结合及迅速发展瞳3 ，超短超强激光脉冲技术也得到了飞速发 展，其中激光脉冲宽度为皮秒乃至飞秒量级，脉冲能量在焦耳至数十焦耳之间， 因此激光的脉冲功率可以达到数十太瓦甚至拍瓦量级，其聚焦之后的功率密度可 以高达1 0 1 8 1 0 2 2 w c m 2 。这样高的功率密度可以在实验室中产生前所未有的强 电场( 1 0 ”v m ) 、强磁场( 1 0 9 g a u s s ) 、高温度( 1 0 1 0 k ) 、高压强( 1 0 9 b a r ) 、高 密度及高加速度( 1 0 2 0 9 ) 的极端物理条件。这为i c f “快点火 、高能量密度物 理、粒子加速物理、天体物理、材料科学等领域都带来了新的机遇与挑战，如图 1 1 所示 4 】【5 1 。 ，u一ltra”：ul t r a 7 - 再前嵛赫d i e f l 辩a c ”c e i e m “”- t i o 哪n 鼍 h i d h 妇f a t “j 翼 i c o m p a c 。t 蒹c e l e r a t o r s一：餐 ；p h o t o na n dp ar t i c l ef o u n d r y ” 遘 i p a t h w a yt o ul t r a r e l a t i v i s t i cp h y s i c 争裔。 1 9 6 01 9 7 01 9 8 01 9 9 02 0 0 02 0 1 0 图1 - 1 激光功率密度及应用领域 l e l o f t 阳w c a t 局v m 跏 p o s t t r o m f 2 , , t r o ne r a 第一章引言 考虑一线偏振激光脉冲，其电场司以表不为： 晶= r e ( 一垃4 f j 妒) o 则电子在该激光场中的振荡速度为： ，：堕c o s ( ) 毗，归一烟子口0 = 詈= 詈= 眦e e o ：= 而e e o 向傲光强度日j 以表不为： 厶= 互1c 氏乓2 = i s 万o ：万c 彳 即2 扯萨占0 c 山 2 = 筹 ， = 去孚露锄1 3 7 x l o i s 】 最终，归一化因子可以表示为： 露= 7 2 9 1 0 。1 9 卿c w 朋2 膨2 ( 1 2 ) 可以看出，对于1 p m 波长的激光脉冲来说，当激光光强达到1 3 7 1 0 1 3 w 了 时，电子振荡速度的归一化因子为1 ，也就是说电子在激光场中的运动达到相对 诊。i 比时激光场的电场强度为3 0 1 0c ，该电场强度已经超过了氢原子内21v m 部的电场强度( 5 1 1 0 9 v c m ) 。激光脉冲的归一化矢势大于1 被认为是激光强 度进入强场领域的标志，此时的激光物质相互作用也进入到强场物理范畴1 。 强场物理涉及到的研究内容十分丰富，主要包括：强激光与原子的相互作用 及电离机制7 1 、强激光与团簇的相互作用及中子产生8 m m 们n 、强激光等离子体 相互作用中自生磁场的产生n 2 m 引、超热电子的产生与输运n 钔n 钔、快点火物理n 剐、 粒子加速1 7 1 n 8 1 、高次谐波产生n 9 1 、t h z 辐射刎2 1 j 、正电子2 2 1 、台式x 射线源2 3 3 2 钔、 y 射线源1 、光致核反应同位素的产生胁2 7 1 以及超快化学诊断等乜引。 从上世纪九十年代至今，随着啁啾脉冲放大技术的不断发展，各大高校与实 验室都先后建立了自己的超短超强激光脉冲装置，国外主要有美国l b n l 实验 室2 9 1 、u n i v e r s i t yo ft e x a s l 3 0 】、u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n l 31 】、u c l a t 3 2 1 、英国r a l 实 验室】、法国l o a 实验室州、德国m p q 实验室、日本j a e a t 3 6 1 、韩国a p r i t 3 7 】 以及国内的中国工程物理研究院 矧、上海光机所口钔、中科院物理所m 1 等。基于这 些激光装置进行了大量的强场物理实验研究，丰富了强场物理实验内容，其中最 2 第一章引言 引人注目的是2 0 0 4 年，n a t u r e 杂志同时报道了美国l b n l 实验室乜9 1 、英国r a l 实验室3 3 及法国l o a 实验室铂在激光尾波场电子加速方面的最新进展，三者利 用飞秒太瓦激光在i l l i l l 的等离子体尺度上加速产生了百m e v 量级的准单能电子 束。这样的加速效率在传统加速器领域是不可想象的，这些实验的成功实施为激 光尾波场电子加速的应用奠定了坚实的基础。 1 2 传统加速器 带电粒子加速技术在过去的一个多世纪里一直是科学领域所追求的焦点，是 高能粒子研究领域不可或缺的工具。1 9 世纪末阴极射线管的出现直接导致了x 射线( 1 8 9 5 ) 及电子( 1 8 9 6 ) 的发现。粒子加速器自2 0 世纪3 0 年代出现以来， 一直都是其所在时代高技术的结晶，不仅促进了人类对微观世界及宇宙起源方面 的认识，为同步辐射装置、自由电子激光及散列中子源等大型科学装置提供了平 台，而且在科学技术发展及国民经济( 医学、工业及商业等) 应用方面发挥着其 不可替代的作用h “。 目前的大型粒子加速器包括直线加速器与同步加速器，受限于射频腔材料的 电离击穿，采用射频加速技术的加速器，所能提供的加速梯度一般都低于 1 0 0 m v m 。在这种情况下，为了获得高能粒子束，就只能依靠加速距离的增大， 相应的也就增加了加速器的占地面积以及造价成本，这也导致人们在建造大型加 速器时的犹豫不决。例如目前的斯坦福直线加速器，提供的加速梯度为2 0 m v m ， 在长达3 k m 的距离上只能加速电子至5 6 g e v ，更大的加速器需要更大的空间及 建造成本，这限制了加速器技术在各方面的广泛应用。例如在同步辐射光源的应 用方面，英国的d i a m o n dl i g h ts o u r c e 光源需要建造3 g e v 的加速器，整个系统 成本在6 亿美元左右，同时占地面积达5 个足球场，这样高昂的代价使加速器很 难大范围普及并造福人类，同时也限制了大型加速器的进一步发展。因此探索新 的加速介质及加速途径成为加速器物理方面比较紧迫的任务之一。 图1 - 2s l a c 及d l c 概念图m 3 1 3 第一章引言 1 3 激光等离子体加速器 传统加速器的最大问题在于无法解决射频腔的电离击穿问题，该问题造成了 加速器的体积庞大及造价昂贵。而在大自然中，等离子体作为物质第四态，本身 就处于电离状态，因此对于等离子体来说根本不存在电离击穿的问题，即理论上 可以提供无穷大的加速电场。考虑到等离子体的这一特性，人们把探索新的加速 介质及加速途径的目光投向了等离子体。 1 9 7 9 年，t t a j i m a 与j m d a w s o n 首先从理论上验证了基于等离子体的等 离子体波加速器的设想“钉。激光等离子体波加速的原理为：当强激光脉冲在次稠 密等离子体中传输时，激光脉冲的有质动力会推动等离子体中的电子运动，并使 其偏离原来位置，而离子由于较大的质量而基本维持静止状态作为本底，进而在 电子离子之间形成分离电场，该分离电场将导致电子在空间上的纵向振荡，形成 大振幅电子等离子体波。因此，激光尾波场本质上属于电子等离子体波，该等离 子体波随激光脉冲向前传播，其相速度等于激光脉冲在等离子体中传输的群速 度，因此等离子体波以接近于光速的速度向前运动。在等离子体波的运动过程中， 随着与激光之间能量的不断耦合，等离子体波振幅不断增大，最终会通过波破等 方式俘获背景电子，进而加速产生高能电子束。 虽然等离子体波加速的概念在理论上已经获得了验证，但受限于当时的激光 技术，等离子体尾波场加速一直没有获得突破性的进展，如图1 3 所示。期间尾 波场电子加速主要集中在激光拍频波加速和自调制尾波场加速，这两种等离子体 波加速机制产生的电子束能量较低( m e v 量级) ，而且能谱分布都是准m a x w e l l 连续谱( 4 5 】 删 4 7 】。 图1 3 激光等离子体波加速器的发展历程1 近年来，随着啁啾脉冲放大技术的发展，激光强度有了大幅度提高，脉冲宽 度可以达到飞秒量级，出现了超短超强激光脉冲装置，这为激光尾波场的共振激 4 (，=一x6joccoj_39la= 第一章引言 发创造了条件，电子加速也获得了飞速发展。在激光等离子体波加速中，等离子 体波的加速电场梯度可以用公式岛9 6 i 近似来估计油1 。理论及实验均表明， 当等离