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未来电子束加速器:激光等离子体加速器

2013-06-12 00:08
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  ——激光等离子体加速器非常有望成为紧凑型的、能够提供准单能、低发射度、GeV的高能电子束的加速器。其加速出来的超短电子束脉宽只有几个飞秒,从而导致其电流高达几千安培,这点对于应用来说非常有价值。但是该项技术的发展目前始终受制于稳定性较差和电子束质量较难控制等缺点。这些问题很大程度上都是因为尾波场中电子束注入的问题。电子束的注入通常是依赖于等离子体尾波场的波破效应,而这从本质上来说是不可控的。目前有很多控制电子束注入的机制被提出来,如对撞脉冲注入、电离注入和梯度下降沿注入。但是这些注入机制一般都需要较复杂的实验设置,所以目前人们还是更依赖于自注入机制。对于自注入来说,存在两个完全不一样的物理过程:径向自注入和横向自注入。如图13(a)所示,电子束穿过激光脉冲并在通过尾波场的过程中获取能量。当它到达第一个尾波场周期的尾部时,其速度已经超过了尾波场的相速度,因而实现了注入。能够通过该机制获得注入的电子是处于轴上的电子,该处激光强度和尾波场强度都最高但是有质动力却最小。横向注入发生在空泡领域,此时激光强度足够高,会将尾波场中的电子完全排空。如图13(b)所示,被注入的电子通常位于激光的外围,它们绕着激光和空泡的外围运动并在到达空泡尾部时获得超过尾波场相速度的能量从而实现注入。

  文章通过实验和模拟结果验证了不同的激光及等离子体参数可以分别导致径向自注入和横向自注入。这两种注入机制所获得的电子束的特征并不相同。首先,我们验证了在一些条件下,电子束将先被径向注入,接着再被横向注入。其次,我们证明使用径向注入获得的电子束的稳定性及可控性都要更好。

  我们首先利用PIC 模拟来对这两种注入机制进行观察,图14(a)为我们模拟中所使用的光斑分布,该分布于我们实验中所使用的一致。图14(b)中所示的为归一化激光强度a 在等离子体中传播时的变化过程。该激光脉冲经历了三个聚焦和散焦的周期变化,在激光传播的非常早期就有一个2pC 的电子束获得了注入,在第二个自聚焦峰值附近又有一个大电量(200pC)的电子束注入,在第三个峰值聚焦的电子束注入的电量稍小一些。

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