利用2TW 激光器產生具有超小歸一化發散角的準單能電子束團的實驗和模擬研究

李大章，高 杰

（中國科學院 高能物理研究所，北京 100049）

自1979年Tajima等［1］提出激光尾場加速器（LWFA）概念以來，激光等離子體加速器（LPA）受到新型加速原理研究領域的廣泛關注。該方法利用超短超強激光脈沖和低密度等離子體相互作用產生一個跟在激光脈沖后面以接近光速的速度移動的縱向加速電場，其加速梯度可達100GV／m，較傳統射頻加速結構高了2～3個數量級，這為小尺寸、桌面型加速器的設想成為現實提供了可能。經過30多年的努力，LPA 在提高束團能量，控制束團能散等方面取得了長足的進步，一系列產生GeV 量級高能單能電子束的實驗相繼被報導［2-4］。

此前在LPA 方面的實驗研究大多集中于“空泡加速”領域［5-6］。這就要求激光脈沖的脈寬很短（τ≤30fs）且功率密度很高（I≥1019W／cm2）。滿足這些要求的激光器一般在穩定性，調試、維護的周期，重復頻率等方面無法令人滿意。因此，產生的電子束質量的提高往往過分依賴于激光器性能的提升或整體實驗布局的復雜化（如引入碰撞脈沖以提高注入效率［7］，引入毛細管以延長激光傳播距離［8］等）。與LWFA相對，自調制激光尾場加速器（SM-LWFA）可運行于更長脈寬、更小功率的激光器（如百飛秒，太瓦量級的激光器），對激光、等離子體參數的匹配要求也更低。SM-LWFA 最初是在激光器條件達不到LWFA 要求時作為替代方案被提出的［9-10］，它的優點是相對簡單和擁有更高的加速性能。不僅如此，SM-LWFA 在控制束團的尺寸和發散角方面有著天然的優勢。但SM-LWFA 中電子的注入、加速過程往往并不穩定，這使得人們一度認為無法利用此種原理產生單能電子束團，也逐漸忽視了在該方向的研究。近年來，國內外一系列實驗證明，在激光、等離子體參數合適的條件下，自調制激光尾場加速一樣可以產生高品質電子束［11-15］。對這方面的研究具有很高的應用前景。

1 實驗布局及結果分析

圖1為實驗布局。實驗中到達靶面的激光能量約為150～250mJ，脈寬為80fs，折合功率為2～3TW。等離子體的產生裝置是馬赫數為5的長條型氣體噴嘴，長度為1.2mm，背壓為0.5～7.5 MPa。應用Top view 和Shadow view 診斷，可觀察激光和等離子體相互作用時的通道產生情況，通過透射光光譜測量，可得到等離子體密度信息，而通過電子譜儀及角分布診斷設備可得出電子束團的空間分布及能譜信息。

圖2示出了典型的等離子體通道測量結果。從圖中可看出，激光在等離子體中傳輸接近1mm（約15倍瑞利長度）而沒有明顯發散，說明等離子體對激光產生了良好的自聚焦作用，這有利用自調制的充分發生以及電子的穩定加速。

圖1 實驗布局Fig.1 Experimental setup

圖2 等離子體通道的測量結果Fig.2 Measurement result of plasma channel

圖3 透射光譜的測量結果Fig.3 Measurement result of optical spectrum

圖3示出了透射光譜的測量結果。從圖中可看出，激光和等離子體相互作用后發生了明顯的藍移，這是自調制產生的重要標志之一。根據藍移量的大小，可估算出當背壓在1～6.5 MPa變化時，相互作用中的等離子體密度約為3.8×1018～2.5×1019cm-3。

圖4示出電子角分布及能譜測量結果。從圖4a可看出，出射電子束團在未經磁鐵偏轉時的水平、垂直發散角均為2 mrad，束流的對稱性和亮度均較高。從圖4b可看出，電子具有較好的單能性，束團中心能量約為23 MeV，能散為±3.5%，電量為6pC，垂直發散角約為2mrad（這與角分布測量是相吻合的）。據此得到束團的歸一化發散角θn＝γ·θx，y＝92mrad，這在已有的LPA 實驗中是最小的。若假設束團尺寸和模擬中得到的約0.8μm，則估算歸一化發射度可達0.07 mm·mrad，已達到甚至超過了目前最先進的光陰極微波電子槍的水平。

圖4 電子角分布（a）及能譜測量結果（b）Fig.4 Electron beam profile（a）and measurement result of energy spectrum（b）

2 模擬結果與討論

為更好地理解實驗結果，研究相互作用的機制，利用OOPIC 程序對本實驗進行了有針對性的研究，模擬結果示于圖5。

圖5 等離子體電子密度（a～d）和激光脈沖（e～h）隨時間的變化Fig.5 Plasma electron density（a-d）and laser pulse（e-h）vs.time

從圖5可看出，當激光脈沖剛進入等離子體中時，由于自聚焦的作用，其橫向尺寸明顯變小（圖5a、b、e、f），同時等離子體電子被激光脈沖橫向排開，圍繞在其周圍形成密度較高的電子鞘層。隨著激光脈沖的進一步傳輸（圖5c、g），由于等離子體波長小于激光脈沖長度，所以回流電子將和脈沖尾部發生碰撞、耦合，導致激光脈沖尾部被侵蝕，脈寬變短，強度增加。同時脈沖橫向變寬，在等離子體中形成一類似于空泡的加速結構。在空泡的尾部有背景等離子體電子被俘獲并加速。隨著自注入電子的產生和加速，激光脈沖的尾部被加速侵蝕，但仍能在幾百μm 的距離內維持空泡加速結構的穩定性，從而使自注入電子獲得幾十MeV 的能量，且保持較低的能散。同時，較高密度的等離子體可提供更大的橫向聚焦力，從而很快阻尼束團的橫向振蕩，使束團的尺寸、發散角及發射度保持在一極低水平。

3 結語

本工作報道了利用2TW 量級的激光器產生了準單能電子束團的實驗結果。這是國內首次應用TW 量級激光器產生高品質電子束團。與國際上應用類似激光器所得到的實驗結果相比，本工作的電子束質量也是最高的。根據估算，在實驗中得到的電子束團的歸一化發射度已達到甚至超過了目前最先進的光陰極微波電子槍的水平。再考慮到激光尾場加速所產生的電子束團具有天然的尺寸小（幾個μm 量級）、束長短（幾十飛秒）等優點，我們認為，不遠的將來有望將其應用到傳統加速器領域，用來替代電子槍，或者作為傳統加速器的前級使用。

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