譚放 張曉輝 朱斌 李綱 吳玉遲 于明海 楊月 閆永宏 楊靖 范偉 董克攻 盧峰 谷渝秋?

1) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥 030006)

2) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,高溫高密度等離子體物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621900)

1 引 言

1979年,Tajima和Dawson[1]提出了激光等離子體波加速器的設(shè)想.其基本原理是超短超強(qiáng)激光在氣體里傳輸,其尾部可以激發(fā)出縱向的尾波電場,該電場可以用于加速帶電粒子.當(dāng)尾波場強(qiáng)度超過等離子體所能允許的最大電場強(qiáng)度而發(fā)生波破時(shí),運(yùn)動(dòng)速度超過尾波場相速度的電子可以被注入進(jìn)尾波場中,隨后在尾波電場中被進(jìn)一步加速[2].等離子體尾波電場的強(qiáng)度E0主要由等離子體密度np決定,其簡易表達(dá)式為E0[GV/m]=300(np)1/2[1019cm-3],通常為數(shù)十MV/cm-GV/cm量級(jí).激光尾場電子加速器可以通過毫米至厘米的加速距離,將電子加速至幾十MeV至GeV量級(jí),代表了新一代加速器的發(fā)展方向[3].2004年美國LBNL實(shí)驗(yàn)室[4]、英國RAL實(shí)驗(yàn)室[5]以及法國LOA實(shí)驗(yàn)室[6]同時(shí)報(bào)道了在激光尾場電子加速方面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,重新喚起了尾場電子.而經(jīng)過多年的發(fā)展,激光尾場加速器已經(jīng)可以獲得能量為數(shù)GeV量級(jí)的尾場電子[7-10].

激光尾場電子加速器產(chǎn)生的高品質(zhì)電子束可以進(jìn)一步產(chǎn)生高質(zhì)量的輻射源.2001年,Catravas等[11]提出了全光湯姆遜散射光源的設(shè)想,使用激光尾場加速產(chǎn)生高能電子,再用激光與尾場電子相作用產(chǎn)生X射線脈沖.全光湯姆遜散射光源有希望獲得脈寬短至10 fs,源尺寸小于5 μm、發(fā)射角mrad量級(jí)、單色性很好的高品質(zhì)臺(tái)面硬X射線和伽馬射線源.目前,實(shí)驗(yàn)建立的全光湯姆遜散射光源主要有兩種類型: 一種采用兩束激光對(duì)打[12-16],對(duì)激光和電子的時(shí)空同步要求極高,但能夠用于噴嘴、氣室、毛細(xì)管等多種尾場電子加速器上; 另一種使用等離子體鏡反射主激光,使其與尾場電子相作用[17-19],激光與電子的時(shí)空同步難度低,但需要主激光被良好地自聚焦且能量不能損耗過大,只能用于較短的噴氣靶尾場電子加速器.

穩(wěn)定的高品質(zhì)單能全光湯姆遜散射光源的核心需求是穩(wěn)定的高品質(zhì)單能尾場電子,這也是激光尾場電子加速技術(shù)本身發(fā)展的需求.為了獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)單能尾場電子,國內(nèi)外的研究者開展了一系列針對(duì)尾場電子注入機(jī)制的研究.早期研究中,波破導(dǎo)致的電子注入被稱為自注入[20-26],其發(fā)生時(shí)間、位置以及注入的電量嚴(yán)重依賴于激光在等離子體內(nèi)部的非線性傳輸及自聚焦過程,因此具有很強(qiáng)的隨機(jī)性,對(duì)初始參數(shù)也非常敏感,每發(fā)打靶電子的注入位置都會(huì)改變,使得最終獲得的尾場電子發(fā)與發(fā)之間的重復(fù)性很差.為了進(jìn)一步提高尾場電子的穩(wěn)定和重復(fù)性,電子注入技術(shù)得到了深入的研究,如離化注入[7,27-30]、碰撞注入[31-33]、密度梯度注入[34-37]、沖擊波前沿注入[38-43]等.離化注入[27]是在低Z氣體里混入少量高Z氣體,例如在He氣里混入少量N2氣,激光功率密度較高的部分可以將N原子內(nèi)層的電子電離并直接注入進(jìn)尾場加速相從而得到加速.激光在混合氣體中傳輸時(shí),離化注入通常發(fā)生在整個(gè)等離子體通道中,由此產(chǎn)生的尾場電子電量較大,但能譜為連續(xù)譜.碰撞注入[31-33]是使用第二束激光與主激光碰撞形成駐波,在駐波波峰所在區(qū)域激光強(qiáng)度大大提高,使得電子只在駐波波峰附近注入,該方法也可以獲得穩(wěn)定的單能尾場電子,但需要實(shí)現(xiàn)兩束激光高精度時(shí)空同步,實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難度很高.密度梯度注入[34-37]通過使用具有連續(xù)變化的密度梯度的氣體靶,變化的等離子體密度可以控制尾場加速結(jié)構(gòu)的尺度,從而實(shí)現(xiàn)電子的注入和持續(xù)加速.密度梯度注入也是一個(gè)持續(xù)的過程,導(dǎo)致電子能譜通常也為連續(xù)譜.沖擊波前沿注入(shock wave front injection)[38-43]可以看作一種發(fā)生在極陡峭的密度梯度處的電子注入.其原理是在超音速噴嘴上附加刀片,超音速氣流接觸刀片時(shí),在刀邊邊緣被減速,產(chǎn)生一個(gè)尺度極小但密度變化非常陡峭的高密度區(qū)域.激光在這個(gè)區(qū)域的密度下降沿處形成急速膨脹的尾場結(jié)構(gòu),尾場相速度降低,使原本不能被注入進(jìn)尾場加速區(qū)的電子包含進(jìn)加速區(qū),從而在一個(gè)尺度極小且位置受控的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)電子的注入.在沖擊波前沿注入的電子的初始狀態(tài)以及后續(xù)的加速距離都一致,因此可以大大提高尾場電子的單能性和穩(wěn)定性.

因?yàn)槲矆鲭娮拥淖⑷牒图铀傩枰煌牡入x子體密度條件,一個(gè)很自然的想法就是將電子的注入和加速分開,分別使用不同的氣體密度來滿足兩個(gè)過程不同的需求.小尺度的高密度注入級(jí)可以產(chǎn)生能量較低的單能電子作為種子束.大尺度的低密度加速級(jí)無法注入電子但是可以通過較長距離的加速將種子束加速至高能量,這就是所謂的級(jí)聯(lián)加速[44,45].級(jí)聯(lián)電子加速技術(shù)既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子注入和加速過程的控制,同時(shí)也可以為之后開展多路級(jí)聯(lián)研究奠定基礎(chǔ),有希望通過多次尾場加速將電子加速至TeV量級(jí)[46,47].在多路級(jí)聯(lián)電子加速技術(shù)中,小能量高重頻激光器產(chǎn)生的尾場電子可以作為種子源,在后續(xù)的級(jí)聯(lián)加速過程中得到進(jìn)一步的加速.種子源的單能性和穩(wěn)定性對(duì)后續(xù)的電子加速過程以及最終獲得的電子束參數(shù)有重要影響,因此有必要探索小能量高重頻激光條件下降低尾場電子絕對(duì)能散并提高電子束參數(shù)穩(wěn)定性的途徑.

項(xiàng)目組在之前的研究中已經(jīng)在激光聚變研究中心的SILEX-I裝置上成功獲得了58 MeV的單能尾場電子[48],但尾場電子的重復(fù)性仍然不夠好.基于新建的45 TW重頻激光器,通過對(duì)現(xiàn)有的電子注入技術(shù)以及電子加速技術(shù)的調(diào)研,項(xiàng)目組確定了技術(shù)路線: 在現(xiàn)有的超音速噴嘴尾場電子加速裝置上引入沖擊前沿注入技術(shù)、離化注入技術(shù)以及級(jí)聯(lián)電子加速技術(shù),來產(chǎn)生全光湯姆遜散射光源所需的可以穩(wěn)定重復(fù)運(yùn)行的單能電子束.為了獲得更加穩(wěn)定且重復(fù)性好的尾場電子,Thaury等[49]和Golovin等[50]的研究表明,結(jié)合多種控制注入技術(shù)以及級(jí)聯(lián)加速技術(shù)的混合加速技術(shù)可以有效克服單個(gè)技術(shù)的極限,獲得質(zhì)量和穩(wěn)定性更好的單能尾場電子.目前混合加速相關(guān)的研究成果較少,還有大量的物理細(xì)節(jié)需要探索.因此我們開展了這方面的研究,通過對(duì)噴嘴的設(shè)計(jì),使用單個(gè)噴嘴實(shí)現(xiàn)了注入和加速的分離,然后在注入級(jí)引入沖擊前沿結(jié)合離化注入的方式,獲得了穩(wěn)定產(chǎn)生的尾場電子.

2 實(shí)驗(yàn)布局及參數(shù)

尾場電子加速實(shí)驗(yàn)的噴嘴設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)排布如圖1(a)所示.實(shí)驗(yàn)中使用的超音速噴嘴為單路供氣的雙出口噴嘴,第一個(gè)出口為直線型管道,出口直徑為1 mm,第二個(gè)出口為錐形管道,出口直徑2 mm.直線型管道噴出的氣體尺度小、流速慢、氣體密度高,對(duì)應(yīng)的等離子體密度也高,激光與其作用更容易產(chǎn)生電子注入,因此可以作為級(jí)聯(lián)加速的電子注入級(jí).錐形管道噴出的氣體尺度大、流速快、氣體密度低,不容易發(fā)生電子注入,但對(duì)激光能量的損耗較小,可以支持長距離的電子加速,因此可以作為級(jí)聯(lián)加速的電子加速級(jí).注入級(jí)的出口處安裝刀邊,氣體流經(jīng)刀邊邊緣時(shí)可以產(chǎn)生密度更高、尺度更小的沖擊波前沿,更有利于電子注入.同時(shí)由于注入級(jí)與加速級(jí)分開,注入級(jí)的刀邊不會(huì)影響加速級(jí)的氣體密度分布.飛秒激光聚焦到噴嘴的加速級(jí)中心,與超音速噴嘴噴出的氣體相作用產(chǎn)生尾場電子.使用熒光屏(Gd2O2S:Tb)將電子的束斑轉(zhuǎn)換成可見光光斑,再使用一臺(tái)16 bit CCD(1024×1024像素)結(jié)合成像鏡頭可以實(shí)現(xiàn)電子束斑的在線監(jiān)測.使用磁譜儀(0.8 T,230 mm)對(duì)電子進(jìn)行偏轉(zhuǎn),用熒光屏(Gd2O2S:Tb)結(jié)合16 bit CCD記錄電子能譜.整套磁譜儀的效率經(jīng)過標(biāo)定,可以直接由熒光屏發(fā)光強(qiáng)度給出電子電量.

實(shí)驗(yàn)中為了保護(hù)激光器,打靶功率限制為30 TW,到靶能量為700 mJ,脈寬25 fs,激光波長為800 nm,激光聚焦OAP的焦距為420 mm,聚焦焦斑為10 μm(半高全寬,40%能量集中度),激光的歸一化強(qiáng)度a0=2.9.激光打靶高度距離噴嘴上沿2 mm,激光聚焦位置為加速級(jí)中心.為了測量噴嘴附近的氣體密度分布,使用探針激光對(duì)氣體進(jìn)行陰影照相,同時(shí)在0-180°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)噴嘴,每隔3°測量一次氣體密度分布,最后使用三維CT重建算法計(jì)算得到噴嘴附近氣體密度的三維分布.噴氣氣壓為650 kPa且噴嘴附加刀邊時(shí),其附近的氣體密度分布如圖1(b)所示,噴嘴軸線上距離噴嘴2 mm處氣體密度的一維分布如圖1(c).可以看到,刀邊的引入在噴嘴的兩個(gè)出口之間2 mm位置處產(chǎn)生了一個(gè)高密度氣柱,其后沿存在一個(gè)極陡的氣體密度下降沿.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

電子的束斑大小可以反映尾場加速機(jī)制是否生效.前期的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí),當(dāng)電子的束斑變成極小的沒有旁瓣的斑時(shí),可以認(rèn)為激光在等離子體內(nèi)得到了良好的引導(dǎo),尾場電子在等離子體通道內(nèi)得到充分的加速,其電子能量達(dá)到最大值,其束斑才能達(dá)到極小.因此可以通過檢測電子束斑的尺寸隨激光和靶參數(shù)的變化,優(yōu)化電子束斑,來尋找最優(yōu)的尾場加速條件.

圖1 (a) 噴嘴設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)排布; (b) 氣體密度分布側(cè)視二維圖; (c) 2 mm高處氣體密度對(duì)應(yīng)電子密度的一維分布Fig.1.(a) The gas jet designment and the experimental layout; (b) the side view of the gas density distribution; (c) the one dimensional electron density at a height of 2 mm from the gas jet.

通過比較不同的實(shí)驗(yàn)條件下電子束斑隨噴氣氣壓的變化,可以研究沖擊波前沿注入、離化注入、級(jí)聯(lián)加速等技術(shù)的有效性.實(shí)驗(yàn)中涉及四種實(shí)驗(yàn)條件: I)使用刀邊堵住注入級(jí),形成只有單加速級(jí)的噴嘴,工作氣體使用純He氣; II)噴嘴包含注入級(jí)和加速級(jí),不附加刀邊,工作氣體為He(97.5%)/N2(2.5%)混合氣; III)噴嘴包含注入級(jí)、加速級(jí)和刀邊,工作氣體為純He氣; IV) 噴嘴包含注入級(jí)、加速級(jí)和刀邊,工作氣體為He(97.5%)/N2(2.5%)混合氣.

圖2(a)-圖2(e)為條件I)下所獲得的電子束斑,可以觀察到,對(duì)于純He氣、單加速級(jí)情況,噴氣氣壓低于2200 kPa時(shí)完全沒有電子產(chǎn)生.只有當(dāng)噴氣氣壓提升至2200 kPa時(shí),才能產(chǎn)生尾場電子,但束斑位置非常不穩(wěn)定.在更高的氣壓下(2600 kPa)會(huì)出現(xiàn)多次注入導(dǎo)致的多個(gè)電子束斑.進(jìn)一步的測量顯示,電子能譜的穩(wěn)定性很差,且全為連續(xù)譜,說明電子主要來自于自注入機(jī)制,并且在激光與靶相互作用的全過程中都會(huì)發(fā)生.

去掉刀邊,同時(shí)將工作氣體更換為混合氣體,條件II)下所獲得的電子束斑如圖2(f)-圖2(j)所示.與條件I)下獲得的結(jié)果相比,注入級(jí)以及混合氣體的使用使得產(chǎn)生尾場電子的下限氣壓明顯降低至1800 kPa,且電子束斑的位置變穩(wěn)定.進(jìn)一步對(duì)電子能譜的測量顯示,電子能譜仍然為連續(xù)譜,但穩(wěn)定性變好,說明混合氣體的引入使得電子注入的物理機(jī)制變?yōu)殡x化注入,提高了電子注入的穩(wěn)定性.但在不附加刀邊的情況下,注入級(jí)與加速級(jí)的等離子體密度差不夠高,不能穩(wěn)定地將電子注入位置限制于注入級(jí),在激光與靶相互作用的全過程中都會(huì)發(fā)生離化注入.

通過在注入級(jí)附加刀邊,可以在注入級(jí)中產(chǎn)生沖擊波前沿,比較工作氣體分別為純He氣以及He/N2混合氣時(shí)的電子束斑,如圖3(a)-圖3(e)以及圖3(f)-圖3(j),分別對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)條件III)和IV).圖3(a)-圖3(e)顯示,工作氣體為純He氣時(shí),在1800 kPa才開始有電子注入.提高噴氣氣壓時(shí),角分布光斑的位置波動(dòng)極大,并且高于2400 kPa時(shí)會(huì)有多光斑出現(xiàn).進(jìn)一步的電子能譜測量結(jié)果也顯示,在下限氣壓(1800 kPa)時(shí),仍然無法產(chǎn)生穩(wěn)定的單能電子.通過比較圖2(f)-圖2(j)以及圖3(a)-圖3(e)的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于離化注入(混合氣)、沖擊波前沿注入(附加刀邊)、級(jí)聯(lián)加速(雙噴嘴)這三種條件,實(shí)驗(yàn)中只采用其中兩種時(shí),發(fā)生電子注入所需的氣壓皆高于1800 kPa,并且皆不能將電子注入穩(wěn)定地約束在注入級(jí)內(nèi).而同時(shí)應(yīng)用上述三種條件,即實(shí)驗(yàn)條件IV),不同噴氣氣壓下的電子束斑如圖3(f)-圖3(j)所示.可以看到,在噴氣氣壓500 kPa時(shí)就開始有電子注入,且電子的出射方向基本穩(wěn)定.對(duì)電子能譜進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)有部分發(fā)次出現(xiàn)單能電子.由此可見,混合氣體中的離化注入可以顯著降低電子注入發(fā)生的氣體密度,結(jié)合沖擊波前沿注入,可以有效地將離化注入約束到?jīng)_擊波前沿處.這些注入的電子可以在加速級(jí)中得到進(jìn)一步加速,有希望獲得穩(wěn)定的單能電子.

基于圖3(f)-圖3(j)的結(jié)果,在條件IV)時(shí),在噴氣氣壓600 kPa附近精細(xì)地調(diào)節(jié)噴氣氣壓,最后發(fā)現(xiàn)噴氣氣壓為650 kPa時(shí)電子束斑大小和指向的穩(wěn)定性最佳,因此在該密度下連打6發(fā),測試其多發(fā)打靶條件下的穩(wěn)定性,打靶結(jié)果見表1.

圖3 電子束斑 (a)-(e) He氣結(jié)果; (f)-(j) He氣混入2.5% N2氣結(jié)果Fig.3.The electron angular distribution for (a)-(e) pure He and (f)-(j) the mixed gas of He with 2.5% N2.

表1 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶6發(fā)得到的電子束斑參數(shù),θx,,θy為出射方向,σx,σy為角分布光斑的半高全寬直徑Table 1.The emitting direction θx,θy and the FWHM angular spread σx,σy of the electron angular distribution for continuous 6 shots under jet pressure of 650 kPa.

從表1可以看到,連續(xù)打靶六發(fā),電子出射角度的平均值為(-21.3±2.6,24.4±3.06) mrad,角分布光斑的半高全寬(FWHM)為(6.07±1.4,4.85±0.7) mrad.光斑最小的發(fā)次為562發(fā),其放大的角分布如圖4,角分布光斑在x和y方向的半高全寬分別為3.8和3.6 mrad.對(duì)電子束斑的測量結(jié)果顯示,基于級(jí)聯(lián)加速、沖擊前沿注入以及離化注入技術(shù),尾場電子出射方向的穩(wěn)定性得到了提升,發(fā)散角也得到了控制.

圖4 噴氣氣壓650 kPa時(shí)發(fā)射角最小的電子束斑Fig.4.The spot size for shot 0562 when the jet pressure is 650 kPa.

接下來使用磁場強(qiáng)度為8000 Gs (1 Gs=10-4T)的磁譜儀對(duì)電子能譜進(jìn)行測量,連續(xù)打靶5發(fā),測量得到的電子能譜結(jié)果如圖5,其具體參數(shù)如表2所列,其中電子束電量由經(jīng)標(biāo)定后的熒光成像系統(tǒng)給出.由能譜測量結(jié)果可以看到,連續(xù)打靶時(shí),可以基本保持電子的單能性,且電子能譜基本沒有低能尾部,呈現(xiàn)干凈的單能峰結(jié)構(gòu).多發(fā)打靶時(shí)電子中心能量會(huì)有抖動(dòng),抖動(dòng)范圍為58.2-71.0 MeV,平均能量為(63.24±6.12) MeV.電量的抖動(dòng)為2.0-9.4 pC,平均值為(5.99±3.10) pC,電子絕對(duì)能散(FWHM)的抖動(dòng)為6.9-17.0 MeV,平均值為(13.0±3.9) MeV.

4 結(jié)果討論

為了獲得穩(wěn)定的單能尾場電子,最基本的思路是約束尾場電子的注入范圍,使電子可以穩(wěn)定地在一個(gè)區(qū)域內(nèi)注入,并且注入?yún)^(qū)域需要盡可能小,這樣可以保證注入電子初始條件的一致性以及多發(fā)重復(fù)時(shí)的穩(wěn)定性,提高種子電子束的單能性.在后續(xù)的加速過程中,初始注入的準(zhǔn)單能電子可以被進(jìn)一步加速,由于加速距離一致,在尾場加速未發(fā)生失相的情況下可以保持電子的單能性,最終獲得穩(wěn)定的單能電子束.如果在后續(xù)的加速過程中還會(huì)發(fā)生電子注入,新注入的電子加速距離較小,能量更低,會(huì)帶來電子能譜的低能尾部,影響尾場電子束的單能性.因此在后續(xù)的加速過程中需要抑制電子的持續(xù)注入.

圖5 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶5發(fā),磁譜儀測量到的電子能譜Fig.5.Electron energy spectra for continuous 5 shots under jet pressure of 650 kPa.

表2 噴氣氣壓650 kPa時(shí)連續(xù)打靶5發(fā)得到的電子能譜參數(shù)Table 2.The central energy,charge and energy spread of the electrons for continuous 5 shots when the jet pressure is 650 kPa.

通過研究離化注入、沖擊波前沿注入、級(jí)聯(lián)加速這三種技術(shù)對(duì)電子束斑的影響,發(fā)現(xiàn)可以將三種技術(shù)結(jié)合,降低電子注入的噴氣氣壓下限,將電子的注入約束于注入級(jí)中的沖擊波前沿處,從而獲得了可以穩(wěn)定產(chǎn)生的單能尾場電子.尾場電子出射角度的平均值為(-21.3±2.6,24.4±3.06) mrad,角分布光斑的半高全寬(FWHM)為(6.07±1.4,4.85±0.7) mrad.尾場電子中心能量的平均值為(63.24±6.12) MeV,能散為(13.0±3.9) MeV.在下一步的工作中,通過減小激光入射方向和輸出能量的抖動(dòng),有希望進(jìn)一步提升尾場電子的穩(wěn)定性.目前獲得的尾場電子中心能量約60 MeV,這主要由于噴氣氣壓較低,限制了尾場加速梯度以及最終獲得的尾場電子能量.如何使用更高密度的噴嘴產(chǎn)生更高能量的尾場電子,同時(shí)保持尾場電子的單能性和穩(wěn)定性,是我們下一步的研究內(nèi)容.

使用粒子模擬(PIC)程序?qū)D1(c)所示氣體密度分布下的尾場加速過程進(jìn)行了研究.取高斯脈沖激光強(qiáng)度a0=1.5、脈寬25 fs、焦斑5 μm、波長800 nm.為了與噴氣氣壓650 kPa下混合氣體被完全電離時(shí)的電子密度相對(duì)應(yīng),取峰值處電子密度1.9×1018/cm3.模擬得到的沖擊波前沿附近等離子體中電子的縱向相空間分布(x-γVx)如圖6所示,在沖擊波前沿所在2.05-2.15 mm處,電子可以有效地被注入并被進(jìn)一步加速.進(jìn)一步的模擬研究顯示,降低電子密度至1.6×1018/cm3時(shí)(對(duì)應(yīng)噴氣氣壓547 kPa),全過程不再有電子被注入及加速.這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3(f)-圖3(j)基本符合,當(dāng)噴氣氣壓稍微降低以后不再有尾場電子產(chǎn)生.

圖6 等離子體中電子在縱向相空間(x-γVx)的分布Fig.6.The Distribution of electrons in longitudinal phase space (x-γVx).

5 結(jié) 論

通過45 TW激光裝置上開展的激光尾波場加速實(shí)驗(yàn)研究以及數(shù)值模擬研究,證實(shí)通過在級(jí)聯(lián)加速噴嘴中引入離化注入技術(shù)以及沖擊波前沿注入技術(shù),可以大幅度降低電子注入的閾值氣壓,并將電子的注入位置約束至注入級(jí)中的沖擊波前沿處.然后通過在加速級(jí)中的進(jìn)一步加速,穩(wěn)定地產(chǎn)生單能尾場電子.在最優(yōu)化的條件下,可以實(shí)驗(yàn)獲得最小發(fā)散角為(3.6×3.8) mrad,平均中心能量為(63.24±6.12) MeV,平均能散為(13.0±3.9) MeV,平均電量為(5.99±3.10) pC的重頻單能尾場電子.基于項(xiàng)目組發(fā)展的這種結(jié)構(gòu)高度集成、只需要一路供氣系統(tǒng)的級(jí)聯(lián)尾場電子加速裝置,實(shí)驗(yàn)研究揭示了一種使用幾十TW級(jí)別高重頻激光器產(chǎn)生極小絕對(duì)能散的單能尾場電子的途徑.可以將這種小絕對(duì)能散的尾場電子束作為種子源,導(dǎo)入更高加速能量的尾場電子加速裝置,有希望通過后續(xù)的級(jí)聯(lián)加速過程產(chǎn)生中心能量GeV甚至TeV的單能尾場電子.

在當(dāng)前的研究中,產(chǎn)生的尾場電子的中心能量較低(約60 MeV),且多發(fā)打靶時(shí)中心能量有一定的抖動(dòng).在下一步的研究工作中,計(jì)劃通過使用更高密度的噴嘴,并通過對(duì)噴嘴氣體密度分布進(jìn)行設(shè)計(jì)使尾場電子的注入位置不變,有希望產(chǎn)生更高中心能量的單能尾場電子.同時(shí)通過對(duì)激光器的改造,將激光器輸出能量的波動(dòng)控制在5%以下,有希望進(jìn)一步提高尾場電子中心能量的穩(wěn)定性.穩(wěn)定獲得單能尾場電子以后,計(jì)劃開展全光湯姆遜散射光源的研究,并診斷光源的光子能量、發(fā)射角、源尺寸等參數(shù).