高品質(zhì)激光尾波場(chǎng)電子加速器*

蔣康男 馮珂 柯林佟3) 余昌海 張志鈞 秦志勇劉建勝 王文濤? 李儒新?

1) (中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所, 強(qiáng)場(chǎng)激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 中國(guó)科學(xué)院超強(qiáng)激光科學(xué)卓越中心, 上海 201800)

2) (上海科技大學(xué)物質(zhì)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 上海 200031)

3) (中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

1 引 言

高能電子束廣泛應(yīng)用于同步輻射光源、自由電子激光、正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)等大科學(xué)裝置產(chǎn)生紫外光源、高能X 射線和γ射線等, 在揭示電子動(dòng)力學(xué)過(guò)程、探測(cè)生物分子結(jié)構(gòu)以及記錄化學(xué)反應(yīng)過(guò)程等諸多研究領(lǐng)域中扮演了重要的角色, 極大地?cái)U(kuò)寬了人類(lèi)對(duì)世界的認(rèn)知.高能電子束的產(chǎn)生通常依賴于傳統(tǒng)射頻直線加速器, 而受制于射頻腔體的擊穿電壓, 其加速梯度通常限制在大約100 MV/m.為了進(jìn)一步提升電子束能量, 加速器的規(guī)模與成本需要成倍地增加, 因此尋求一種更高加速梯度的機(jī)制成為亟待解決的問(wèn)題.1979 年Tajima 和Dawson[1]首次提出激光尾波場(chǎng)加速(laser wakefield acceleration, LWFA)的概念, 當(dāng)一束強(qiáng)激光入射至等離子體中, 其有質(zhì)動(dòng)力將排開(kāi)背景等離子體中的電子, 進(jìn)而激發(fā)出大幅的尾波場(chǎng)用于加速粒子.由于等離子體中不存在擊穿電壓的限制, 其加速梯度可達(dá)100 GV/m, 比傳統(tǒng)的射頻加速器高出三個(gè)數(shù)量級(jí), 對(duì)于小型化粒子加速器的研制具有重要意義.LWFA 產(chǎn)生的電子束具有高流強(qiáng)、短脈寬的特點(diǎn),在高亮度X 射線、γ射線源以及臺(tái)式化自由電子激光的研制等方面具有廣闊的前景.

LWFA 對(duì)激光強(qiáng)度要求很高, 很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi), 受限于缺乏激發(fā)尾場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)源, 無(wú)法在實(shí)驗(yàn)上獲得單能電子束.1985 年, 啁啾脈沖放大技術(shù)(CPA)的提出[2], 使得超強(qiáng)超短激光裝置快速發(fā)展, 為激光尾波場(chǎng)的激發(fā)提供了相對(duì)論強(qiáng)度的驅(qū)動(dòng)光源.2004 年, 來(lái)自英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)的三個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上首次獲得了百 MeV 的準(zhǔn)單能電子束, 相關(guān)研究成果也以“夢(mèng)之束”為標(biāo)題在《Nature》封面進(jìn)行了報(bào)道[3-5], 標(biāo)志著小型化粒子加速器的開(kāi)端, 至此, 越來(lái)越多的研究團(tuán)隊(duì)投身于LWFA的研究中.2006 年, Leemans 團(tuán)隊(duì)[6]進(jìn)一步將電子束能量提高至GeV 量級(jí).2007 年Lu 等[7]通過(guò)模擬優(yōu)化了尾波場(chǎng)模型, 為激光尾波場(chǎng)電子加速提供了可靠的理論依據(jù), 并提出如何利用單級(jí)尾波場(chǎng)加速獲得數(shù)GeV 能量的電子束.2013 年, 德克薩斯大學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得了2 GeV 的電子束[8].在此以后, 激光尾波場(chǎng)電子加速能量的世界紀(jì)錄一直被Leemans 團(tuán)隊(duì)保持—2014 年, 利用毛細(xì)管放電波導(dǎo)技術(shù)獲得了峰值能量為4 GeV 的電子束[9];2019 年, 通過(guò)長(zhǎng)20 cm 的毛細(xì)管放電波導(dǎo)引導(dǎo)激光以保持良好聚焦, 得到了能量為8 GeV 的電子束[10], 這也是目前國(guó)際上已經(jīng)報(bào)道的基于LWFA電子的最高能量.

為實(shí)現(xiàn)LWFA 的電子束的操縱與品質(zhì)優(yōu)化,一系列新的注入機(jī)制與加速方案相繼被提出.中國(guó)科學(xué)院物理研究所在2006 年提出了電離注入, 勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)上進(jìn)一步驗(yàn)證并獲得了約700 MeV 的電子[11,12].德國(guó)馬普所通過(guò)氣體密度激波實(shí)現(xiàn)前端沖擊注入, 實(shí)現(xiàn)了比自注入更穩(wěn)定的注入, 獲得了絕對(duì)能散較低的高品質(zhì)電子束[13].上海交通大學(xué)、美國(guó)勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室(LBNL)、清華大學(xué)和北京大學(xué)等先后開(kāi)展了基于雙色激光驅(qū)動(dòng)尾波場(chǎng)控制電子束性能的研究, 證明了這是一種可以產(chǎn)生低發(fā)射度或低能散的電子束的方法[14-17].不同于常規(guī)的單級(jí)加速, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所和美國(guó)兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)[18-20]在級(jí)聯(lián)加速方面先后獲得了突破.級(jí)聯(lián)加速方案的提出, 解決了難以平衡注入級(jí)和加速級(jí)等離子體密度的問(wèn)題, 為高能量高品質(zhì)電子束的產(chǎn)生奠定了基礎(chǔ).隨后, 許多相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)在基于級(jí)聯(lián)加速的方案上, 通過(guò)控制激光聚焦、等離子密度分布、電子注入方式等, 獲得了更高品質(zhì)的電子束.韓國(guó)光州先進(jìn)光子學(xué)研究所[21]基于級(jí)聯(lián)加速的方式,通過(guò)加速電子隨著激光聚焦位置的改變?cè)诘入x子體中獲得引導(dǎo), 得到了最高能量為3 GeV 的電子束.美國(guó)LBNL 利用兩束激光脈沖獨(dú)立激發(fā)等離子體實(shí)現(xiàn)了多級(jí)加速, 并模擬證明了低密度等離子體條件下兩極間耦合效率可趨近于100%[22].為了規(guī)避失相長(zhǎng)度的限制, 解決激光無(wú)法在單級(jí)結(jié)構(gòu)將電子能量推進(jìn)到更高的問(wèn)題, 羅徹斯特大學(xué)和巴黎理工學(xué)院先后提出了利用階梯級(jí)反射實(shí)現(xiàn)時(shí)空耦合的無(wú)失相加速[23,24], 這種方案對(duì)激光器能量的需求較高.

除著名的超強(qiáng)超短激光實(shí)驗(yàn)室外, 許多傳統(tǒng)的直線加速器實(shí)驗(yàn)室, 例如斯坦福直線加速器中心(SLAC)、法國(guó)應(yīng)用光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(LOA)、德國(guó)電子同步加速器研究所(DESY)等, 也都紛紛將目光投向了這一領(lǐng)域, 開(kāi)始在該領(lǐng)域展開(kāi)深入的實(shí)驗(yàn)研究, 加快了激光尾波場(chǎng)電子加速技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合.德國(guó)DESY 在2020 年, 連續(xù)獲得十萬(wàn)發(fā)電子束, 為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的激光等離子體加速器帶來(lái)了曙光[25], 精確測(cè)量電子束能量漂移和抖動(dòng), 為電子束加速獲得反饋與主動(dòng)控制提供了依據(jù).

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外各研究團(tuán)隊(duì)持續(xù)的努力, LWFA在近十幾年得到了飛速發(fā)展, 電子品質(zhì)也逐步得到了完善.然而受限于強(qiáng)場(chǎng)激光技術(shù)的發(fā)展、激光與等離子體相互作用的不穩(wěn)定性、加速場(chǎng)的不均勻性等, 目前電子束品質(zhì), 無(wú)論是穩(wěn)定性、能散度還是重頻, 與傳統(tǒng)射頻加速器相比仍有一定差距.要做到LWFA 的穩(wěn)定可用, 實(shí)現(xiàn)真正意義上的小型化加速“器”, 需要不斷優(yōu)化其性能來(lái)滿足其在各種新型臺(tái)式化輻射源中的應(yīng)用需求.

2 級(jí)聯(lián)加速

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所電子加速研究團(tuán)隊(duì)十年來(lái)利用自身在研制百太瓦和拍瓦級(jí)飛秒激光裝置的優(yōu)勢(shì), 通過(guò)采用各種新方案在研制臺(tái)式化LWFA 中取得了許多重要進(jìn)展.2008 年,實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)了最高輸出功率為890 TW 的鈦寶石飛秒激光裝置, 并依托于這套裝置建成了激光驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[26].激光驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)自主化, 為激光等離子體電子加速的研究提供了必要的研究條件, 成為國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展激光尾波場(chǎng)電子加速實(shí)驗(yàn)研究的研究團(tuán)隊(duì)之一.同期, 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心、上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、北京大學(xué)等團(tuán)隊(duì)也開(kāi)展了這一國(guó)際前沿領(lǐng)域的研究[11,27-30].

利用搭建的平臺(tái), 如圖1 所示, 以理論、模擬和實(shí)驗(yàn)等多種方式進(jìn)行LWFA 的研究, 優(yōu)化了焦斑分析方法和能譜分析參數(shù)的程序, 發(fā)展了電荷量標(biāo)定方法, 實(shí)現(xiàn)對(duì)電量更為快速和精準(zhǔn)的測(cè)量.首先開(kāi)展的是百太瓦激光與氫氣噴流相互作用進(jìn)行電子加速的實(shí)驗(yàn)研究, 分別研究了不同長(zhǎng)度的氣體噴流情況下激光加速電子.增加氣體噴流長(zhǎng)度到1.5 mm 時(shí), 獲得了電量約為2.6 nC, 截止能量為80 MeV 的大電量電子束團(tuán).通過(guò)診斷得知激光光譜展寬與電量存在相關(guān)性, 發(fā)現(xiàn)了注入和后向拉曼散射不穩(wěn)定性之間的關(guān)聯(lián).隨后的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步利用電離注入的方式, 以較低的激光強(qiáng)度獲得了峰值能量為117 MeV 的電子束.通過(guò)注入方式、氣體密度、激光強(qiáng)度等參數(shù)的改變, 逐步在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)能量、能散、電量可調(diào)的電子束流.

圖1 基于自制890 TW 激光器建立的激光尾波場(chǎng)電子加速實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1.Laser wakefield electron acceleration experiment platform based on self-made 890 TW laser.

圖2 級(jí)聯(lián)加速實(shí)驗(yàn)裝置圖[20]Fig.2.The experiment device of cascade acceleration[20].

初期實(shí)驗(yàn)使用的等離子體密度都高于1019cm—3,獲得的電子束具有能量低、能散度差和發(fā)散角大等缺陷.根據(jù)Lu 等[7,31]優(yōu)化后的加速模型可以得出等離子密度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致失相長(zhǎng)度過(guò)短, 并且自聚焦會(huì)加劇激光泵浦損耗, 電子能量難以提升; 而當(dāng)?shù)入x子體密度過(guò)低時(shí), 電子則不容易發(fā)生注入.為了解決這一矛盾, 2011 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)提出了將注入級(jí)和加速級(jí)分離的級(jí)聯(lián)加速方案[20], 并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了方案的可行性.這一方案將氣體池結(jié)構(gòu)分為兩部分(如圖2所示), 第一部分注入高密度混合氣體, 可實(shí)現(xiàn)電子的快速注入; 第二部分注入低密度純氦氣, 可獲得較長(zhǎng)的失相長(zhǎng)度, 在小于1 cm 激光自聚焦傳輸長(zhǎng)度內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束更為高效的加速.混合氣體中H2和O2的摻雜比兼顧電子易于注入和避免激光泵浦能量的過(guò)多損耗.同時(shí)為保證激光在加速級(jí)能夠維持較好的自聚焦傳輸, 激光聚焦位置處于注入級(jí)和加速級(jí)中間.實(shí)驗(yàn)證明了隨著加速級(jí)長(zhǎng)度的延長(zhǎng), 能量增益得到極大的提升.級(jí)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)還體現(xiàn)在可以實(shí)現(xiàn)對(duì)注入級(jí)和加速器氣體密度的獨(dú)立控制, 通過(guò)調(diào)節(jié)和優(yōu)化加速級(jí)氣體密度和長(zhǎng)度, 最終產(chǎn)生了能量0.8 GeV、能散25%、發(fā)散角2.6 mrad、電荷量為3.7 pC 的準(zhǔn)單能電子束, 如圖3 所示.隨后, 韓國(guó)先進(jìn)光子學(xué)研究所也是利用該級(jí)聯(lián)加速方案實(shí)現(xiàn)了2.3 GeV 的能量突破[21].

圖3 級(jí)聯(lián)加速后的電子束能譜圖[20]Fig.3.Electron beam energy spectrum based on cascade acceleration[20].

前期級(jí)聯(lián)電子加速實(shí)驗(yàn)采用了電離注入, 電離注入主要通過(guò)俘獲高原子序數(shù)氣體的內(nèi)層電子, 控制摻雜成分和摻雜比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電子注入電量和絕對(duì)能散的控制, 但同時(shí)由于注入時(shí)所需要的激光強(qiáng)度較低, 在激光導(dǎo)引過(guò)程中容易發(fā)生連續(xù)注入導(dǎo)致產(chǎn)生大能散電子束, 甚至是連續(xù)譜.為有效解決電離注入造成的能散過(guò)大的問(wèn)題, 需要發(fā)展一種在注入級(jí)實(shí)現(xiàn)較低絕對(duì)能散的方案來(lái)優(yōu)化電子束能散.2013 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)采用了基于梯度注入[32]的級(jí)聯(lián)加速方案,這是一種通過(guò)等離子體膨脹產(chǎn)生的密度梯度來(lái)控制電子注入的方式.兩段氣體池均充入純氦氣, 密度梯度分布可由改變兩個(gè)氣體池的間距或者充入氣體的密度差實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制.在實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變第二級(jí)等離子體密度使其剛好低于電子注入所需要的條件, 可以有效控制注入級(jí)的絕對(duì)能散.隨著加速級(jí)等離子體密度的進(jìn)一步降低, 空泡尺寸會(huì)顯著變大, 這樣初始在注入級(jí)第二個(gè)空泡內(nèi)的電子就將注入到加速級(jí)的第一個(gè)空泡周期內(nèi)進(jìn)行加速, 通過(guò)密度控制可以實(shí)現(xiàn)該團(tuán)電子束被注入到加速級(jí)更為優(yōu)化的相位, 最終被持續(xù)加速到0.5 GeV, 其能散度將顯著下降到約3%, 如圖4 所示.此外, 通過(guò)將加速級(jí)的長(zhǎng)度增加并選擇合適的等離子體密度,獲得了峰值能量為1.3 GeV 的準(zhǔn)單能電子束, 如圖5 所示.

圖4 能散度3%電子束能譜圖[32]Fig.4.Electron beam energy spectrum with 3% energy spread[32].

圖5 峰值能量＞1 GeV 能量電子能譜圖[32]Fig.5.Electron beam energy spectrum with ＞1 GeV peak energy[32].

相比于單級(jí)加速機(jī)制, 級(jí)聯(lián)加速機(jī)制不但在通過(guò)控制電子束注入過(guò)程優(yōu)化電子束品質(zhì)方面具有一定的優(yōu)勢(shì), 還可以控制電子束注入到加速級(jí)的相位, 充分利用加速級(jí)獲得更高能量的電子束.同時(shí)也發(fā)現(xiàn), 無(wú)論是基于電離注入還是梯度注入的級(jí)聯(lián)電子加速實(shí)驗(yàn)中, 耦合效率均低于20%, 需要開(kāi)展更多的研究工作來(lái)提高級(jí)聯(lián)的耦合效率, 才可以將兩級(jí)級(jí)聯(lián)方案推進(jìn)到多級(jí)級(jí)聯(lián).

3 高品質(zhì)電子束

研究發(fā)現(xiàn), 依賴于單發(fā)的激光裝置進(jìn)行LWFA的研究陷入瓶頸, 驅(qū)動(dòng)光源重頻和穩(wěn)定性直接影響到激光尾波場(chǎng)電子束性能的優(yōu)化.2012 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所開(kāi)展“新一代超強(qiáng)超短激光綜合實(shí)驗(yàn)裝置”的研制, 為L(zhǎng)WFA 的研究提供了極大的便利, 項(xiàng)目的主要目標(biāo)就是利用激光尾波場(chǎng)電子束研制臺(tái)式化的自由電子激光.作為驅(qū)動(dòng)激光尾波場(chǎng)電子加速發(fā)展的重要應(yīng)用之一, X 射線自由電子激光對(duì)電子束流品質(zhì)提出了極高的要求,例如千分量級(jí)的能散度、百微米的束團(tuán)尺寸等, 并具有足夠的重頻和穩(wěn)定性.以當(dāng)時(shí)的電子束品質(zhì),根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)相干輻射輸出, 如何獲得高能量高品質(zhì)的電子束已成為各研究團(tuán)隊(duì)亟待解決的問(wèn)題.

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所自主研發(fā)的百TW 級(jí)重頻鈦寶石激光裝置, 利用多級(jí)啁啾脈沖放大技術(shù), 實(shí)現(xiàn)了激光器200 TW, 1 Hz 的穩(wěn)定輸出, 能量穩(wěn)定度保持在0.65%以內(nèi)[33], 高性能激光驅(qū)動(dòng)源為進(jìn)一步開(kāi)展高品質(zhì)激光尾波場(chǎng)電子加速器的研究提供了先決條件.為進(jìn)一步提高電子束品質(zhì), 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所于2016 年提出了一種基于密度峰實(shí)現(xiàn)能量啁啾控制[34]以獲得高品質(zhì)電子束的實(shí)驗(yàn)方案.實(shí)驗(yàn)采用級(jí)聯(lián)加速方案, 通過(guò)上下兩個(gè)噴嘴進(jìn)行氣體注入,調(diào)節(jié)兩個(gè)噴嘴的相對(duì)水平位置, 可以產(chǎn)生一個(gè)寬度約250 μm 的高密度區(qū).利用形成的密度峰對(duì)電子束第二次自注入的抑制效應(yīng), 有效地實(shí)現(xiàn)了注入截止, 此外, 電子束在密度下降沿處會(huì)經(jīng)過(guò)一段可實(shí)現(xiàn)能量啁啾負(fù)斜率尾場(chǎng), 在束流尾部的低能電子獲得較高的能量增益, 在頭部的高能電子獲得較低的能量增益.通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體密度分布, 最終獲得能量為530—580 MeV, 能散小于1%, 平均發(fā)散角約為0.2 mrad 的電子束, 結(jié)果如圖6 所示.在這個(gè)工作中, 首次將傳統(tǒng)加速器描述電子束流品質(zhì)的六維相空間亮度引入, 用于表征激光尾波場(chǎng)電子加速束流品質(zhì).實(shí)驗(yàn)最終獲得的電子束六維相空間亮度[35]可達(dá)6.5—1015A/(m2·0.1%), 如圖7 所示, 這是已報(bào)道的LWFA 的5 倍, 也首次接近了目前最先進(jìn)直線加速器所獲電子束亮度, 這種電子束流將有望實(shí)現(xiàn)臺(tái)式化的自由電子激光.

同年, 該研究團(tuán)隊(duì)提出了利用電子束速度聚束(velocity bunching)效應(yīng)來(lái)獲得千分級(jí)超低能散高品質(zhì)電子束的新方案[36].基于激光尾波場(chǎng)電子加速器, 該方案設(shè)計(jì)了三段等離子體區(qū)域, 分別為注入級(jí)、壓縮級(jí)和加速級(jí), 主要原理如下: 首先,在注入級(jí)控制電子束注入, 電子束在注入過(guò)程中由于前端電子更早被捕獲而被加速到更高能量, 注入結(jié)束時(shí)電子束為能量負(fù)啁啾分布; 然后, 完成注入的電子束傳輸進(jìn)入壓縮級(jí), 由于電子束所處加速場(chǎng)存在前后梯度差, 在電子束B(niǎo)eam Loading 效應(yīng)不顯著的情況下, 電子束會(huì)發(fā)生相空間旋轉(zhuǎn), 導(dǎo)致其能量啁啾轉(zhuǎn)變?yōu)檎狈植? 即電子束尾部電子能量更高, 隨著電子束的傳輸, 電子束長(zhǎng)度會(huì)被壓縮甚至發(fā)生前后電子位置交換; 最后, 通過(guò)控制壓縮級(jí)長(zhǎng)度, 將長(zhǎng)度被壓縮且能量啁啾重新演化為負(fù)啁啾的電子束傳輸進(jìn)入加速級(jí), 由于電子束長(zhǎng)度獲得極大壓縮, 電子束會(huì)在更高的能量狀態(tài)下達(dá)到能量啁啾補(bǔ)償點(diǎn), 從而得到超低相對(duì)能散電子束的輸出.采用一維理論推導(dǎo)和二維PIC(particle-in-cell)模擬證明了該方案的可行性, 并在模擬中獲得了能量為784 MeV, 電荷量為4.5 pC, 能散為0.2%的超低能散高品質(zhì)電子束輸出.

圖6 級(jí)聯(lián)加速后的電子束角分辨能譜[34]Fig.6.Angle resolved electron beams energy spectrum based on cascade acceleration[34].

圖7 獲得的高品質(zhì)的電子束六維相空間亮度[34]Fig.7.The six-dimensional phase space brightness of obtained electron beams[34].

通過(guò)控制電子在尾波場(chǎng)中的注入過(guò)程可以有效提升注入時(shí)電子束的品質(zhì), 例如可以壓縮絕對(duì)能散、提升電量或者降低發(fā)射度等, 這對(duì)于優(yōu)化最終獲得的電子束的品質(zhì)是尤為重要的.2018 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所設(shè)計(jì)了一種U 型尖峰結(jié)構(gòu), 產(chǎn)生了一種更尖銳的氣體密度“激波”,可以更有效地壓縮電子注入的絕對(duì)能散[37].通過(guò)調(diào)整氣體噴嘴和U 型尖峰結(jié)構(gòu)的相對(duì)位置, 超音速氣流會(huì)產(chǎn)生局部高密度區(qū), 如圖8 所示.三維模擬證明, 該結(jié)構(gòu)有利于將電子束加速到更高能量,并具有更低的能散.此外, 通過(guò)調(diào)節(jié)激波角度可實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束電量和能量的主動(dòng)控制.

圖8 U 型尖峰結(jié)構(gòu)形成等離子體分布模擬圖[37]Fig.8.Simulation of plasma distribution formed by Ushaped spike structure[37].

為了提升高性能電子束的穩(wěn)定性和重頻, 實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可用的激光尾波場(chǎng)電子加速器, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所對(duì)CPA 激光驅(qū)動(dòng)源各項(xiàng)輸出指標(biāo)進(jìn)行了優(yōu)化.2018 年, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用實(shí)驗(yàn)室溫控小于 ± 0.3 ℃、利用自準(zhǔn)直反饋等技術(shù)手段, 有效提升激光器種子激光脈沖光束指向穩(wěn)定性到小于1.5 μrad, 并改進(jìn)功率放大器, 使激光器在200 TW, 1 Hz 的條件下, 實(shí)現(xiàn)連續(xù)90 min 能量抖動(dòng)小于0.55%的穩(wěn)定輸出[38].激光器重頻、高穩(wěn)定性的脈沖輸出, 對(duì)于激光尾波場(chǎng)電子加速器的研制過(guò)程極為重要, 它可以有效確保電子輸出的重復(fù)性, 并可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)電子束流性能的優(yōu)化.利用優(yōu)化的激光器, 通過(guò)調(diào)節(jié)等離子體密度分布同激光參數(shù)匹配, 尋找連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)生高品質(zhì)電子束流的實(shí)驗(yàn)條件并獲得了能量為680 MeV,穩(wěn)定性為3%, 峰值流強(qiáng)為10 kA 的電子束(連續(xù)采集300 發(fā)次), 電子能譜圖如圖9 所示.高穩(wěn)定性有利于電子束品質(zhì)的精度優(yōu)化, 高品質(zhì)的、具有一定重頻的電子束, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)電子長(zhǎng)距離聚焦傳輸研制臺(tái)式化自由電子激光具有重要意義.

圖9 連續(xù)300 發(fā)電子加速峰值能量分布及部分能譜圖Fig.9.Accelerated peak energy distribution of 300 consecutive electrons and part of energy spectrum.

通過(guò)診斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光和等離子體相互作用過(guò)程獲得參數(shù)反饋, 是加速電子從產(chǎn)生到實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制以獲得更高品質(zhì)的必要條件.中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)采用多種診斷方式,以確保實(shí)驗(yàn)量化可控.除了激光輸出參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外, 對(duì)電子加速的診斷主要包括等離子體通道診斷、電子束流診斷和輻射測(cè)量三個(gè)方面.等離子通道診斷包括等離子體密度、等離子體區(qū)域長(zhǎng)度、磁場(chǎng)測(cè)量等, 束流診斷包括電子束能量、能散、尺寸、電量、發(fā)射度、脈寬等表征參數(shù); 輻射測(cè)量主要通過(guò)測(cè)量相互作用過(guò)程中的伴生輻射, 例如Betatron輻射、諧波等, 實(shí)現(xiàn)對(duì)相互作用過(guò)程的反演.多種測(cè)量手段, 除了優(yōu)化電子束流品質(zhì)外, 還可以通過(guò)模擬和構(gòu)建模型對(duì)相互作用過(guò)程進(jìn)行反演.在激光尾波場(chǎng)電子注入過(guò)程監(jiān)測(cè)中, 在通過(guò)邁克爾孫干涉儀測(cè)量等離子體密度的基礎(chǔ)上, 利用法拉第磁光偏轉(zhuǎn)效應(yīng)搭建了具有時(shí)間分辨能力的激光探針, 可以單發(fā)探測(cè)來(lái)自不同位置的電子束團(tuán), 同時(shí)實(shí)現(xiàn)電子束團(tuán)在注入級(jí)和加速級(jí)的監(jiān)測(cè).對(duì)激光在低密度等離子體導(dǎo)引中的多絲過(guò)程進(jìn)行觀察, 證明多絲過(guò)程同時(shí)會(huì)激發(fā)多個(gè)等離子體尾波對(duì)電子進(jìn)行加速, 相比于單絲的情況, 激光多絲化后加速的電子品質(zhì)較差[39], 應(yīng)該優(yōu)化激光的聚焦質(zhì)量, 盡量避免這一過(guò)程.在電子束參數(shù)測(cè)量方面, 除了借鑒傳統(tǒng)加速器中普遍采用的能譜儀、ICT、電子束流剖面分析儀并加以改進(jìn)外, 中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所團(tuán)隊(duì)利用測(cè)量Betatron 輻射實(shí)時(shí)測(cè)量電子束橫向發(fā)射度[40].通過(guò)二維PIC模擬, 獲得了和實(shí)驗(yàn)測(cè)量一致的結(jié)果, 證明了用測(cè)量Betatron 輻射計(jì)算電子束橫向發(fā)射度方案的可行性.

4 總 結(jié)

中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所電子加速研究團(tuán)隊(duì)十年來(lái)一直致力于優(yōu)化激光尾波場(chǎng)電子加速所獲得的電子束流的品質(zhì), 實(shí)現(xiàn)一種可用的激光尾波場(chǎng)電子加速器.通過(guò)在國(guó)際率先實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分離加速級(jí)與注入級(jí)的級(jí)聯(lián)加速方案進(jìn)入該領(lǐng)域的研究; 進(jìn)一步通過(guò)多年的理論和模擬研究, 探究有效控制電子注入并優(yōu)化加速過(guò)程的各類(lèi)方案,例如提出了前端沖擊注入的尖峰結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案,構(gòu)造特殊的等離子密度分布利用能量啁啾的方式獲得高品質(zhì)電子束; 首次提出了通過(guò)速度聚束實(shí)現(xiàn)千分之二超低能散度的方案等.采用多種技術(shù)方案改善優(yōu)化激光驅(qū)動(dòng)源性能, 實(shí)現(xiàn)了高性能電子束的穩(wěn)定輸出.設(shè)計(jì)并優(yōu)化了多種適用于激光尾波場(chǎng)電子加速的診斷設(shè)備, 實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自不同位置的電子束團(tuán)的單發(fā)測(cè)量, 利用Betatron 輻射反演測(cè)量超低發(fā)射度, 探討了激光多絲化后對(duì)產(chǎn)生電子束品質(zhì)的影響等.

目前基于激光尾波場(chǎng)加速的電子在性能和重復(fù)頻率等方面還不足以滿足應(yīng)用需求, 仍需要更多的理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面的研究, 包括新注入機(jī)制探索、空泡結(jié)構(gòu)的高分辨測(cè)量、超長(zhǎng)低密度等離子通道研制、機(jī)器學(xué)習(xí)輔助電子束性能優(yōu)化等.本文對(duì)所在團(tuán)隊(duì)近年研究進(jìn)行歸納與總結(jié), 旨在對(duì)激光尾波場(chǎng)電子加速的研究有更完備和清晰的認(rèn)識(shí), 也希望能促進(jìn)交叉學(xué)科領(lǐng)域的合作和交流.