準穩相效應在雷射尾波場電子加速中的探索研究

《準穩相效應在雷射尾波場電子加速中的探索研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由董克攻擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：準穩相效應在雷射尾波場電子加速中的探索研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：董克攻
• 依託單位：中國工程物理研究院雷射聚變研究中心

項目摘要

在基於均勻電漿密度分布的雷射尾波場電子加速中，電子束與尾波場相速度的差異會不可避免的出現失相過程，其限制了電子束能量以及驅動雷射的能量利用率。理論顯示，當採用非均勻電漿密度分布，且其密度在1~2cm的空間尺度上增加2~3倍時，可以有效的避免失相效應對尾波場電子加速的影響，實現準穩相電子加速。在雷射參數不變的情況下，有效提高電子束能量1倍以上。 . 本項目擬從解析分析和細緻的數值模擬出發，研究準穩相電子加速的物理機理及其所需的物理條件。針對低強度相對論（a0=1~2）短脈衝雷射條件，最佳化獲得準穩相加速所需的大尺度非均勻電漿密度分布等參數條件；解決目前大尺度非均勻電漿密度分布產生所面臨的問題，設計並加工完成氣體靶結構；開展基於大尺度非均勻電漿密度分布的準穩相電子加速實驗研究，獲得準穩相加速所需的實驗參數及其相對均勻電漿情況下加速效率的提高效果。

結題摘要

雷射尾場電子加速是強雷射與物質相互作用的重要研究方向之一，受益於超短超強雷射的時空特性以及電漿的匹配條件，尾場電子束可以產生脈衝寬度為飛秒、焦斑尺寸在微米且能量可調的超快微焦點X射線源，在超高分辨時空診斷測量方面具有非常重要的套用前景。然而，在常規的雷射尾場電子加速中，尾場電子束能量主要受雷射器的功率狀態決定，也基本上限定了X射線源的指標參數。 為了在一定的雷射條件下產生更高能量的尾場電子束及穿透能力更強的超快微焦點X射線源，本課題針對電子在雷射尾場中的加速和減速過程，通過詳細的數值模擬，研究並驗證了線性增加電漿密度分布在準穩相加速中的可行性。結果顯示：在10 mm~15 mm的空間尺度上，電漿密度線性增加2~3倍的分布構型，能夠明顯提高電子束峰值能量1倍左右。針對這一需求，通過流體仿真設計了充氣型毛細管，通過微納加工及其密封組裝，完成了滿足準穩相實驗需求的高真空、耐燒蝕充氣型毛細管供氣系統，在充氣壓強為100 kPa時的測試結果顯示其氣壓漏率為5kPa/h。 利用0.6J/25TW的到靶雷射條件，深入研究了不同注入機制下準穩相加速和常規電子加速對尾場電子束品質的影響。在自注入機制下，電子束均具有較為明顯的準單能特性，相對於常規加速方法，準穩相效應下產生的電子束峰值能量由270 MeV提高至410 MeV，峰值能量提高了約50%。除了電子束峰值能量的明顯提高，在準穩相加速實驗中，由於不斷提高的電漿密度在一定程度上降低了電子自注入的閾值條件，出現了較為明顯的二次注入現象，這促使高能電子束的總電量的大幅提高（由(69±21) pC增加至(335±77) pC）。而在離化注入機制下，實驗產生的電子束能譜基本失去準單能特性，在準穩相效應下電子束最高能量能夠延伸至約600 MeV。 準穩相效應可以在雷射條件確定的情況下，大幅提高尾場電子束的峰值能量，通過Betatron輻射/Thomson散射等射線產生機制，更高的峰值能量有望產生更高能量的超快微焦點X射線源，進一步拓展飛秒雷射器產生X射線源在超高時空分辨診斷中的套用空間。