基于混合注入機制的級聯尾場電子加速*

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) (中國科學技術大學近代物理系,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實驗室,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想.其基本原理是超短超強激光在氣體里傳輸,其尾部可以激發出縱向的尾波電場,該電場可以用于加速帶電粒子.當尾波場強度超過等離子體所能允許的最大電場強度而發生波破時,運動速度超過尾波場相速度的電子可以被注入進尾波場中,隨后在尾波電場中被進一步加速[2].等離子體尾波電場的強度E0主要由等離子體密度np決定,其簡易表達式為E0[GV/m]=300(np)1/2[1019cm-3],通常為數十MV/cm-GV/cm量級.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,代表了新一代加速器的發展方向[3].2004年美國LBNL實驗室[4]、英國RAL實驗室[5]以及法國LOA實驗室[6]同時報道了在激光尾場電子加速方面的實驗結果,重新喚起了尾場電子.而經過多年的發展,激光尾場加速器已經可以獲得能量為數GeV量級的尾場電子[7-10].

激光尾場電子加速器產生的高品質電子束可以進一步產生高質量的輻射源.2001年,Catravas等[11]提出了全光湯姆遜散射光源的設想,使用激光尾場加速產生高能電子,再用激光與尾場電子相作用產生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、發射角mrad量級、單色性很好的高品質臺面硬X射線和伽馬射線源.目前,實驗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打[12-16],對激光和電子的時空同步要求極高,但能夠用于噴嘴、氣室、毛細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.

穩定的高品質單能全光湯姆遜散射光源的核心需求是穩定的高品質單能尾場電子,這也是激光尾場電子加速技術本身發展的需求.為了獲得穩定的高品質單能尾場電子,國內外的研究者開展了一系列針對尾場電子注入機制的研究.早期研究中,波破導致的電子注入被稱為自注入[20-26],其發生時間、位置以及注入的電量嚴重依賴于激光在等離子體內部的非線性傳輸及自聚焦過程,因此具有很強的隨機性,對初始參數也非常敏感,每發打靶電子的注入位置都會改變,使得最終獲得的尾場電子發與發之間的重復性很差.為了進一步提高尾場電子的穩定和重復性,電子注入技術得到了深入的研究,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原子內層的電子電離并直接注入進尾場加速相從而得到加速.激光在混合氣體中傳輸時,離化注入通常發生在整個等離子體通道中,由此產生的尾場電子電量較大,但能譜為連續譜.碰撞注入[31-33]是使用第二束激光與主激光碰撞形成駐波,在駐波波峰所在區域激光強度大大提高,使得電子只在駐波波峰附近注入,該方法也可以獲得穩定的單能尾場電子,但需要實現兩束激光高精度時空同步,實現的技術難度很高.密度梯度注入[34-37]通過使用具有連續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構的尺度,從而實現電子的注入和持續加速.密度梯度注入也是一個持續的過程,導致電子能譜通常也為連續譜.沖擊波前沿注入(shock wave front injection)[38-43]可以看作一種發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,在刀邊邊緣被減速,產生一個尺度極小但密度變化非常陡峭的高密度區域.激光在這個區域的密度下降沿處形成急速膨脹的尾場結構,尾場相速度降低,使原本不能被注入進尾場加速區的電子包含進加速區,從而在一個尺度極小且位置受控的區域內實現電子的注入.在沖擊波前沿注入的電子的初始狀態以及后續的加速距離都一致,因此可以大大提高尾場電子的單能性和穩定性.

因為尾場電子的注入和加速需要不同的等離子體密度條件,一個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過程不同的需求.小尺度的高密度注入級可以產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,這就是所謂的級聯加速[44,45].級聯電子加速技術既可以實現對電子注入和加速過程的控制,同時也可以為之后開展多路級聯研究奠定基礎,有希望通過多次尾場加速將電子加速至TeV量級[46,47].在多路級聯電子加速技術中,小能量高重頻激光器產生的尾場電子可以作為種子源,在后續的級聯加速過程中得到進一步的加速.種子源的單能性和穩定性對后續的電子加速過程以及最終獲得的電子束參數有重要影響,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能散并提高電子束參數穩定性的途徑.

項目組在之前的研究中已經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],但尾場電子的重復性仍然不夠好.基于新建的45 TW重頻激光器,通過對現有的電子注入技術以及電子加速技術的調研,項目組確定了技術路線: 在現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、離化注入技術以及級聯電子加速技術,來產生全光湯姆遜散射光源所需的可以穩定重復運行的單能電子束.為了獲得更加穩定且重復性好的尾場電子,Thaury等[49]和Golovin等[50]的研究表明,結合多種控制注入技術以及級聯加速技術的混合加速技術可以有效克服單個技術的極限,獲得質量和穩定性更好的單能尾場電子.目前混合加速相關的研究成果較少,還有大量的物理細節需要探索.因此我們開展了這方面的研究,通過對噴嘴的設計,使用單個噴嘴實現了注入和加速的分離,然后在注入級引入沖擊前沿結合離化注入的方式,獲得了穩定產生的尾場電子.

2 實驗布局及參數

尾場電子加速實驗的噴嘴設計及實驗排布如圖1(a)所示.實驗中使用的超音速噴嘴為單路供氣的雙出口噴嘴,第一個出口為直線型管道,出口直徑為1 mm,第二個出口為錐形管道,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,對應的等離子體密度也高,激光與其作用更容易產生電子注入,因此可以作為級聯加速的電子注入級.錐形管道噴出的氣體尺度大、流速快、氣體密度低,不容易發生電子注入,但對激光能量的損耗較小,可以支持長距離的電子加速,因此可以作為級聯加速的電子加速級.注入級的出口處安裝刀邊,氣體流經刀邊邊緣時可以產生密度更高、尺度更小的沖擊波前沿,更有利于電子注入.同時由于注入級與加速級分開,注入級的刀邊不會影響加速級的氣體密度分布.飛秒激光聚焦到噴嘴的加速級中心,與超音速噴嘴噴出的氣體相作用產生尾場電子.使用熒光屏(Gd2O2S:Tb)將電子的束斑轉換成可見光光斑,再使用一臺16 bit CCD(1024×1024像素)結合成像鏡頭可以實現電子束斑的在線監測.使用磁譜儀(0.8 T,230 mm)對電子進行偏轉,用熒光屏(Gd2O2S:Tb)結合16 bit CCD記錄電子能譜.整套磁譜儀的效率經過標定,可以直接由熒光屏發光強度給出電子電量.

實驗中為了保護激光器,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中心.為了測量噴嘴附近的氣體密度分布,使用探針激光對氣體進行陰影照相,同時在0-180°范圍內旋轉噴嘴,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,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出口之間2 mm位置處產生了一個高密度氣柱,其后沿存在一個極陡的氣體密度下降沿.

3 實驗結果

電子的束斑大小可以反映尾場加速機制是否生效.前期的實驗結果證實,當電子的束斑變成極小的沒有旁瓣的斑時,可以認為激光在等離子體內得到了良好的引導,尾場電子在等離子體通道內得到充分的加速,其電子能量達到最大值,其束斑才能達到極小.因此可以通過檢測電子束斑的尺寸隨激光和靶參數的變化,優化電子束斑,來尋找最優的尾場加速條件.

圖1 (a) 噴嘴設計及實驗排布; (b) 氣體密度分布側視二維圖; (c) 2 mm高處氣體密度對應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.

通過比較不同的實驗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、級聯加速等技術的有效性.實驗中涉及四種實驗條件: I)使用刀邊堵住注入級,形成只有單加速級的噴嘴,工作氣體使用純He氣; II)噴嘴包含注入級和加速級,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、加速級和刀邊,工作氣體為純He氣; IV) 噴嘴包含注入級、加速級和刀邊,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,對于純He氣、單加速級情況,噴氣氣壓低于2200 kPa時完全沒有電子產生.只有當噴氣氣壓提升至2200 kPa時,才能產生尾場電子,但束斑位置非常不穩定.在更高的氣壓下(2600 kPa)會出現多次注入導致的多個電子束斑.進一步的測量顯示,電子能譜的穩定性很差,且全為連續譜,說明電子主要來自于自注入機制,并且在激光與靶相互作用的全過程中都會發生.

去掉刀邊,同時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)下獲得的結果相比,注入級以及混合氣體的使用使得產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定.進一步對電子能譜的測量顯示,電子能譜仍然為連續譜,但穩定性變好,說明混合氣體的引入使得電子注入的物理機制變為離化注入,提高了電子注入的穩定性.但在不附加刀邊的情況下,注入級與加速級的等離子體密度差不夠高,不能穩定地將電子注入位置限制于注入級,在激光與靶相互作用的全過程中都會發生離化注入.

通過在注入級附加刀邊,可以在注入級中產生沖擊波前沿,比較工作氣體分別為純He氣以及He/N2混合氣時的電子束斑,如圖3(a)-圖3(e)以及圖3(f)-圖3(j),分別對應實驗條件III)和IV).圖3(a)-圖3(e)顯示,工作氣體為純He氣時,在1800 kPa才開始有電子注入.提高噴氣氣壓時,角分布光斑的位置波動極大,并且高于2400 kPa時會有多光斑出現.進一步的電子能譜測量結果也顯示,在下限氣壓(1800 kPa)時,仍然無法產生穩定的單能電子.通過比較圖2(f)-圖2(j)以及圖3(a)-圖3(e)的結果可以發現,對于離化注入(混合氣)、沖擊波前沿注入(附加刀邊)、級聯加速(雙噴嘴)這三種條件,實驗中只采用其中兩種時,發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定地約束在注入級內.而同時應用上述三種條件,即實驗條件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時就開始有電子注入,且電子的出射方向基本穩定.對電子能譜進行測量,發現有部分發次出現單能電子.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生的氣體密度,結合沖擊波前沿注入,可以有效地將離化注入約束到沖擊波前沿處.這些注入的電子可以在加速級中得到進一步加速,有希望獲得穩定的單能電子.

基于圖3(f)-圖3(j)的結果,在條件IV)時,在噴氣氣壓600 kPa附近精細地調節噴氣氣壓,最后發現噴氣氣壓為650 kPa時電子束斑大小和指向的穩定性最佳,因此在該密度下連打6發,測試其多發打靶條件下的穩定性,打靶結果見表1.

圖3 電子束斑 (a)-(e) He氣結果; (f)-(j) He氣混入2.5% N2氣結果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時連續打靶6發得到的電子束斑參數,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,連續打靶六發,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.光斑最小的發次為562發,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.對電子束斑的測量結果顯示,基于級聯加速、沖擊前沿注入以及離化注入技術,尾場電子出射方向的穩定性得到了提升,發散角也得到了控制.

圖4 噴氣氣壓650 kPa時發射角最小的電子束斑Fig.4.The spot size for shot 0562 when the jet pressure is 650 kPa.

接下來使用磁場強度為8000 Gs (1 Gs=10-4T)的磁譜儀對電子能譜進行測量,連續打靶5發,測量得到的電子能譜結果如圖5,其具體參數如表2所列,其中電子束電量由經標定后的熒光成像系統給出.由能譜測量結果可以看到,連續打靶時,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,呈現干凈的單能峰結構.多發打靶時電子中心能量會有抖動,抖動范圍為58.2-71.0 MeV,平均能量為(63.24±6.12) MeV.電量的抖動為2.0-9.4 pC,平均值為(5.99±3.10) pC,電子絕對能散(FWHM)的抖動為6.9-17.0 MeV,平均值為(13.0±3.9) MeV.

4 結果討論

為了獲得穩定的單能尾場電子,最基本的思路是約束尾場電子的注入范圍,使電子可以穩定地在一個區域內注入,并且注入區域需要盡可能小,這樣可以保證注入電子初始條件的一致性以及多發重復時的穩定性,提高種子電子束的單能性.在后續的加速過程中,初始注入的準單能電子可以被進一步加速,由于加速距離一致,在尾場加速未發生失相的情況下可以保持電子的單能性,最終獲得穩定的單能電子束.如果在后續的加速過程中還會發生電子注入,新注入的電子加速距離較小,能量更低,會帶來電子能譜的低能尾部,影響尾場電子束的單能性.因此在后續的加速過程中需要抑制電子的持續注入.

圖5 噴氣氣壓650 kPa時連續打靶5發,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時連續打靶5發得到的電子能譜參數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、級聯加速這三種技術對電子束斑的影響,發現可以將三種技術結合,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中的沖擊波前沿處,從而獲得了可以穩定產生的單能尾場電子.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,有希望進一步提升尾場電子的穩定性.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生更高能量的尾場電子,同時保持尾場電子的單能性和穩定性,是我們下一步的研究內容.

使用粒子模擬(PIC)程序對圖1(c)所示氣體密度分布下的尾場加速過程進行了研究.取高斯脈沖激光強度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的電子密度相對應,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一步加速.進一步的模擬研究顯示,降低電子密度至1.6×1018/cm3時(對應噴氣氣壓547 kPa),全過程不再有電子被注入及加速.這與實驗結果圖3(f)-圖3(j)基本符合,當噴氣氣壓稍微降低以后不再有尾場電子產生.

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 論

通過45 TW激光裝置上開展的激光尾波場加速實驗研究以及數值模擬研究,證實通過在級聯加速噴嘴中引入離化注入技術以及沖擊波前沿注入技術,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中的沖擊波前沿處.然后通過在加速級中的進一步加速,穩定地產生單能尾場電子.在最優化的條件下,可以實驗獲得最小發散角為(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.基于項目組發展的這種結構高度集成、只需要一路供氣系統的級聯尾場電子加速裝置,實驗研究揭示了一種使用幾十TW級別高重頻激光器產生極小絕對能散的單能尾場電子的途徑.可以將這種小絕對能散的尾場電子束作為種子源,導入更高加速能量的尾場電子加速裝置,有希望通過后續的級聯加速過程產生中心能量GeV甚至TeV的單能尾場電子.

在當前的研究中,產生的尾場電子的中心能量較低(約60 MeV),且多發打靶時中心能量有一定的抖動.在下一步的研究工作中,計劃通過使用更高密度的噴嘴,并通過對噴嘴氣體密度分布進行設計使尾場電子的注入位置不變,有希望產生更高中心能量的單能尾場電子.同時通過對激光器的改造,將激光器輸出能量的波動控制在5%以下,有希望進一步提高尾場電子中心能量的穩定性.穩定獲得單能尾場電子以后,計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、發射角、源尺寸等參數.