高品質激光尾波場電子加速器*

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) (中國科學院上海光學精密機械研究所, 強場激光物理國家重點實驗室, 中國科學院超強激光科學卓越中心, 上海 201800)

2) (上海科技大學物質科學與技術學院, 上海 200031)

3) (中國科學院大學, 北京 100049)

1 引 言

高能電子束廣泛應用于同步輻射光源、自由電子激光、正負電子對撞機等大科學裝置產生紫外光源、高能X 射線和γ射線等, 在揭示電子動力學過程、探測生物分子結構以及記錄化學反應過程等諸多研究領域中扮演了重要的角色, 極大地擴寬了人類對世界的認知.高能電子束的產生通常依賴于傳統射頻直線加速器, 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.為了進一步提升電子束能量, 加速器的規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制成為亟待解決的問題.1979 年Tajima 和Dawson[1]首次提出激光尾波場加速(laser wakefield acceleration, LWFA)的概念, 當一束強激光入射至等離子體中, 其有質動力將排開背景等離子體中的電子, 進而激發出大幅的尾波場用于加速粒子.由于等離子體中不存在擊穿電壓的限制, 其加速梯度可達100 GV/m, 比傳統的射頻加速器高出三個數量級, 對于小型化粒子加速器的研制具有重要意義.LWFA 產生的電子束具有高流強、短脈寬的特點,在高亮度X 射線、γ射線源以及臺式化自由電子激光的研制等方面具有廣闊的前景.

LWFA 對激光強度要求很高, 很長一段時間內, 受限于缺乏激發尾場的驅動源, 無法在實驗上獲得單能電子束.1985 年, 啁啾脈沖放大技術(CPA)的提出[2], 使得超強超短激光裝置快速發展, 為激光尾波場的激發提供了相對論強度的驅動光源.2004 年, 來自英國、美國、法國的三個研究團隊在實驗上首次獲得了百 MeV 的準單能電子束, 相關研究成果也以“夢之束”為標題在《Nature》封面進行了報道[3-5], 標志著小型化粒子加速器的開端, 至此, 越來越多的研究團隊投身于LWFA的研究中.2006 年, Leemans 團隊[6]進一步將電子束能量提高至GeV 量級.2007 年Lu 等[7]通過模擬優化了尾波場模型, 為激光尾波場電子加速提供了可靠的理論依據, 并提出如何利用單級尾波場加速獲得數GeV 能量的電子束.2013 年, 德克薩斯大學實驗獲得了2 GeV 的電子束[8].在此以后, 激光尾波場電子加速能量的世界紀錄一直被Leemans 團隊保持—2014 年, 利用毛細管放電波導技術獲得了峰值能量為4 GeV 的電子束[9];2019 年, 通過長20 cm 的毛細管放電波導引導激光以保持良好聚焦, 得到了能量為8 GeV 的電子束[10], 這也是目前國際上已經報道的基于LWFA電子的最高能量.

為實現LWFA 的電子束的操縱與品質優化,一系列新的注入機制與加速方案相繼被提出.中國科學院物理研究所在2006 年提出了電離注入, 勞倫斯利弗莫爾國家實驗室在實驗上進一步驗證并獲得了約700 MeV 的電子[11,12].德國馬普所通過氣體密度激波實現前端沖擊注入, 實現了比自注入更穩定的注入, 獲得了絕對能散較低的高品質電子束[13].上海交通大學、美國勞倫斯伯克利實驗室(LBNL)、清華大學和北京大學等先后開展了基于雙色激光驅動尾波場控制電子束性能的研究, 證明了這是一種可以產生低發射度或低能散的電子束的方法[14-17].不同于常規的單級加速, 中國科學院上海光學精密機械研究所和美國兩個研究團隊[18-20]在級聯加速方面先后獲得了突破.級聯加速方案的提出, 解決了難以平衡注入級和加速級等離子體密度的問題, 為高能量高品質電子束的產生奠定了基礎.隨后, 許多相關研究團隊在基于級聯加速的方案上, 通過控制激光聚焦、等離子密度分布、電子注入方式等, 獲得了更高品質的電子束.韓國光州先進光子學研究所[21]基于級聯加速的方式,通過加速電子隨著激光聚焦位置的改變在等離子體中獲得引導, 得到了最高能量為3 GeV 的電子束.美國LBNL 利用兩束激光脈沖獨立激發等離子體實現了多級加速, 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].為了規避失相長度的限制, 解決激光無法在單級結構將電子能量推進到更高的問題, 羅徹斯特大學和巴黎理工學院先后提出了利用階梯級反射實現時空耦合的無失相加速[23,24], 這種方案對激光器能量的需求較高.

除著名的超強超短激光實驗室外, 許多傳統的直線加速器實驗室, 例如斯坦福直線加速器中心(SLAC)、法國應用光學實驗室(LOA)、德國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域, 開始在該領域展開深入的實驗研究, 加快了激光尾波場電子加速技術和應用技術的結合.德國DESY 在2020 年, 連續獲得十萬發電子束, 為實現長時間穩定運行的激光等離子體加速器帶來了曙光[25], 精確測量電子束能量漂移和抖動, 為電子束加速獲得反饋與主動控制提供了依據.

經過國內外各研究團隊持續的努力, LWFA在近十幾年得到了飛速發展, 電子品質也逐步得到了完善.然而受限于強場激光技術的發展、激光與等離子體相互作用的不穩定性、加速場的不均勻性等, 目前電子束品質, 無論是穩定性、能散度還是重頻, 與傳統射頻加速器相比仍有一定差距.要做到LWFA 的穩定可用, 實現真正意義上的小型化加速“器”, 需要不斷優化其性能來滿足其在各種新型臺式化輻射源中的應用需求.

2 級聯加速

中國科學院上海光學精密機械研究所電子加速研究團隊十年來利用自身在研制百太瓦和拍瓦級飛秒激光裝置的優勢, 通過采用各種新方案在研制臺式化LWFA 中取得了許多重要進展.2008 年,實驗室自主研發了最高輸出功率為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動實驗平臺[26].激光驅動實驗平臺的搭建實現了實驗自主化, 為激光等離子體電子加速的研究提供了必要的研究條件, 成為國內率先開展激光尾波場電子加速實驗研究的研究團隊之一.同期, 中國工程物理研究院激光聚變研究中心、上海交通大學、清華大學、北京大學等團隊也開展了這一國際前沿領域的研究[11,27-30].

利用搭建的平臺, 如圖1 所示, 以理論、模擬和實驗等多種方式進行LWFA 的研究, 優化了焦斑分析方法和能譜分析參數的程序, 發展了電荷量標定方法, 實現對電量更為快速和精準的測量.首先開展的是百太瓦激光與氫氣噴流相互作用進行電子加速的實驗研究, 分別研究了不同長度的氣體噴流情況下激光加速電子.增加氣體噴流長度到1.5 mm 時, 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.通過診斷得知激光光譜展寬與電量存在相關性, 發現了注入和后向拉曼散射不穩定性之間的關聯.隨后的實驗進一步利用電離注入的方式, 以較低的激光強度獲得了峰值能量為117 MeV 的電子束.通過注入方式、氣體密度、激光強度等參數的改變, 逐步在實驗中實現了一定范圍內能量、能散、電量可調的電子束流.

圖1 基于自制890 TW 激光器建立的激光尾波場電子加速實驗平臺Fig.1.Laser wakefield electron acceleration experiment platform based on self-made 890 TW laser.

圖2 級聯加速實驗裝置圖[20]Fig.2.The experiment device of cascade acceleration[20].

初期實驗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、能散度差和發散角大等缺陷.根據Lu 等[7,31]優化后的加速模型可以得出等離子密度過高會導致失相長度過短, 并且自聚焦會加劇激光泵浦損耗, 電子能量難以提升; 而當等離子體密度過低時, 電子則不容易發生注入.為了解決這一矛盾, 2011 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊提出了將注入級和加速級分離的級聯加速方案[20], 并通過實驗證明了方案的可行性.這一方案將氣體池結構分為兩部分(如圖2所示), 第一部分注入高密度混合氣體, 可實現電子的快速注入; 第二部分注入低密度純氦氣, 可獲得較長的失相長度, 在小于1 cm 激光自聚焦傳輸長度內實現對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多損耗.同時為保證激光在加速級能夠維持較好的自聚焦傳輸, 激光聚焦位置處于注入級和加速級中間.實驗證明了隨著加速級長度的延長, 能量增益得到極大的提升.級聯的優點還體現在可以實現對注入級和加速器氣體密度的獨立控制, 通過調節和優化加速級氣體密度和長度, 最終產生了能量0.8 GeV、能散25%、發散角2.6 mrad、電荷量為3.7 pC 的準單能電子束, 如圖3 所示.隨后, 韓國先進光子學研究所也是利用該級聯加速方案實現了2.3 GeV 的能量突破[21].

圖3 級聯加速后的電子束能譜圖[20]Fig.3.Electron beam energy spectrum based on cascade acceleration[20].

前期級聯電子加速實驗采用了電離注入, 電離注入主要通過俘獲高原子序數氣體的內層電子, 控制摻雜成分和摻雜比可以實現對電子注入電量和絕對能散的控制, 但同時由于注入時所需要的激光強度較低, 在激光導引過程中容易發生連續注入導致產生大能散電子束, 甚至是連續譜.為有效解決電離注入造成的能散過大的問題, 需要發展一種在注入級實現較低絕對能散的方案來優化電子束能散.2013 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊采用了基于梯度注入[32]的級聯加速方案,這是一種通過等離子體膨脹產生的密度梯度來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氣體池的間距或者充入氣體的密度差實現主動控制.在實驗中通過改變第二級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的絕對能散.隨著加速級等離子體密度的進一步降低, 空泡尺寸會顯著變大, 這樣初始在注入級第二個空泡內的電子就將注入到加速級的第一個空泡周期內進行加速, 通過密度控制可以實現該團電子束被注入到加速級更為優化的相位, 最終被持續加速到0.5 GeV, 其能散度將顯著下降到約3%, 如圖4 所示.此外, 通過將加速級的長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].

相比于單級加速機制, 級聯加速機制不但在通過控制電子束注入過程優化電子束品質方面具有一定的優勢, 還可以控制電子束注入到加速級的相位, 充分利用加速級獲得更高能量的電子束.同時也發現, 無論是基于電離注入還是梯度注入的級聯電子加速實驗中, 耦合效率均低于20%, 需要開展更多的研究工作來提高級聯的耦合效率, 才可以將兩級級聯方案推進到多級級聯.

3 高品質電子束

研究發現, 依賴于單發的激光裝置進行LWFA的研究陷入瓶頸, 驅動光源重頻和穩定性直接影響到激光尾波場電子束性能的優化.2012 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所開展“新一代超強超短激光綜合實驗裝置”的研制, 為LWFA 的研究提供了極大的便利, 項目的主要目標就是利用激光尾波場電子束研制臺式化的自由電子激光.作為驅動激光尾波場電子加速發展的重要應用之一, X 射線自由電子激光對電子束流品質提出了極高的要求,例如千分量級的能散度、百微米的束團尺寸等, 并具有足夠的重頻和穩定性.以當時的電子束品質,根本無法實現相干輻射輸出, 如何獲得高能量高品質的電子束已成為各研究團隊亟待解決的問題.

中國科學院上海光學精密機械研究所自主研發的百TW 級重頻鈦寶石激光裝置, 利用多級啁啾脈沖放大技術, 實現了激光器200 TW, 1 Hz 的穩定輸出, 能量穩定度保持在0.65%以內[33], 高性能激光驅動源為進一步開展高品質激光尾波場電子加速器的研究提供了先決條件.為進一步提高電子束品質, 中國科學院上海光學精密機械研究所于2016 年提出了一種基于密度峰實現能量啁啾控制[34]以獲得高品質電子束的實驗方案.實驗采用級聯加速方案, 通過上下兩個噴嘴進行氣體注入,調節兩個噴嘴的相對水平位置, 可以產生一個寬度約250 μm 的高密度區.利用形成的密度峰對電子束第二次自注入的抑制效應, 有效地實現了注入截止, 此外, 電子束在密度下降沿處會經過一段可實現能量啁啾負斜率尾場, 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.通過調節等離子體密度分布, 最終獲得能量為530—580 MeV, 能散小于1%, 平均發散角約為0.2 mrad 的電子束, 結果如圖6 所示.在這個工作中, 首次將傳統加速器描述電子束流品質的六維相空間亮度引入, 用于表征激光尾波場電子加速束流品質.實驗最終獲得的電子束六維相空間亮度[35]可達6.5—1015A/(m2·0.1%), 如圖7 所示, 這是已報道的LWFA 的5 倍, 也首次接近了目前最先進直線加速器所獲電子束亮度, 這種電子束流將有望實現臺式化的自由電子激光.

同年, 該研究團隊提出了利用電子束速度聚束(velocity bunching)效應來獲得千分級超低能散高品質電子束的新方案[36].基于激光尾波場電子加速器, 該方案設計了三段等離子體區域, 分別為注入級、壓縮級和加速級, 主要原理如下: 首先,在注入級控制電子束注入, 電子束在注入過程中由于前端電子更早被捕獲而被加速到更高能量, 注入結束時電子束為能量負啁啾分布; 然后, 完成注入的電子束傳輸進入壓縮級, 由于電子束所處加速場存在前后梯度差, 在電子束Beam Loading 效應不顯著的情況下, 電子束會發生相空間旋轉, 導致其能量啁啾轉變為正啁啾分布, 即電子束尾部電子能量更高, 隨著電子束的傳輸, 電子束長度會被壓縮甚至發生前后電子位置交換; 最后, 通過控制壓縮級長度, 將長度被壓縮且能量啁啾重新演化為負啁啾的電子束傳輸進入加速級, 由于電子束長度獲得極大壓縮, 電子束會在更高的能量狀態下達到能量啁啾補償點, 從而得到超低相對能散電子束的輸出.采用一維理論推導和二維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%的超低能散高品質電子束輸出.

圖6 級聯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].

通過控制電子在尾波場中的注入過程可以有效提升注入時電子束的品質, 例如可以壓縮絕對能散、提升電量或者降低發射度等, 這對于優化最終獲得的電子束的品質是尤為重要的.2018 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所設計了一種U 型尖峰結構, 產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能散[37].通過調整氣體噴嘴和U 型尖峰結構的相對位置, 超音速氣流會產生局部高密度區, 如圖8 所示.三維模擬證明, 該結構有利于將電子束加速到更高能量,并具有更低的能散.此外, 通過調節激波角度可實現對電子束電量和能量的主動控制.

圖8 U 型尖峰結構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定性和重頻, 實現穩定可用的激光尾波場電子加速器, 中國科學院上海光學精密機械研究所對CPA 激光驅動源各項輸出指標進行了優化.2018 年, 中國科學院上海光學精密機械研究所采用實驗室溫控小于 ± 0.3 ℃、利用自準直反饋等技術手段, 有效提升激光器種子激光脈沖光束指向穩定性到小于1.5 μrad, 并改進功率放大器, 使激光器在200 TW, 1 Hz 的條件下, 實現連續90 min 能量抖動小于0.55%的穩定輸出[38].激光器重頻、高穩定性的脈沖輸出, 對于激光尾波場電子加速器的研制過程極為重要, 它可以有效確保電子輸出的重復性, 并可進一步實現對電子束流性能的優化.利用優化的激光器, 通過調節等離子體密度分布同激光參數匹配, 尋找連續穩定產生高品質電子束流的實驗條件并獲得了能量為680 MeV,穩定性為3%, 峰值流強為10 kA 的電子束(連續采集300 發次), 電子能譜圖如圖9 所示.高穩定性有利于電子束品質的精度優化, 高品質的、具有一定重頻的電子束, 對于實現電子長距離聚焦傳輸研制臺式化自由電子激光具有重要意義.

圖9 連續300 發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.

通過診斷實時監測激光和等離子體相互作用過程獲得參數反饋, 是加速電子從產生到實現主動控制以獲得更高品質的必要條件.中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊采用多種診斷方式,以確保實驗量化可控.除了激光輸出參數的實時監測外, 對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量三個方面.等離子通道診斷包括等離子體密度、等離子體區域長度、磁場測量等, 束流診斷包括電子束能量、能散、尺寸、電量、發射度、脈寬等表征參數; 輻射測量主要通過測量相互作用過程中的伴生輻射, 例如Betatron輻射、諧波等, 實現對相互作用過程的反演.多種測量手段, 除了優化電子束流品質外, 還可以通過模擬和構建模型對相互作用過程進行反演.在激光尾波場電子注入過程監測中, 在通過邁克爾孫干涉儀測量等離子體密度的基礎上, 利用法拉第磁光偏轉效應搭建了具有時間分辨能力的激光探針, 可以單發探測來自不同位置的電子束團, 同時實現電子束團在注入級和加速級的監測.對激光在低密度等離子體導引中的多絲過程進行觀察, 證明多絲過程同時會激發多個等離子體尾波對電子進行加速, 相比于單絲的情況, 激光多絲化后加速的電子品質較差[39], 應該優化激光的聚焦質量, 盡量避免這一過程.在電子束參數測量方面, 除了借鑒傳統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外, 中國科學院上海光學精密機械研究所團隊利用測量Betatron 輻射實時測量電子束橫向發射度[40].通過二維PIC模擬, 獲得了和實驗測量一致的結果, 證明了用測量Betatron 輻射計算電子束橫向發射度方案的可行性.

4 總 結

中國科學院上海光學精密機械研究所電子加速研究團隊十年來一直致力于優化激光尾波場電子加速所獲得的電子束流的品質, 實現一種可用的激光尾波場電子加速器.通過在國際率先實驗驗證了分離加速級與注入級的級聯加速方案進入該領域的研究; 進一步通過多年的理論和模擬研究, 探究有效控制電子注入并優化加速過程的各類方案,例如提出了前端沖擊注入的尖峰結構的改進方案,構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電子束; 首次提出了通過速度聚束實現千分之二超低能散度的方案等.采用多種技術方案改善優化激光驅動源性能, 實現了高性能電子束的穩定輸出.設計并優化了多種適用于激光尾波場電子加速的診斷設備, 實現對來自不同位置的電子束團的單發測量, 利用Betatron 輻射反演測量超低發射度, 探討了激光多絲化后對產生電子束品質的影響等.

目前基于激光尾波場加速的電子在性能和重復頻率等方面還不足以滿足應用需求, 仍需要更多的理論和實驗技術方面的研究, 包括新注入機制探索、空泡結構的高分辨測量、超長低密度等離子通道研制、機器學習輔助電子束性能優化等.本文對所在團隊近年研究進行歸納與總結, 旨在對激光尾波場電子加速的研究有更完備和清晰的認識, 也希望能促進交叉學科領域的合作和交流.