一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法

本发明涉及激光尾波场加速产生高品质电子束，尤其涉及一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法。

背景技术：

1、基于超短超强激光装置驱动的激光尾波场加速器具有比传统射频电子直线加速器高三个量级的加速梯度(百吉伏每米量级)，为新型台式化粒子加速技术和方案提供了可能。可以在很短的距离内将粒子加速到很高能量，被加速的粒子束具有高峰值电流、飞秒至阿秒束团持续时间、低横向发射度和超高亮度等独特的特性。

2、高亮度、短波长和超短脉冲持续时间的高能x和γ射线源可广泛应用于基础科学研究、工业应用和医疗。随着新一代紧凑型粒子加速器的发展，利用激光尾波场加速器产生微聚束来提供紧凑型低成本的射线源引起了深入的研究。例如使用时间不对称驱动激光脉冲，提高加速电子的横向振荡运动，获得微聚束，用于产生千电子伏特范围光子能量的飞秒相干辐射；基于激光-等离子体加速器和等离子体镜的组合，产生高达数百千电子伏特的高亮度宽带x射线光谱。但是由于激光自调制不稳定性，抑制丝状不稳定性和软管不稳定性等因素，注入电子束的品质和束-等离子体的稳定传输受到了影响。

3、电离注入机制是一种电子注入更加容易，稳定性更好的新型注入方案。可以将电子束的发射度限制为来自电离过程本身电子的残余动量和初始半径，并且可以通过控制激光强度分布来控制离化注入的过程，进而控制电子束的质量。另外电离注入机制由于存在离散电离相位的作用，被电离的电子天然的具有时间分布上的微聚束效应，在合适的参数条件下是产生电子微聚束的简单低成本方法。

4、电离注入机制下的等离子体通常使用外壳层和内壳电子之间具有较大电离势差的气体(例如氮气)，需要用高原子序数z或者高z与低z混合气体作为介质。高z原子的外层电子和低z原子的电子在相对论强激光脉冲的前沿就可以被完全离化，激发等离子体波；而高z原子的内层电子则会在激光脉冲峰值强度附近被电离，这部分电子直接产生在尾波场空泡中。激光脉冲的峰值强度位于传播轴上的气泡中心附近，大于高z原子内层电子电离阈值的激光电场有多个不同峰值，电子在激光电场的不同初始相位处被电离，不同初始相位下电离的电子处于不同的能量相空间、密度空间。这种离散的初始相位分布，使得电子注入后在相空间、密度空间呈现周期性的分布。但是，早期的一些实验结果表明，电离注入通常会导致连续注入，从而破坏电子的微聚束结构；并且电子的初始注入位置间的距离会导致较大的最终能散。

5、因此，应用电离注入机制产生电子微聚束的方法需要进一步研究和改善，使产生的电子微聚束品质可控，可实际应用于基础科学研究、工业应用和医疗等。

技术实现思路

1、为克服上述问题，本发明，针对超短超强脉冲激光条件(几十太瓦，30～50飞秒)，提供一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法。

2、本发明采用的技术方案是：一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法，该方法基于激光尾波场加速系统实现，激光尾波场加速系统包括激光器以及气体靶，激光脉冲经过聚焦后与气体靶相互作用，驱动激发等离子体波，并电离产生注入电子束；气体靶包括第一部分和第二部分，第一部分为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体，所述混合气体的比例可调；所述第二部分为纯低原子序数气体；

3、所述方法包括以下步骤：

4、(1)提供峰值功率为太瓦量级、脉宽为飞秒量级、束腰半径为微米量级的激光脉冲；

5、(2)使激光脉冲进入注入级，所述注入级采用高原子序数z气体与低原子序数z气体的混合气体；激光脉冲与混合气体相互作用，电离低原子序数气体和高原子序数气体的外壳层电子，形成背景等离子体，并在驱动激光的作用下形成等离子体尾波场空泡；

6、(3)在激光脉冲的峰值强度附近电离高原子序数z原子内层电子，由于电离率与激光电场的相位相关，电离产生的初始电子在空间上具有天然的调制，其纵向空间调制频率为2倍的激光波矢；

7、(4)被电离释放后的具有初始空间分布的电子滑向等离子体空泡尾部，不同初始位置的电子被投射到不同的加速相位，被尾波场的纵向电场加速，形成电子微聚束；

8、(5)使激光脉冲和电子微聚束进入加速级，所述加速级使用低原子序数z气体，电子微聚束被持续聚束加速。

9、进一步，所述注入级中高原子序数z气体的密度分布沿激光传输方向呈先增加、再持平、最后递减的趋势；其中，高原子序数z气体的密度分布呈增加趋势的区域长度为l1，高原子序数z气体的密度分布呈持平趋势的区域长度为l2，高原子序数z气体的密度分布呈递减趋势的区域长度为l3。

10、进一步，所述步骤2中，超强超短激光脉冲进入混合气体后，脉冲前沿完全离化低原子序数z气体中原子的所有电子和高原子序数z气体中原子的外层电子，形成背景等离子体。为了保证激光的稳定传输，加速级的等离子体密度与混合气体阶段注入级的背景等离子体密度保持一致。

11、进一步，为了抑制连续注入、减小绝对能散，混合气体的长度尽可能短，混合气体的长度在百微米量级，以将能散控制在2％以下；同时为了控制电子束的横向发射度，我们将激光的矢势控制在高z原子内层电子的电离阈值附近，从而将电子束的横向发射度控制在2毫米毫弧度以下。

12、进一步，所述步骤5中，电子微聚束的能量200到1000兆电子伏特；电量1到100皮库；整体横向发射度在2毫米毫弧度以下；整体能散在2％以下，微束能散在1％以下；空间密度调制周期在2k0～3k0左右，k0为激光的波矢。

13、进一步，所述步骤1中激光脉冲为一束高斯光束；所述步骤2中混合气体为氦氮混合气体，注入级的长度<200微米；加速级气体分布的长度为毫米量级。

14、进一步，在步骤3-4中，分析微束电子束团六维相空间的演化，选择合适的激光等离子体参数，使得激光能稳定传输，使得电子束团在加速过程中能保持稳定的微聚束结构。

15、本发明的原理是：在激光尾波场加速电子系统中，利用激光电离注入机制下，激光隧穿电离率与电场相位相关，由于离散相位相关的电离作用，使得电离释放的电子束天然的具有纵向空间(时间分布)上的密度调制效应。电离释放出的电子束滑向空泡的尾部，在此过程中仍然保持相应的密度调制。在优化激光和等离子体参数条件下，使得电子束在初始时具有的这种微聚束结构在加速过程中得到很好的维持，并且尽可能提高电子微聚束的品质，最终获得亚飞秒低能散的电子微聚束。本发明使用的电离注入机制是注入级和加速级分离的一种级联加速方法。

16、利用两级加速模型(包括注入级和加速级)下的电离注入获得电子微聚束的方法。在电离注入机制下，由于离散电离相位的作用，注入的电子束天然的具有时间分布上的微聚束效应。通过缩短注入级的长度，抑制连续的电离注入，限制尾波场中注入电子束的相空间体积，得以维持电子束的微聚束结构。在优化激光和等离子体参数条件下，获得亚飞秒低能散的电子微聚束。

17、本发明的有益效果是：本发明利用激光电离注入获得电子微聚束，大大的降低了实验条件节约了成本。强相对论激光脉冲与等离子体相互作用，在离散电离相位的作用下，高z原子的内层电子在出生时就在密度和能量上呈现微聚束分布。在优化的激光等离子体参数条件下，可以获得超短多色低能散的电子微聚束，并在维持微聚束结构的条件下，实现对电子束的有效加速。