利用2TW 激光器产生具有超小归一化发散角的准单能电子束团的实验和模拟研究

李大章，高 杰

（中国科学院 高能物理研究所，北京 100049）

自1979年Tajima等［1］提出激光尾场加速器（LWFA）概念以来，激光等离子体加速器（LPA）受到新型加速原理研究领域的广泛关注。该方法利用超短超强激光脉冲和低密度等离子体相互作用产生一个跟在激光脉冲后面以接近光速的速度移动的纵向加速电场，其加速梯度可达100GV／m，较传统射频加速结构高了2～3个数量级，这为小尺寸、桌面型加速器的设想成为现实提供了可能。经过30多年的努力，LPA 在提高束团能量，控制束团能散等方面取得了长足的进步，一系列产生GeV 量级高能单能电子束的实验相继被报导［2-4］。

此前在LPA 方面的实验研究大多集中于“空泡加速”领域［5-6］。这就要求激光脉冲的脉宽很短（τ≤30fs）且功率密度很高（I≥1019W／cm2）。满足这些要求的激光器一般在稳定性，调试、维护的周期，重复频率等方面无法令人满意。因此，产生的电子束质量的提高往往过分依赖于激光器性能的提升或整体实验布局的复杂化（如引入碰撞脉冲以提高注入效率［7］，引入毛细管以延长激光传播距离［8］等）。与LWFA相对，自调制激光尾场加速器（SM-LWFA）可运行于更长脉宽、更小功率的激光器（如百飞秒，太瓦量级的激光器），对激光、等离子体参数的匹配要求也更低。SM-LWFA 最初是在激光器条件达不到LWFA 要求时作为替代方案被提出的［9-10］，它的优点是相对简单和拥有更高的加速性能。不仅如此，SM-LWFA 在控制束团的尺寸和发散角方面有着天然的优势。但SM-LWFA 中电子的注入、加速过程往往并不稳定，这使得人们一度认为无法利用此种原理产生单能电子束团，也逐渐忽视了在该方向的研究。近年来，国内外一系列实验证明，在激光、等离子体参数合适的条件下，自调制激光尾场加速一样可以产生高品质电子束［11-15］。对这方面的研究具有很高的应用前景。

1 实验布局及结果分析

图1为实验布局。实验中到达靶面的激光能量约为150～250mJ，脉宽为80fs，折合功率为2～3TW。等离子体的产生装置是马赫数为5的长条型气体喷嘴，长度为1.2mm，背压为0.5～7.5 MPa。应用Top view 和Shadow view 诊断，可观察激光和等离子体相互作用时的通道产生情况，通过透射光光谱测量，可得到等离子体密度信息，而通过电子谱仪及角分布诊断设备可得出电子束团的空间分布及能谱信息。

图2示出了典型的等离子体通道测量结果。从图中可看出，激光在等离子体中传输接近1mm（约15倍瑞利长度）而没有明显发散，说明等离子体对激光产生了良好的自聚焦作用，这有利用自调制的充分发生以及电子的稳定加速。

图1 实验布局Fig.1 Experimental setup

图2 等离子体通道的测量结果Fig.2 Measurement result of plasma channel

图3 透射光谱的测量结果Fig.3 Measurement result of optical spectrum

图3示出了透射光谱的测量结果。从图中可看出，激光和等离子体相互作用后发生了明显的蓝移，这是自调制产生的重要标志之一。根据蓝移量的大小，可估算出当背压在1～6.5 MPa变化时，相互作用中的等离子体密度约为3.8×1018～2.5×1019cm-3。

图4示出电子角分布及能谱测量结果。从图4a可看出，出射电子束团在未经磁铁偏转时的水平、垂直发散角均为2 mrad，束流的对称性和亮度均较高。从图4b可看出，电子具有较好的单能性，束团中心能量约为23 MeV，能散为±3.5%，电量为6pC，垂直发散角约为2mrad（这与角分布测量是相吻合的）。据此得到束团的归一化发散角θn＝γ·θx，y＝92mrad，这在已有的LPA 实验中是最小的。若假设束团尺寸和模拟中得到的约0.8μm，则估算归一化发射度可达0.07 mm·mrad，已达到甚至超过了目前最先进的光阴极微波电子枪的水平。

图4 电子角分布（a）及能谱测量结果（b）Fig.4 Electron beam profile（a）and measurement result of energy spectrum（b）

2 模拟结果与讨论

为更好地理解实验结果，研究相互作用的机制，利用OOPIC 程序对本实验进行了有针对性的研究，模拟结果示于图5。

图5 等离子体电子密度（a～d）和激光脉冲（e～h）随时间的变化Fig.5 Plasma electron density（a-d）and laser pulse（e-h）vs.time

从图5可看出，当激光脉冲刚进入等离子体中时，由于自聚焦的作用，其横向尺寸明显变小（图5a、b、e、f），同时等离子体电子被激光脉冲横向排开，围绕在其周围形成密度较高的电子鞘层。随着激光脉冲的进一步传输（图5c、g），由于等离子体波长小于激光脉冲长度，所以回流电子将和脉冲尾部发生碰撞、耦合，导致激光脉冲尾部被侵蚀，脉宽变短，强度增加。同时脉冲横向变宽，在等离子体中形成一类似于空泡的加速结构。在空泡的尾部有背景等离子体电子被俘获并加速。随着自注入电子的产生和加速，激光脉冲的尾部被加速侵蚀，但仍能在几百μm 的距离内维持空泡加速结构的稳定性，从而使自注入电子获得几十MeV 的能量，且保持较低的能散。同时，较高密度的等离子体可提供更大的横向聚焦力，从而很快阻尼束团的横向振荡，使束团的尺寸、发散角及发射度保持在一极低水平。

3 结语

本工作报道了利用2TW 量级的激光器产生了准单能电子束团的实验结果。这是国内首次应用TW 量级激光器产生高品质电子束团。与国际上应用类似激光器所得到的实验结果相比，本工作的电子束质量也是最高的。根据估算，在实验中得到的电子束团的归一化发射度已达到甚至超过了目前最先进的光阴极微波电子枪的水平。再考虑到激光尾场加速所产生的电子束团具有天然的尺寸小（几个μm 量级）、束长短（几十飞秒）等优点，我们认为，不远的将来有望将其应用到传统加速器领域，用来替代电子枪，或者作为传统加速器的前级使用。

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