准稳相效应在激光尾波场电子加速中的探索研究

In the laser wakefield acceleration of uniform plasma density distribution, the dephasing, which is caused by the difference of velocity of electron beam and the wakefield, can decrease the peak energy of electron beam and the energy utilization of laser pulse. It is demonstrated that the energy of electron beam can be increased more than one times with the same laser parameters when an non-uniform plasma density distribution is used, in which the phase between of electron beam and wakefield is almost stable, and the dephasing is restricted effectively.. This project will be carried out by theoretic analysis and numerical simulation to research the physical process and the physical conditions of phase-stable acceleration. Firstly, The density distribution of large scale and non-uniform plasma should be achieved with lower relativistic laser intensity(a0=1~2). Secondly, The generation of this plasma density distribution will be resolved by detailed fluid simulation, in which a gas-filled capillary with special gas inlets and capillary configuration will be used. At last, the experiment will be conducted to research the phase-stable effect in the laser wakefield acceleration with large scale and non-uniform plasma density distribution, the physical parameters of phase-stable acceleration and the differences of acceleration electrical field between uniform and non-uniform plasma density distributions should be achieved.

在基于均匀等离子体密度分布的激光尾波场电子加速中，电子束与尾波场相速度的差异会不可避免的出现失相过程，其限制了电子束能量以及驱动激光的能量利用率。理论显示，当采用非均匀等离子体密度分布，且其密度在1~2cm的空间尺度上增加2~3倍时，可以有效的避免失相效应对尾波场电子加速的影响，实现准稳相电子加速。在激光参数不变的情况下，有效提高电子束能量1倍以上。 . 本项目拟从解析分析和细致的数值模拟出发，研究准稳相电子加速的物理机理及其所需的物理条件。针对低强度相对论（a0=1~2）短脉冲激光条件，优化获得准稳相加速所需的大尺度非均匀等离子体密度分布等参数条件；解决目前大尺度非均匀等离子体密度分布产生所面临的问题，设计并加工完成气体靶结构；开展基于大尺度非均匀等离子体密度分布的准稳相电子加速实验研究，获得准稳相加速所需的实验参数及其相对均匀等离子体情况下加速效率的提高效果。

激光尾场电子加速是强激光与物质相互作用的重要研究方向之一，受益于超短超强激光的时空特性以及等离子体的匹配条件，尾场电子束可以产生脉冲宽度为飞秒、焦斑尺寸在微米且能量可调的超快微焦点X射线源，在超高分辨时空诊断测量方面具有非常重要的应用前景。然而，在常规的激光尾场电子加速中，尾场电子束能量主要受激光器的功率状态决定，也基本上限定了X射线源的指标参数。.为了在一定的激光条件下产生更高能量的尾场电子束及穿透能力更强的超快微焦点X射线源，本课题针对电子在激光尾场中的加速和减速过程，通过详细的数值模拟，研究并验证了线性增加等离子体密度分布在准稳相加速中的可行性。结果显示：在10 mm~15 mm的空间尺度上，等离子体密度线性增加2~3倍的分布构型，能够明显提高电子束峰值能量1倍左右。针对这一需求，通过流体仿真设计了充气型毛细管，通过微纳加工及其密封组装，完成了满足准稳相实验需求的高真空、耐烧蚀充气型毛细管供气系统，在充气压强为100 kPa时的测试结果显示其气压漏率为5kPa/h。.利用0.6J/25TW的到靶激光条件，深入研究了不同注入机制下准稳相加速和常规电子加速对尾场电子束品质的影响。在自注入机制下，电子束均具有较为明显的准单能特性，相对于常规加速方法，准稳相效应下产生的电子束峰值能量由270 MeV提高至410 MeV，峰值能量提高了约50%。除了电子束峰值能量的明显提高，在准稳相加速实验中，由于不断提高的等离子体密度在一定程度上降低了电子自注入的阈值条件，出现了较为明显的二次注入现象，这促使高能电子束的总电量的大幅提高（由(69±21) pC增加至(335±77) pC）。而在离化注入机制下，实验产生的电子束能谱基本失去准单能特性，在准稳相效应下电子束最高能量能够延伸至约600 MeV。.准稳相效应可以在激光条件确定的情况下，大幅提高尾场电子束的峰值能量，通过Betatron辐射/Thomson散射等射线产生机制，更高的峰值能量有望产生更高能量的超快微焦点X射线源，进一步拓展飞秒激光器产生X射线源在超高时空分辨诊断中的应用空间。