临界密度等离子体激光尾波场电子加速研究

With three decades efforts after the proposed concept of laser plasma accelerator, GeV class quasi-monoenergetic electron beams and even as high as multi-GeV electron beams were already achieved with 100-TW class and PW class lasers. This project will aiming at generation of GeV-class quasi-monoenergetic electron beams with high charge loading of the electron bunch in critical density plasmas by employ compound laser plasma acceleration mechanisms. PIC simulation will be employed to discover the generation of nC level quasi-monoenergetic electron bunches by optimizing of the parameters of both of the lasers and the critical density plasmas. The simulated results will be employed for experimental achievements of the GeV-class quasi-monoenergetic electron beams as well as the high loading of the bunches.

随着激光加速器概念的提出，经过三十年的努力，现已通过百太瓦乃至拍瓦量级激光器实现GeV量级准单能电子束，最高电子能量已达数GeV。本项目将通过在临界等离子体密度下复合加速机制实现输出电子单能性及提升空间电荷量。通过PIC模拟激光与临界等离子体的条件，改变激光与等离子体参数进行相互作用过程优化，获得纳库量级电量的准单能电子输出，为相应实验研究提供基础。同时将利用已建成百太瓦高对比度飞秒激光系统进行激光尾波场电子加速研究，实验上实现临界等离子体密度条件下准单能电子束的输出，并期望同时获得高空间电荷量。

近十五年来，激光驱动尾波场电子加速获得了一系列的突破性进展，迎来了小型化粒子加速器的曙光。尽管目前激光尾波场电子加速获得了很大的成功，但是国际上广泛采用的单级激光尾波场加速方案在产生GeV以上的单能电子束方面仍具有一定的难度，电子束的性能还有待进一步提高。本项目致力于激光电子加速复合机制的理论与实验研究，通过引入临界等离子体密度靶实现输出电子单能性及提升空间电荷量的研究，基于相关研究结果展开应用领域的探索研究。.本项目在理论上完成大电量（22nC）高能电子束（300MeV-1.3GeV）和0.5%低能散低发射度GeV量级电子束产生条件的探索研究。开展了基于大电量激光加速电子的正电子产生优化研究；利用大电量电子束进行有毒核废料的核嬗变应用研究；基于飞秒强激光与固体靶相互作用的超高亮度阿秒高次谐波的产生研究；开展了利用毛细管靶产生超高亮度伽马光源的研究，首次从理论上系统阐明了微通道结构靶中电子的动力学过程以及γ-ray源的产生，数值模拟中获得了发散角小于3度的超高准直γ-ray辐射源，是目前10PW激光所能获得最亮γ-ray辐射源，比之前研究报道最亮的γ-ray源高两个数量级以上；基于该工作，提出一个可以首次观测双光子Breit-Wheeler（BW）过程的方案，即激光驱动光子对撞机。提出基于激光等离子体加速的正电子注入方案研究。.完成激光等离子体电子加速实验综合实验平台的搭建。获得百兆伏小角度高能电子束，并应用于电子束直接成像，实现了分辨为150um的超快单发成像；进行了不同靶条件下的电子加速研究，在60TW激光条件下实现能量最高为550MeV的电子束输出；利用激光驱动等离子体尾波场电子加速过程中伴生的betatron辐射进行了X射线成像实验研究，通过rossfilter对X光源进行了能谱和光子数的标定，实现了单脉冲内单发光子数为5.9e9；同时，实验上采用高对比度60TW激光与微米厚度的铝膜相互作用获得了能量高于10MeV的质子束，根据激光质子加速的特点进行了质子束传输束线的设计，并进行相关辐照应用设计，为激光加速质子束的应用奠定基础条件。.