[发明专利]一种使用团簇靶材的电子加速器设备

说明书

本发明提供一种使用团簇靶材的电子加速器设备，其特征在于，包括：用于提供真空环境的真空靶室；用于通过其中的超声速喷嘴将气体提供到所述真空靶室以产生团簇的气体输运组件；用于提供激光以与团簇反应的激光器，所述激光器的激光对比度在10^‑6到10^‑8之间。可以采用诸如氩气等状态稳定气体来用作生成团簇的气体。根据本发明的电子加速装置可以通过调节激光对比度以及输入气体的流量来选择参与反应的团簇的尺寸和密度，从而获得更高品质的电子束输出。并且本发明还可以通过改变激光脉冲到达气体喷嘴上方的时间延时和气体背压，来改变所产生的电子束的发散角。

技术领域

本发明涉及激光尾波场电子加速，尤其涉及采用团簇靶材的电子加速。

背景技术

电子加速器，是利用感生电场来加速电子的一种设备。电子加速器使得电子沿切线方向射入环形加速腔，使得电子受到其中感生电场的作用而被加速。由于受到加速腔中磁场的洛伦兹力的作用，电子在加速腔的圆形轨道上运动，从而重复加速的过程。传统电子加速器需要长达数公里的加速腔才能将粒子加速到GeV量级，例如美国斯坦福大学的直线电子加速器(SLAC)可以将电子加速到100GeV，但是长达3km的加速设备造价昂贵，尺寸巨大，并且由于加速腔壁受到击穿电压的限制，加速电场强度被限制在100MV/m的量级。

在1979年，Tajima和Dawson提出利用激光束等离子体波加速电子的方法。但是局限于当时的激光器技术不能满足实验需求，研究工作多以理论为主。90年代，激光技术飞速发展，尤其是基于啁啾脉冲放大技术(CPA)的太瓦级(TW)飞秒激光器系统的成功研发，使得这一研究领域受到极大重视，被视为新一代电子加速器。激光等离子体加速器能够保持高达非相对论波破场的量级，即100GV/m，比传统加速器高3个量级。随着激光技术的发展，激光强度不断增强，脉宽不断缩短，对激光等离子体相互作用的研究开辟出了许多新的领域。激光与等离子体相互作用与激光的强度、波长、脉宽，等离子体状态参数(最主要是密度)密切相关。随着激光强度变大，开始是线性响应，然后随着激光不断增强，非线性效应和相对论效应开始占主导。而根据等离子体的密度不同，激光与等离子体作用可以分为稀薄等离子体(同气体靶作用)和稠密等离子体(同液、固体作用)。对于1微米的激光，能在等离子体中传播的临界密度是1.1×10²¹cm^-3，介于气体密度与固液密度之间。

在2004年之前，激光等离子体加速器实验已经获得了峰值能量100MeV，总电量1nC的电子束。但是电子束品质很差，没有达到研究者的期望。之后的时间里，科学家们通过控制激光和等离子体的参数，对电子束团的品质(峰值能量、电量、稳定性和能散等)实现了大幅度的提升。在10¹⁸W/cm²的激光能量密度下，电子被纵向的非线性力——有质动力排开，共振激发出等离子体波(尾波场)。电子的俘获和注入是依靠横向波破(自注入机制)或者电离(离化注入机制)发生的。自注入机制(Self-injection Regime)需要较高的激光强度(a₀～4)和等离子密度(n_e～10¹⁸cm^-3)，大大限制了电子束在加速场中的加速距离，并且不利于高品质电子束团的产生。但是基于离化注入机制(Ionization-induced Injection)的激光等离子体加速器，通过激光与纯氮气或者混合气体相互作用，能够最大程度延长电子束在尾波场中的加速距离。这种新奇的机制利用了不同电子壳层之间的巨大电势能能差，将低层电子电离并注入尾波场中进行加速。对于百太瓦级别的飞秒激光，当等离子体密度为10¹⁸cm^-3时，电子失相距离L_d＝λ_p³/λ₀²(λ_p是等离子体波长，λ₀是激光波长)被限制在1cm，电子最大能量接近1GeV。