[发明专利]应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子选能器，具体涉及一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法。

背景技术

Tajima和Dawson于1979年首次提出了利用超短脉冲激光在等离子体中激发起等离子体波以加速电子的概念。当一束脉冲激光在密度低于临界密度的冷等离子体中传播时，激光的有质动力会将等离子体电子从激光通过的区域向两边排开。在激光通过后，空间电荷分离力又会将这部分电子拉回它们原来的位置，导致电子在它们的位置附近震荡，在等离子体中激发起波，并且这种波导致的电场存在轴向分量。这种激发的波会跟随激光在等离子体内传播，其相速度接近光速。相对论性的电子束可以随着该波在等离子体内传播，并且在很长的距离内处在加速的轴向电场中，被加速到很高的能量。这种加速机制的加速梯度受到非相对论性波破条件限制。

在十多年前，采用啁啾脉冲放大技术获得超短强激光脉冲后，人们发现产生大振幅等离子体波变得更容易，实验上获得的加速电子能量也逐渐增大。早期实验发现这些加速电子通常有很宽的能谱，不适合于实际应用。2004年9月，Nature杂志同时刊登了来自法国，英国和美国三个科研小组的研究成果，3个实验室独立实现用等离子体波加速产生准单能的能量在100MeV左右的电子束，使得激光等离子体加速成为非常热门的研究课题，这为后期电子束的应用增添了很大信心。

激光尾波场加速器本身相对与传统的电子加速器具有尺寸小、加速梯度大、性价比高等优点，并且LWFA加速器输出的电子束具有束斑小、脉冲窄(飞秒量级)、亮度高等特点，在许多领域都有很好的应用前景。但是电子束流品质主要在注入、加速与传输三个阶段受到影响，具有大的发散角，大的能散的缺点。对于进一步的实验应用，如背向康普顿散射光源和自由电子激光等有着至关重要的影响。

这就为电子选能器的研发提供了应用前提。电子选能器能为后端应用端提供单能的电子束，为激光等离子体加速器产生的准单能电子束的应用提供保障。

2012年，日本的Miura等人第一次在实验上证实了使用激光尾波场加速器输出的电子束通过逆康普顿散射能够产生硬X射线。飞秒激光脉冲(800nm，700mJ，40fs)入射到1.7×10¹⁹cm^-3的氦气喷嘴上，通过尾波场加速机制，输出了90pC、中心能量在65MeV的准单能电子束。该电子束与斜入射的飞秒激光(800nm，140mJ，100fs)发生碰撞，通过逆康普顿散射机制，高能电子将能量传递给光子，实验上通过使用对X射线感应的成像屏探测到了能量约为60KeV，发散角为～5mrad的硬X射线，实验效率为单发脉冲产生～2×10⁷个光子。

所以，可以利用选能器甄选出的合适能量的电子与强激光对撞搭建平台式逆康普顿散射光源。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法。

本发明的一个目的在于提出一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器。

本发明的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器包括：第一至第四磁铁、选能结构和屏蔽结构；其中，选能结构设置在第二磁铁与第三磁铁之间；激光尾波场电子加速得到的电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，依次经过第二磁铁的磁场、选能结构和第三磁铁的磁场，从第四磁铁的磁场出射；在第四磁铁的尾部放置屏蔽结构；磁场的方向沿y轴，第一磁铁的磁场方向与第四磁铁的磁场方向相同且大小相等，第二磁铁与第三磁铁的磁场方向相同且大小相等，并且第一磁铁的磁场与第二磁铁的磁场方向相反；电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，在y方向磁场的作用下，电子束的运动轨迹沿z轴方向发生偏移并且与x轴有夹角，能量越低的电子偏离越大，从而电子束按照能量不同，沿z轴依次排开；第二磁铁的磁场方向与第一磁铁相反，设置第二磁铁的磁场的大小和尺寸，使得从第二磁铁出射的电子束与x轴的夹角为0；电子束沿x轴从第二磁铁出射进入选能结构，选能结构为具有一定厚度的平板，并且中间具有平行于x轴的狭缝，狭缝的位置位于所需能量的电子所处的z轴的位置，从而所需能量的电子束穿过选能结构的狭缝进入第三磁铁；依次经过第三和第四磁铁后，所需能量的电子沿z轴的偏移量为0，并且沿x轴方向从第四磁铁出射，从而将所需能量的电子甄选出来；放置在第四磁铁尾部的屏蔽结构屏蔽射线。