[发明专利]一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统

说明书

本发明提供了一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统，利用粒子模拟程序，通过调控高重频激光和气体靶参数，最终实现了较好的空间辐射环境的模拟，使模拟空间电子最大能量约为10MeV量级，电子通量约为百纳库伦每秒，且能谱图像呈指数下降型。本发明通过千赫兹高重频激光和气体靶的相互作用实现，与基于传统粒子加速器的空间模拟系统不同，本发明具有体积小和能谱更加匹配空间环境的特点，能够有效模拟空间中的高能电子环境，为航天器的抗辐射加固提供地面环境的模拟支持，具有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明涉及新型粒子加速技术和空间辐射环境领域，特别地，涉及一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统。

背景技术

航天器在空间辐射环境中长期在轨工作，会受到空间粒子引起的单粒子效应、总剂量效应、空间位移损伤效应影响，使航天器出现损伤甚至失效。对于航天器抗辐射加固材料对研究和测试，在空间环境下进行是最准确的方案，但以现有技术手段成本过高，不可能进行大量的空间试验，绝大多数试验只能在地面上进行模拟。空间辐射的地面模拟是在地面环境下，利用加速器或辐射源，产生特定能量分布的粒子，产生和空间环境条件相似的人工模拟环境，以测试空间环境下高能粒子对材料的损伤效果，以及抗辐射材料的屏蔽效果等，是器件应用和加固技术的支撑。

目前空间辐射的地面模拟方案主要为利用同位素辐射源以及传统加速器产生高能粒子，以测试航天器的辐射损伤以及抗辐射加固效果。然而，美国国家航空航天局的AE8和AE9等模型显示，宽能带以及大发散角是空间环境下粒子的固有特性，这是传统的高能粒子辐射源难以模拟的特征。此外，传统辐射源存在着成本高、占地面积大、维护困难等缺陷。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统，采用激光-气体靶粒子加速可重复性、经济性更强，通过高重频激光和气体靶相互作用，能够持续地产生模拟空间环境的加速电子，进行空间模拟测试，同时该系统还具有持续性好，成本低，占地面积小等特点。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统，所述系统包括高重频激光器、气体靶、偏转磁场以及测试靶；

所述高重频激光器产生kHz的高重频激光，所述高重频激光沿所述气体靶的轴线射入所述气体靶；所述高重频激光将气体靶中的气体分子电离成等离子体，高重频激光有质动力使等离子体内的电子产生振荡，激发等离子体波形成电子空泡结构；电子空泡结构壳层的回流电子注入到空泡结构内部并加速，得到能谱为指数下降分布的电子束；

所述电子束经过偏转磁场的偏转作用分离除去透射的激光束，得到能与测试靶作用的空间电子模拟环境，从而获得空间电子与物质相互作用的实验结果。

进一步的，还包括用于产生气体靶的气体喷嘴；所述气体喷嘴为亚声速或超声速喷嘴，能产生几百微米长、分布为近高斯型的气体。

进一步的，所述高重频激光器产生kHz的高重频激光，两束激光之间的间隔为0.001s；激光能量范围1mJ至100mJ。

进一步的，所述高重频激光将气体靶中的气体分子电离的等离子体内电子的密度为5×10²⁵个/m³至9×10²⁵个/m³。

进一步的，所述气体靶采用He或者H₂气体。

进一步的，所述高重频激光将气体靶中的气体分子电离的等离子体内电子的密度分布为沿高重频激光传播方向上呈梯形分布或高斯分布。

进一步的，所述气体靶长度为100～300μm。

进一步的，所述气体靶长度为100μm，前20μm气体靶中的气体密度为均匀上升，最后20μm气体靶中的气体密度为均匀下降。

进一步的，所述电子束经过偏转磁场后的发散角在30°以内。