[发明专利]激光尾波场加速器的级联装置以及级联系统

说明书

本发明公开了一种激光尾波场加速器的级联装置和级联系统。级联装置包括真空室、后级激光器、级联系统以及后级激光尾波场加速器。级联系统包括弯曲毛细管、前端电极片、后端电极片、充气管道和气体产生装置。弯曲毛细管的两端分别设置前端电极片和后端电极片，弯曲毛细管的内部与气体产生装置流体连通。弯曲毛细管与后级激光尾波场加速器设置于真空室内。前端电极片和后端电极片用于连接电源并形成电压差使得弯曲毛细管内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。本发明具有装置简单紧凑易行、级联效率高、级联前后电子束品质稳定的优点。

技术领域

本发明涉及激光加速领域，具体涉及一种激光尾波场加速器级联装置以及级联系统。

背景技术

利用超短超强激光在低于临界密度的等离子体中传播时产生的尾波场来加速电子的概念是由Tajima和Dawson在1979年首次提出的。激光在等离子体传播时会在激光脉冲后方激发电子等离子体波，称为激光尾波。激光尾波中的纵向电场能够捕获并加速特定电子，实现高能电子加速。由于激光尾波场的强度不会受通常的材料破坏阈值的限制，可以比通常的射频场加速器高出3个量级，因此基于它的加速系统具有尺度小、加速梯度大、性价比高等优点。激光尾波场加速器在超快电子衍射、电子束加速和桌面型辐射源等领域都有广泛的应用前景。

激光尾波场加速器的另一个重要应用方向是制造太电子伏特(1太电子伏特＝10¹²电子伏特)能量级别的正负电子线性对撞机。但是，单级激光尾波场加速器中的电子能量的增益受到激光泵浦能量损耗的限制。目前人们普遍认为， 10000兆电子伏特是电子在单级尾波场加速器中能够获得的能量增益的合理目标。要想在未来实现太电子伏特能量级别的对撞机，就必须要将激光尾波场加速器进行多达100级的级联耦合，即将在前一级激光尾波场加速器中被加速的电子束注入到由另外一束新的激光产生的激光尾波场中继续加速。2016年，美国的Steinke等人在实验上初步实现了激光尾波场加速器的级联。他们通过使用等离子体镜反射新的激光束和使用主动型等离子体透镜聚焦电子束，实现了将在前一级被加速电子束中3.5％的电子耦合到下一级激光尾波场加速器中，并将电子能量提高了100兆电子伏特。然而，该方案中需要在装置的级联区域安装复杂的等离子体镜和主动型等离子体透镜，同时需要实现电子束与主动型等离子体镜在时间和能量上的匹配，对于利用该方案实现高效的级联加速提出了挑战。

因此，本领域迫切需要研发一种简单易行、级联效率高，同时电子束品质在级联前后稳定的激光尾波场加速器级联方法，使得最终加速获得的电子束能量达到太电子伏特量级，从而实现基于激光尾波场加速器的太电子伏特能量级别的对撞机。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光尾波场加速器级联装置以及级联系统，以解决上述现有技术中存在的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种激光尾波场加速器的级联装置，包括真空室、后级激光器、级联系统以及后级激光尾波场加速器，其中

所述级联系统包括弯曲毛细管、前端电极片、后端电极片、充气管道和气体产生装置，所述弯曲毛细管的两端分别设置所述前端电极片和后端电极片，所述弯曲毛细管的内部与所述气体产生装置通过所述充气管道流体连通；

所述弯曲毛细管与所述后级激光尾波场加速器设置于所述真空室内，其中

所述前端电极片和后端电极片用于连接电源并形成电压差使得所述弯曲毛细管内部的气体分子被电离，电离的气体分子重复放电产生沿毛细管轴向密度分布均匀、径向中心密度小而外侧密度大的等离子体分布。

较佳地，还包括前级加速器，所述前级加速器用于产生前级出射电子束，该前级出射电子束沿水平方向运动，从所述弯曲毛细管的侧面外壁进入所述弯曲毛细管，并在从所述弯曲毛细管后端中心出射后，再进入所述后级激光尾波场加速器。