基于自聚焦效应的大电量高能电子束研究

For generating a laser based hard X-ray source, a tightly focused, tunable energy, tightly focused and high charge hot electron beam is required. To overcome the intrinsic faults of the interaction between laser and planar metallic target or gas target, we propose the high Z solid target with large scale pre-plasma. The large-scale preplasma reduces the prepulse effects effectively and accelerates more fast electrons inthe self-focusing channel. Furthermore, the self-focusing effect reduces wings of the laser spot and enhances laser intensity. When the self-focused laser arrives at the high Z target surface, another high energy electron beam with lower energy is produced therefore the total amount of electrons which enter the solid target increases. Additionally, the self-generated magnetic field on the target surface also pinches the bunch from the preplasma. Generally, a tightly focused, high charge electron bunch with high energy can be produced this way.Theoretical analyses and particle-in-cell simulations will be performed to investigate the physical mechanism in the high power laser interaction with the target and related experiments will be carried out to check the physical model and get a tightly focused, tunable energy,and high charge hot electron beam.

超短强脉冲微焦点轫致辐射X射线源的产生需要紧聚焦、大电量、能量可调的高能电子束。本项目围绕这一目标开展研究。针对超高强激光产生高能电子束的两种不同途径所面临的问题，本项目提出利用超强激光与大尺度预等离子体相互作用中的自聚焦效应改善激光脉冲的聚焦状态，提高激光功率密度并产生大电量的高能电子束；同时利用可控的大尺度预等离子体减小激光预脉冲的影响；自聚焦后的激光与高Z靶作用，产生另一束能量稍低的电子束，激光能量转化率将有效提高，其产生的自生磁场还可进一步箍缩预等离子体中产生的高能电子束。因此，将有望获得适合X射线源产生的高品质电子束。本项目拟利用理论分析和数值模拟手段细致研究激光与大尺度预等离子体混合靶作用产生的紧聚焦，大电量、高能电子束的物理机制,得出有关规律，并在SILEX-I飞秒装置上开展相关实验进行验证。

超强激光等离子体轫致辐射 X 射线源因脉冲短、焦点小、发散度小、能量可调等优势，在瞬态动力学、状态方程测量、高面密度客体照相等领域具有广阔的应用前景。本课题提出采用大尺度预等离子体减小激光预脉冲和不确定性等影响，通过自聚焦效应改善激光状态，提高功率密度并产生紧聚焦、大电量、发散角小的高能电子束，与高Z固体靶相互作用获得高品质X射线源。.通过理论分析和数值模拟，验证了大尺度预等离子体中激光自聚焦效应的增强，实现了功率密度和能量吸收率提高，通过研究电子束能谱、分布、产额等特性，获得了产生稳定自聚焦通道并加速大电流电子束的参数条件和影响规律，明确了大电量高能电子加速的物理机制。.针对可控大尺度等离子体的产生，基于实际激光装置和技术条件，设计并制备了自膨胀预等离子体泡沫靶和超声速喷气靶，根据应用需求给出了优化的靶结构参数。最后在星光III 和45TW激光装置上开展实验研究，使用超高强激光与两种靶型相互作用，验证了相关的物理规律。实验中观察到激光稳定自聚焦和通道的产生，利用优化激光和靶参数，最终获得了小发散度大电量的高能电子束。.此外，本课题发展了相应的实验参数诊断技术；从高亮度、微焦点X射线源的产生及应用出发，探索了多种激光条件的电子加速特性；为了进一步改善X射线源的尺寸，研究了不同结构靶型对电子束的引导和准直效果。利用本课题产生的高品质电子束，进一步成功产生了微焦点高亮度高能X射线源，展示了在高透视高空间分辨照相的应用价值。对超快微焦点源在高能量密度物理、流体动力学等研究领域的潜在应用奠定了基础。