激光等离子体波加速产生稳定准单能谱电子束的实验研究

利用超短超强激光在等离子体中激发大幅度离子体波来加速电子，产生准单能谱的高亮度电子束是一个重要研究前沿。这样的电子束应用包括新一代加速器、超短脉冲高亮度辐射源、材料学、生物医学等科学与工程技术。当前，如何实现准单能谱电子束的稳定产生是该前沿研究的一个焦点问题。本项目将主要从实验方面来研究准单能谱电子束的产生，目标是利用输出峰值功率300太瓦的SILEX-I超短超强激光实现峰值能量为1 GeV量级的准单能谱电子束的稳定产生。本项目将重点研究在适当控制密度与空间分布的等离子体中，激光功率、焦斑大小、等离子体密度等参数对超短超强激光在等离子体中稳定传输以及"空泡"加速机制的影响，或辅以气体/固体薄膜组合靶或气体电离适当控制电子注入，来实现准单能谱电子束的稳定产生，预计束团电量约100 pC，能量发散小于10%，束发散角小于10 mrad。

超短超强激光激发等离子体波来加速电子产生准单能谱高亮度电子束，是等离子体物理的一个前沿。有关研究对于高能量密度物理和激光核聚变、超高梯度加速和新型辐射源等研究及发展具有重要推动作用。本项目在过去三年的研究中，就如何实现准单能谱电子束稳定产生的一些关键问题，例如用于电子加速实验的靶特性、超短超强激光在等离子体中传输、电子注入及加速等进行了系列实验和理论模拟研究，取得了下列结果：对电子加速实验候选靶超声喷气靶、充气靶以及薄膜靶的气体密度及空间分布进行了流体力学模拟，并与实验诊断结果进行了比较，从而能对实验用靶进行优化设计；实验观察到100 MeV量级的准单能谱和连续能谱电子束的产生，用粒子模拟程序对实验结果进行了数值模拟和解释，指出激光和等离子体密度等参数对准单能谱电子束产生具有重要影响；实验观察到超短超强激光在等离子体中15 mm长距离传输，相当于瑞利长度的26倍，用粒子模拟程序进行了模拟，指出电子加速到1 GeV量级准单能谱对超短超强激光稳定传输、电子注入的要求；实验演示了电离电子注入。