电离毛细管等离子体在激光加速领域的应用

激光加速是近年提出的一种新型加速机制,它以等离子体为加速介质,受到等离子体性质的强烈影响.电离毛细管装置作为一种能稳定产生等离子体通道和调制等离子体参数的可靠工具,既可以承载激光等离子体尾波的高梯度加速场,又能提供放电电流驱动的高梯度横向聚焦磁场,在紧凑型激光加速器、辐射源及等离子体透镜的研究中发挥着重要作用.本文介绍了电离毛细管等离子体的原理及特性,归纳了它在激光加速领域的主要应用,包括作为加速段进一步提高激光等离子体加速粒子束的能量及质量、作为束流传输元件匹配加速粒子束的实际应用需求.在此基础上,对毛细管等离子体未来的发展趋势进行了展望,并简要介绍了北京大学电离毛细管等离子体平台的建设情况.     

激光尾波场加速器中反向注入激光脉冲参数对电子注入的影响

通过数值模拟和理论分析, 研究了由两反向传播的激光脉冲在稀薄等离子体中的相互作用造成的向激光尾波场中注入电子的物理过程, 并讨论了两激光脉冲参数对注入电子数目的影响. 通常注入脉冲的强度可以远小于产生尾波场的主脉冲强度. 当注入脉冲为中等强度时, 注入电子数首先随注入脉冲宽度的增加而增加, 直到注入脉冲宽度达到某个临界值后, 注入电子数饱和. 当减小注入脉冲强度时, 为了产生电子注入, 相应的主脉冲强度应该提高. 此时注入脉冲仅能轻微地影响主脉冲的尾波场, 注入电子数随注入脉冲宽度的增加而持续增加, 直到尾波场能够承受的捕获电子数目极限.     

强激光对于电子的回旋共振加速

粒子的激光加速是下一代高能加速器的主要原理。一种可能的方案是在等离子体中射入强激光以加速粒子。当电磁波强度足够大时,必须把电子处理为相对论的。如果等离子体密度足够低,等离子体朗谬频率ω_p远小于激光频     

点电荷驱动的等离子体尾场的波裂

在用极短电子束激励等离子体尾场时,如何避免波裂,是等离子体尾场加速器研究中一个重要的问题。设初速v_(bo)=v_(bo)e_z的极短电子束沿e_z正向入射到冷等离子体中.驱动束端面电子密度为σ_b,体密度近似写为点电荷形式:n_b=σ_bk_pδ(τ),其中τ=ω_p( -z/v_b),尾波相速v_(ph)=v_b(v_b为驱动束瞬时速率)、波数k_p=ωp/v_(ph),ωp=(n_oe~2/ε_0m_e)~(1/2).τ>0时表示驱动束已经过的区     

相对论自聚焦对激光脉宽的要求

短脉冲强激光在等离子体中的稳定传播与许多现象,如:激光等离子体加速器、相干短波长辐射源以及ICF中的快点火等许多问题,都有着直接的联系.如何使短脉冲强激光在等离子体中稳定传播及提高其传播长度成为人们关注的焦点问题之一.实现短脉冲强激光在等离子体中传播时形成光波导的方式主要有两种,即相对论自聚焦和等离子体通道口.相对论自聚焦的机理在于,强激光驱动下的等离子体中的电子做相     

激光拍频波驱动的电子等离子体波的有质动力饱和效应

电子等离子体波的拍频激发在等离子体加热、等离子体诊断、激光等离子体加速器以及在研究电离层等离子体等方面具有广泛的应用。最近,由于激光拍频加速器及Surfatron工作的兴起,电子等离子体波的非线性激发及其对粒子的加速引起越来越多的研究者的兴趣。理论上电子等离子体波的最大振幅可达到波破裂极限,E_p=mcωp/e,对于10~(18)     

加速粒子在激光技术中的应用

当前,激光技术应用十分广泛,它几乎已渗透到各个领城中去.但随着应用的日益扩大,人们对激光器提出了更高的要求,希望能出现波长范围很宽、又连续可调的高功率激光器.而将加速粒子应用于激光技术中,就能比较满意地解决这些问题. 加速器是一种用人工方法对带电粒子如电子、质子和离子等进行加速以提高其能量的装置.加速粒子     

激光加速原理

为了“深究,基本粒子的深层内部结构,人们建造了越来越大的加速器.但是目前的电子或质子加速器由于受造价、特别是材料的限制,进一步提高的程度已有限,所以不得不把注意力转向探索能加速粒子的断型加速器.我国科学工作者彭桓武、庄杰佳在激光加速原理方面提出了一种新方案,受到了科学界的很大关注.本刊特请庄杰佳同志撰写《激光加速原理》一文向读者作一介绍.     

激光加速器中的靶科学与技术

激光加速器通过激光打靶产生高能带电粒子,是一种极具潜力的新型加速器.与“靶”相关的科学与技术,对激光加速器性能的提升、设备的实用化与普及起着至关重要的作用.本文概述靶科学与技术对激光加速器的重要意义,探讨其中的关键问题,着重介绍北京大学重离子物理研究所研究团队在相关领域取得的进展.通过与纳米科技结合,我们创立发展了碳纳米管靶体系,成功解决了临界密度靶难题;设计并构建双层纳米靶,实现了重离子级联加速过程,解决了短脉冲激光加速重离子/超重离子时高效电离与长时间加速难以兼得的瓶颈问题,创纪录地获得了580 MeV碳离子与1.2 GeV金离子;攻克了高品质靶材批量制备、靶材损伤阈值测控、高精度瞄靶、重频打靶等关键技术,有力推动了激光离子加速器实用化进程.     

直流-射频超导光阴极电子枪

直流-射频超导(direct current-superconducting radio frequency, DC-SRF)光阴极电子枪是由北京大学射频超导加速器实验室提出并发展的一种连续波电子源,可产生MHz及以上重复频率、皮秒至亚皮秒脉冲、Me V能量的电子束.作为一类重要的超导型光阴极电子枪, DC-SRF将具有高量子效率的半导体光阴极与射频超导加速腔分离,成功地解决了二者之间的兼容问题,并具有结构紧凑、暗电流低等优点. DC-SRF光阴极电子枪的研发经历了样机、DC-SRF-I及DC-SRF-II三个阶段,其中, DC-SRF-I于2014年实现稳定载束运行,并开展了系列应用实验; DCSRF-II于2021年建成, 2022年实现100 p C束团电荷量、1 MHz重复频率的连续波模式运行,暗电流小于1 pA,归一化发射度达到亚mm-mrad级,综合性能指标处于领先地位.本文总结DC-SRF电子枪的研究工作,主要内容包括DCSRF-I电子枪、DC-SRF-II电子枪、光阴极与驱动激光等.     

激光等离子体电子密度测量的新方法

等离子体电子密度的测量是激光等离子体诊断中的基本问题,对激光核聚变和X射线激光等研究领域都很重要.特别在X射线激光研究中,由于电子密度的大小对X射线激光增益有很大影响,所以显得尤为重要.已有的测量方法有斯塔克展宽法等.这里,我们提出一种通过谱线强度测量电子密度的新方法.这可以弥补斯塔克展宽法在电子低密度区失效的不足,而且通过选择不同的元素作为测量对象,可以测量不同密度区域的电子密度.     

超快强场激光在高温燃烧场中的成丝现象及其应用

超快强场激光在大气等光学介质中传输时会受到克尔自聚焦效应和等离子体散焦效应的动态调制,产生一种独特的非线性光学现象——激光成丝,在大气传感、太赫兹光谱产生、天气控制等研究领域具有重要的应用前景.针对超快强场激光在高温燃烧场成丝燃烧诊断应用,介绍了超快强场激光在燃烧场中成丝动力学过程以及传输成丝特性,综述了强场超快激光成丝诱导非线性光谱的机理及其在高温燃烧场诊断应用中的研究现状和进展,并探讨了当前强场超快激光成丝在该领域所面临的挑战和应用前景.     

相对论自聚焦对激光脉宽的要求

<正>短脉冲强激光在等离子体中的稳定传播与许多现象,如:激光等离子体加速器、相干短波长辐射源以及ICF中的快点火等许多问题,都有着直接的联系.如何使短脉冲强激光在等离子体中稳定传播及提高其传播长度成为人们关注的焦点问题之一.     

关于电子束的亮度极限

应用电子束的各种技术中,常要求电子束具有高亮度,而其亮度不高往往成为应用的障碍,这种情况与光学有相似之处。光学中光源的亮度已因激光的出现而大幅度提高。 与光子不同,电子是费米子,在单一相格内只可能有自旋不同的二个电子而不能无限增     

等离子驱动微小碎片加速器机理及运行参数

毫米以下尺寸微小碎片在近地空间存在数量大, 对航天器暴露材料的长期累积侵蚀作用成为影响航天器寿命和可靠性的重要因素, 在航天器的空间环境适应性设计中必须予以考虑. 为了模拟研究空间微小碎片对航天器材料的撞击效应, 研制了等离子体驱动的微小碎片加速器. 本文对加速器的核心过程—— 等离子体的加速、压缩进而形成超高速等离子体射流的物理过程建立了物理模型, 并进行了计算以及与实验结果的对比分析, 揭示了加速过程的物理机制, 为加速器的优化设计提供了依据. 同时, 通过一系列实验研究, 确定了加速器运行的最佳工作参数, 并初步获得了加速器的加速能力范围.     

光发射电子与原子分子高Rydberg态的产生

在飞行时间质谱上 ,用 532和 355nm激光照射到不锈钢板上 ,产生光发射电子束 .利用这种电子束产生了原子分子的高Rydberg态 ,结合脉冲场致电离技术 ,可以清楚地分离出直接电离产生的离子和高Rydberg态场致电离产生的离子 ,从而可以研究高Rydberg态的产生及性质与实验条件的关系 .给出了ArRydberg态与电子束加速电压的关系 .     

新型聚苯胺团簇的飞秒非线性吸收

发展新型的光子开关在光计算和光通讯领域里具有重要的意义.团簇——作为空间尺度,是零点几到几十纳米的原子或分子的微观和亚微观聚集体显示出与通常固体材料不同的电子和光学性质.目前,无机纳米材料大的三阶非线性光学效应已引起了国内外的重视,深入的研究可望将团簇开发成一类具有特殊性能的非线性光学材料.本文报道一种嵌埋于有机玻璃(PMMA)中的聚苯胺(PAn)团簇的飞秒非线性光学特性.采用飞秒瞬态吸收激光光谱技术分别测量了近共振和非共振条件下的PAn团簇的光激发和弛豫过程,测量结果显示出PAn团簇的量子尺寸效应导致了其具有比纯聚苯胺固体薄膜更快的光学响应过程.     

激光加速质子束肿瘤治疗研究现状与展望

质子放射治疗是现代癌症治疗的重要手段之一,由于其精确的靶区剂量递送和良好疗效而得到了广泛的关注.基于高功率激光器的激光质子加速技术有望通过小型化和低复杂度等优势为质子治疗提供具有竞争力的加速方案.同时,激光质子束还具有宽能谱、超高瞬态流强和超短脉冲等特点,为探究超高剂量率放疗导致的生物学效应及可能的优势提供了有利的研究条件.在过去的数年里,我们借助北京大学紧凑型激光等离子体加速器以及在建的北京激光加速创新中心实验平台,陆续开展了涵盖激光质子加速、束流传输控制、辐射生物学和免疫学等方面的理论与实验研究,以探讨激光质子放疗的可行性与优势.本文从这些方面对国内外前沿研究进行了总结,并着重探讨了剂量递送与生物学效应方面的研究进展和面临的问题,最后对激光质子放疗的未来发展前景进行了讨论和展望.     

原子的激光冷冻与俘获

《原子的激光冷冻与俘获》一文介绍了原子激光冷冻现象,即原子在激光“光学糖浆”中,速度变慢,原子冷冻。而激光俘获则是指激光非均匀光场的“光偶极力”将原子俘获入“陷阱”。可供对此有兴趣的读者阅读。     

线聚焦激光辐照栅状结构靶的发射特性

近年来,世界范围内X射线激光研究在多方面取得了较大进展,引起人们广泛的注意,特别是,其中有关提高具有潜在实用价值的复合泵浦X射线激光的增益长度积(GL值)的研究是最活跃的前沿课题之一.采用新的靶型以加速冷却是一种可能的有效途径.此外,对不同结构的靶型,等离子体不均匀性的平滑和增长是大家关注的焦点问题.本文报道了线聚焦1.05μm激光辐照具有空间周期刻槽结构的栅状靶所产生等离子体的发射特性的实验研究结果.文中从空间和时间分辨的线状等离子体轴向和侧向软X射线光谱测量,空间分辨的电子温度和电子密度诊断,以及等离子体二次谐波发射测量等角度研究了栅状结构靶与激光相互作用的物理过程.通过与平面靶比较,实验观察到若干可能的激光跃迁的轴向发射增强等重要现象,表明采用这种结构的靶将可能提高复合X射线激光的增益.