一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统的制作方法

1.本实用新型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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.本实用新型目的在于提供一种具有持续性好，成本低，占地面积小等特点的基于激光尾波场加速的激光
‑
气体靶的空间环境模拟系统。
5.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飞秒激光产生装置、真空室、光学传输装置、激光聚焦装置、气体靶、用于产生偏转磁场的磁铁以及测试靶系统；
6.所述光学传输装置、激光聚焦装置、气体靶和磁铁均设置在真空室内；
7.所述测试靶系统包括测试靶和与测试靶电连接的计算机；
8.所述高重频飞秒激光产生装置用于产生khz的高重频飞秒激光，所述高重频飞秒激光依次通过真空室内的光学传输装置和激光聚焦装置将高重频飞秒激光聚焦，聚焦后的高重频飞秒激光沿所述气体靶的轴线射入所述气体靶内，高重频飞秒激光与所述气体靶相互作用得到能量为指数下降分布的电子束，所述电子束经过偏转磁场后作用在测试靶系统的测试靶上。
9.进一步的，还包括设置在真空室内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、分布为高斯分布的气体。
10.进一步的，所述高重频飞秒激光产生装置包括依次相连的高重频激光器、滤波器和压缩放大器。
11.进一步的，所述真空室内设有用于电子束经过偏转磁场偏转后射出的窗口。
12.进一步的，所述高重频飞秒激光产生装置产生的两束激光之间的间隔为0.001s；
激光能量范围1～100mj。
13.进一步的，所述气体靶采用he或者h2气体。
14.进一步的，所述气体靶长度为100～300μm。
15.进一步的，所述气体靶的气体密度为83.7～150.6g/m3。
16.本实用新型具有以下有益效果：
17.1、本实用新型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飞秒激光产生装置、真空室、光学传输装置、激光聚焦装置、气体靶、用于产生偏转磁场的磁铁以及测试靶系统；所述高重频飞秒激光产生装置用于产生khz的高重频飞秒激光，所述高重频飞秒激光依次通过真空室内的光学传输装置和激光聚焦装置将高重频飞秒激光聚焦，聚焦后的高重频飞秒激光沿所述气体靶的轴线射入所述气体靶内，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；所述电子空泡结构壳层的回流电子注入到空泡内部并加速，得到能量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。本实用新型在实验上可以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，本实用新型在实验上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，从而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。
18.2、本实用新型提供的一种基于激光尾波场加速的空间环境模拟系统，与现有的激光
‑
固体靶方案相比，采取khz级别的激光重频，所需激光能量更低，获得电子束通量更大，模拟的可持续性、经济性较好。同时，可通过调节气体靶的长度以及激光强度，能够产生不同的指数分布电子通量，从而模拟不同条件下的空间电子环境，适用范围广。
19.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
20.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
21.图1是本实用新型空间环境模拟系统的结构示意图；
22.其中，1、高重频飞秒激光产生装置，11、高重频激光器，12、高重频激光，13、滤波器，14、压缩放大器，15、高重频飞秒激光，2、光学传输装置3、激光聚焦装置，4、气体靶，41、气体喷嘴，42、加速电子，5、磁铁，6、真空室，61、窗口，7、测试靶系统，71、测试靶，72、信号线，73、计算机；
23.图2是本实用新型优选实施例最终得到的电子能谱图；
24.图3为本实用新型优选实施例得到的加速电子在x
‑
y平面的发散角。
具体实施方式
25.以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权
利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
26.如图1所述，本实用新型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飞秒激光产生装置1、真空室6、光学传输装置2、激光聚焦装置3、气体靶4、用于产生偏转磁场的磁铁5以及测试靶系统7；
27.所述光学传输装置2、激光聚焦装置3、气体靶4和磁铁5均设置在真空室6内；
28.所述测试靶系统7包括测试靶71以及通过信号线72与测试靶电连接的计算机73；
29.所述高重频飞秒激光产生装置1用于产生khz的高重频飞秒激光，所述高重频飞秒激光依次通过真空室内的光学传输装置和激光聚焦装置将高重频飞秒激光聚焦，聚焦后的高重频飞秒激光沿所述气体靶的轴线射入所述气体靶内，高重频飞秒激光与所述气体靶相互作用得到能量为指数下降分布的电子束，所述电子束经过偏转磁场后作用在测试靶系统7的测试靶71上。
30.所述气体靶4通过设置在真空室的气体喷嘴41产生；所述气体喷嘴为亚声速或超声速喷嘴，能产生几百微米长、分布为高斯分布或近高斯型的气体。所述高重频飞秒激光产生装置产生的两束激光之间的间隔为0.001s；激光能量范围为1mj至100mj。所述气体靶采用he或者h2气体。气体靶长度为100～300μm。所述气体靶的气体密度为83.7～150.6g/m3。通过调节气体靶的长度以及激光强度，能够产生不同的指数分布电子通量，从而模拟不同条件下的空间电子环境。
31.所述高重频飞秒激光产生装置1包括依次相连的高重频激光器11、滤波器13和压缩放大器14。所述真空室内设有用于电子束经过偏转磁场偏转后射出的窗口61。光学传输装置2和激光聚焦装置3均为现有技术中常用的反射镜和离转抛物面镜等光学元件。
32.具体的工作过程为：由高重频激光器11产生khz的高重频激光12，经过滤波器13调整激光的振幅和相位，随后经过压缩放大器14，激光脉宽被压缩为飞秒量级，形成khz的高重频飞秒激光15，入射到真空室6中，经过光学传输装置2传输至激光聚焦装置3，在聚焦系统中，激光焦斑缩小，能量密度进一步提升，随后激光通过气体靶4，所述气体靶为由亚声速气体喷嘴41喷出的百微米量级长度稀薄氢气，激光与该气体相互作用产生加速电子42，加速电子经过由磁铁5形成的偏转磁场，受到偏转磁场的整形与偏转作用，电子出射方向与激光前进方向分离，并由窗口61射出，与测试靶系统7作用。其中，71为测试靶，电子与测试靶作用产生的电信号经过信号线72传输至计算机73，并在计算机上进一步分析高能电子对测试靶产生的辐照毁伤效应。
33.工作原理为：当超短超强激光脉冲在低密度气体中传输时，激光束电场首先将气体电离成等离子体，此时，激光的有质动力推动等离子体中电子向前运动，离子由于质量较大保持不动，电荷分离导致空间电子震荡激发等离子体波，在非线性情况下形成电子空泡结构，空泡致密壳层电子回流到空泡尾部进而注入到空泡内部，形成加速电子束，得到能量呈指数下降分布，最大截止能量10mev，每秒通量达到100纳库，发散角在30
°
以内，能够模拟空间辐射环境的电子束，该电子束经过偏转磁场偏转，与透射激光束方向分离，排除透射激光束对测试材料的影响，最终，所述电子束与测试靶作用，获得空间电子束与物质相互作用的实验结果。
34.以下结合具体实施例，对本实用新型方案进行详细说明和解释。
35.一种基于激光尾波场电子加速的空间环境模拟系统，所述系统包括高重频飞秒激
光产生装置、真空室、光学传输装置、激光聚焦装置、气体靶、用于产生偏转磁场的磁铁以及测试靶系统；所述光学传输装置、激光聚焦装置、气体靶和磁铁均设置在真空室内；所述测试靶系统包括测试靶和计算机，测试靶通过信号线与计算机相连。所述高重频飞秒激光产生装置包括依次相连的高重频激光器、滤波器和压缩放大器。本实施例中所用产生的高重频激光的波长为0.8μm，焦斑半径为3μm，脉宽10fs。在本实施例中采用三次模拟，激光的归一化强度分别为a0＝1.5，1.8，2，即激光聚焦功率密度分别为i0＝4.82
×
10
18
，6.94
×
10
18
，8.57
×
10
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w/cm2，所需激光能量分别为e0＝11.2，16.1，19.9mj。所述激光与气体相互作用的过程中，等离子体内的电子数密度为6.4
×
10
25
/m3，采用h2气体，则其密度为107.1g/m3，气体靶长度为100μm，为减小激光入射和出射过程中反射产生的能量损失，该等气体密度分布为梯形分布(对应的气体电离为等离子体，则气体靶中气体密度分布也为梯形分布)，在等离子体的前20μm和最后20μm分别设置密度均匀上升和下降沿。由于离子质量远大于电子质量，当激光强度不高时，激光的有质动力无法有效驱动离子运动，在此物理过程中，认为离子不运动。激光与等离子体作用产生的加速电子束，经过偏转磁场的偏转作用，使电子束与激光束的方向分离，排除透射激光对测试靶的影响，最终与测试靶作用，进而获得空间电子通量与物质相互作用的实验结果。
36.本实施例中，计算机模拟最终得到的电子能谱分布如图2显示，在三次模拟中，均获得了近似指数下降的电子分布。其中，激光功率i0＝8.57
×
10
18
w/cm2时，电子能量最大值约为34mev，得到电子通量为111.75nc/s；i0＝6.94
×
10
18
w/cm2时，电子能量最大值约为18mev，得到电子通量为109.08nc/s；i0＝4.82
×
10
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w/cm2时，电子能量最大值约为8mev，得到电子通量为109.79nc/s。计算机模拟显示，该方案能够较精确地模拟空间环境下的电子能量分布。
37.本实施例中，最终得到的加速电子在x
‑
y平面的发散角如图3所示，加速电子发散角大多集中在30
°
以内，在0
°
有峰值，其准直性较好。
38.本实用新型通过khz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，本实用新型在实验上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，从而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。同时，通过调节气体靶的长度以及激光强度，能够产生不同的指数分布电子通量，从而模拟不同条件下的空间电子环境，适用范围广。
39.以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。