10GeV电子加速的多级气体靶系统的制作方法

10gev电子加速的多级气体靶系统
技术领域
1.本发明涉及飞秒相对论超强激光脉冲与等离子体相互作用的研究领域，具体来讲，是适用于超高能量电子加速的气体靶系统。


背景技术：

2.激光驱动电子加速研究领域的迅速发展依赖于飞秒激光技术的迅速提升。目前为止，世界上多个拍瓦(pw，10
15
瓦)激光装置稳定运行，10pw激光装置也相继建成，逐步进入物理实验阶段。特别是在中国，若干年内将会建成多个10pw飞秒激光装置和一个100pw飞秒激光装置。随着激光脉冲输出功率越来越高，将会给紧凑型粒子加速领域带来全新的发展。基于超强飞秒激光脉冲驱动的电子加速可以获得高达100gv/m的加速场，高于传统加速器三个数量级以上，因此加速距离就小三个数量级，为紧凑型加速器的建立提供可能。超快高品质gev电子束的产生对未来的自由电子激光、实验室天体物理以及高能物理等也将带来深远的影响，例如高亮度伽马光源、强场qed物理和未来的正负电子对撞机等均需要高稳定性的高品质1～10gev甚至更高能量的电子束。
3.自tajima等人提出激光驱动电子加速的理论至今四十年来，研究最广泛且最稳定的加速机制为激光尾场加速的空泡机制。2006年，leemans等人利用3cm长的毛细管气体靶突破了1gev的电子束能量；而后2014年，同一个研究小组将电子束能量提高至4.2gev；直至2019年，才将电子束的能量进一步提高到7.8gev。可以看到，电子束能量达到gev以后，继续提升的难度非线性增加。究其原因，是不能有效地实现稳定空泡结构的长距离传输。以往的理论表明，限制激光尾场加速电子束能量提高的因素主要来自于三个方面，即电子束失相长度、激光的能量损耗长度和散焦效应。通过降低气体密度，可以有效增加电子束的失相长度，但是气体密度降低之后，相应的加速场梯度也会下降，则需要更长的加速距离。理论表明，面向10gev电子加速的气体靶长度至少25cm。
4.目前将低密度气体靶(<1
×
10
18
cm-3
)的长度提高至>10cm的解决方案有两种：毛细管和气体盒子。
5.毛细管一般需要在两端加高压，通过放电产生等离子体通道，可提供纵向密度分布相对均匀的低密度气体靶，目前单级最长为20cm。
6.充气盒子是另一种基于低密度气体靶实现高能电子加速的方案；其横向尺寸一般大于1cm，两端的小孔尺寸一般为1～2mm，用于激光脉冲的传输，单级气体盒子长度可达到15cm；若单级气体靶长度继续增加，气体靶的纵向均匀性控制将会面临大的技术挑战。同时，激光尾场电子加速的理论表明，纵向气体密度有规律的变化可调，更有利于优化电子加速过程而提高电子束的输出能量。目前实验上，利用两级加速可以将电子束的注入过程和加速过程分开，原理上验证了级联加速的可行性且电子束能量接近gev。若解决10gev的电子束能量瓶颈，通过调控气体纵向密度优化电子束的加速过程是非常必要的。其可行的调控方案就是气体靶的多级级联加速方案，除注入级外，加速级大于等于3级。因此，若电子加速研究实现10gev能量突破，多级气体靶系统是必不可少的。


技术实现要素：

7.本发明的主要目的是为超强激光驱动尾场电子加速中突破10gev的能量瓶颈，提供一种电子多级级联加速的多级气体靶系统。该系统兼具实用性和灵活性等特点，可实现气体靶长度调节并且纵向密度曲线的多段规律可控。
8.本发明的技术解决方案如下：
9.一种适用于10gev电子加速的多级气体靶系统，其特点在于，该系统包括n级以上的气体靶单元、n-1个级间连接装置，气体靶调节装置和n-1个支撑结构，所述的气体靶调节装置包括五维电动靶台和平移台控制器，所述的n个气体靶单元由n-1个长度固定的气体靶单元和一个长度可调的气体靶单元构成，其中n为≥3的正整数。所述的单个长度固定的气体靶单元构成包括气体靶主体结构、透明材质观察窗、进气管道、气压感应器、气压控制器和高压气瓶。所述的进气管道将所述的气体靶主体结构与所述的高压气瓶相连，在所述的进气管道上设置所述的气压控制器，在所述的气体靶主体结构上设置所述的透明材质观察窗和气压感应器，所述的长度可调的气体靶单元的构成包括与所述的长度固定的气体靶单元相同的结构外，还包括一个一维电动平移台，在所述的五维电动靶台上依次设置n-1个支撑结构和一维电动平移台，沿激光传输方向在所述的n-1个支撑结构上分别依次设置所述的n-1个长度固定的气体靶单元，在所述的一维电动平移台上设置所述的长度可调的气体靶单元，通过所述的n-1级间连接装置将所述的n-1个长度固定的气体靶单元和一个长度可调的气体靶单元依次相连并共光轴连通，除所述的高压气瓶和部分进气管道外，所有装置均位于真空靶室内。
10.所述的固定长度的气体靶单元的长度为1cm～20cm。
11.所述的长度可调的气体靶单元，可调节的最大长度根据实验需求设定为l，所述的一维电动平移台需要满足0-lcm调节范围，调控精度<1mm，可实现的最大长度为20cm。
12.所述的级间连接装置为双向空心橡胶圈，空心直径<1mm，使得主激光脉冲通过，同时可以有效实现各级气体靶之间，连接无空隙，气体密度保持连续且各级气体靶参数相对独立。
13.各级气体靶单元可以实现独立测量和控制气体靶参数。多级气体靶组合后，通过支撑结构放置在一个五维电动靶台上，通过电动平移台实现多级气体靶的整体姿态调节。
14.本发明的技术效果如下：
15.本发明兼具实用性和灵活性等特点，可实现气体靶长度调节并且纵向密度曲线的多段规律可控。
16.本发明首次提出利用3级及以上的多级气体靶方案，有效调控气体靶的长度和纵向密度分布曲线，实现电子束的长距离加速而将电子束能量提升至10gev及以上。本发明对激光驱动尾场加速研究中突破10gev能量挑战提供了可行的气体靶实现方案，技术上可以通过多级气体盒子或者毛细管来实现。
附图说明
17.图1为本发明多级气体靶系统的结构示意图。
18.图2为单个气体靶单元的独立控制结构示意图。
具体实施方式
19.为让本发明的实施方案能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
20.先请参阅图1，图1为本发明多级气体靶系统的结构示意图。由图可见，本发明适用于10gev电子加速的多级气体靶系统，包括n级以上的气体靶单元a、n-1个级间连接装置b，气体靶调节装置c和n-1个支撑结构d，所述的气体靶调节装置c包括五维电动靶台c-1和平移台控制器c-2，所述的n个气体靶单元a由n-1个长度固定的气体靶单元a-a和一个长度可调的气体靶单元a-b构成，其中n为≥3的正整数。参见图2，所述的单个长度固定的气体靶单元a-a构成包括气体靶主体结构a-1、透明材质观察窗a-2、进气管道a-3、气压感应器a-4、气压控制器a-5和高压气瓶a-6，所述的进气管道a-3将所述的气体靶主体结构a-1与所述的高压气瓶a-6相连，在所述的进气管道a-3上设置所述的气压控制器a-5，在所述的气体靶主体结构a-1上设置所述的透明材质观察窗a-2和气压感应器a-4，所述的长度可调的气体靶单元a-b的构成包括与所述的长度固定的气体靶单元a-a相同的结构外，还包括一个一维电动平移台a-7，在所述的五维电动靶台c-1上依次设置所述的n-1个支撑结构d和所述的一维电动平移台a-7，沿激光传输方向在所述的n-1个支撑结构d上分别依次设置所述的n-1个长度固定的气体靶单元a-a，在所述的一维电动平移台a-7上设置所述的长度可调的气体靶单元a-b，通过所述的n-1个级间连接装置b将所述的n-1个长度固定的气体靶单元a-a和一个长度可调的气体靶单元a-b依次相连并共光轴连通，除所述的高压气瓶a-6和部分进气管道a-3外，所有装置均位于真空靶室(详见图2虚线方框)内。
21.所述的固定长度的气体靶单元a-a的长度为1cm～20cm。
22.所述的长度可调的气体靶单元a-b，其可调节的最大长度根据实验需求设定为l，所述的一维电动平移台a-7需要满足0-lcm调节范围，调控精度<1mm，可实现的最大长度为20cm。
23.所述的级间连接装置b为双向空心橡胶圈，空心直径<1mm，使得主激光脉冲通过，同时可以有效实现各级气体靶之间，连接无空隙，气体密度保持连续且各级气体靶参数相对独立。
24.多级气体靶通过支撑结构d放置于一个五维电动靶台上，实现多级气体靶的整体姿态调节。
25.多个气体靶单元顺序连接，放置在同一五维电动靶台上，组合多级气体靶系统，主激光脉冲从左侧气体靶单元入口进入多级气体靶，与气体靶相互作用后，从右侧输出。
26.图1以3个固定长度的气体靶单元(5cm)和一个长度可调的气体靶单元(调节范围0-10cm)组合为例，介绍多级气体靶的组合方式。4级气体靶结构可以在实验过程中实现气体靶长度在15-25cm范围内连续调节。
27.目前20cm长度的单级气体靶在技术上可以实现，但仅能提供单一的纵向气体密度分布。而图1所示的4级气体靶组合后，总长度也可以实现20cm。但是，四个气体靶单元组合的方案中，20cm长的气体密度分布即可分为四段独立控制，因此可调控纵向气体密度曲线的上升或者下降等，为面向10gev电子加速中，优化电子的加速过程，提供了可行的气体靶
实现方案，从技术上解决了纵向气体密度曲线的分段控制问题。
28.图1的结构示意图仅为一个典型气体靶的组合示例，实际操作中，气体靶单元的组合可以灵活多样。例如，通过增加每一个气体靶单元的长度，如增加到10cm，或者增加气体靶单元的数目,如增加至5个气体靶单元，进而实现增加整个气体靶的长度。另外，还可以通过不同长度的气体靶单元自由排列组合，实现气体靶长度调节和气体靶纵向密度的分段调节。在实验实施过程中，级间连接装置将会是实验难点，所述的级间连接装置，即双向空心橡胶圈，可以有效实现各级气体靶之间，连接无空隙，气体密度保持连续。
29.图2给出单个气体靶单元的结构。包括气体靶单元主体结构a-1、透明材质观察窗a-2、气压感应器a-4、气压控制器a-5，进气管道a-3和高压气瓶a-6。可以看到，每个气体靶单元具有独立的进气管道a-3将所述的气体靶单元主体结构a-1与真空靶室外的高压气瓶a-6相连。所述的气压感应器a-4和气压控制器a-5等配合使用，实现压强的稳定控制。从制作可行性上看，固定长度的气体靶单元一般最小尺寸1cm，最大长度20cm，否则就目前的加工技术而言，会大大增加气体靶的制作难度。
30.多级气体靶的设计方案中，各个气体靶单元独立控制，即每增加一个气体靶单元，将会相应增加额外一套独立的进气管道和气压控制系统，增加了加工成本和技术难度。同时，控制系统还需要保证时间同步，即增加了整个气体靶系统的实施风险。因此，实验中根据对气体靶长度和气体密度曲线的实际需求合理选择气体靶单元的数目和设定长度。
31.上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。