1.一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于,该方法基于激光尾波场加速系统实现,激光尾波场加速系统包括激光器以及气体靶,激光脉冲经过聚焦后与气体靶相互作用,驱动激发等离子体波,并电离产生注入电子束;气体靶包括第一部分和第二部分,第一部分为由低原子序数气体与高原子序数气体组成的混合气体,所述混合气体的比例可调;所述第二部分为纯低原子序数气体;
所述方法包括以下步骤:
(1)提供峰值功率为太瓦量级、脉宽为飞秒量级、束腰半径为微米量级的激光脉冲;
(2)使激光脉冲进入注入级,所述注入级采用高原子序数气体与低原子序数气体的混合气体;激光脉冲与混合气体相互作用,电离低原子序数气体和高原子序数气体的外壳层电子,形成背景等离子体,并在驱动激光的作用下形成等离子体尾波场空泡;
(3)在激光脉冲的峰值强度附近电离高原子序数原子内层电子,由于电离率与激光电场的相位相关,电离产生的初始电子在空间上具有天然的调制,其纵向空间调制频率为2倍的激光波矢;
(4)被电离释放后的具有初始空间分布的电子滑向等离子体空泡尾部,不同初始位置的电子被投射到不同的加速相位,被尾波场的纵向电场加速,形成电子微聚束;
(5)使激光脉冲和电子微聚束进入加速级,所述加速级使用低原子序数气体,电子微聚束被持续聚束加速。
2.如权利要求1所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:所述注入级中高原子序数气体的密度分布沿混合气体分布的区域长度呈先增加、再持平、最后递减的趋势;其中,高原子序数气体的密度分布呈增加趋势的区域长度为L1,高原子序数气体的密度分布呈持平趋势的区域长度为L2,高原子序数气体的密度分布呈递减趋势的区域长度为L3。
3.如权利要求2所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:所述步骤(2)中,超强超短激光脉冲进入混合气体后,脉冲前沿完全离化低原子序数气体中原子的所有电子和高原子序数气体中原子的外层电子,形成背景等离子体;为了保证激光的稳定传输,加速级的等离子体密度与混合气体阶段注入级的背景等离子体密度保持一致。
4.如权利要求3所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:为了抑制连续注入、减小绝对能散,混合气体的长度尽可能短,混合气体的长度在百微米量级,以将能散控制在2%以下;同时为了控制电子束的横向发射度,我们将激光的矢势控制在高原子序数气体原子内层电子的电离阈值附近,从而将电子束的横向发射度控制在2毫米毫弧度以下。
5.如权利要求4所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:所述步骤(3)中,电子微聚束的能量200到1000兆电子伏特;电量1到100皮库;整体横向发射度在2毫米毫弧度以下;整体能散在2%以下,微束能散在1%以下;空间密度调制周期在3k0左右,k0为激光的波矢。
6.如权利要求4所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:所述步骤(1)中激光脉冲为一束高斯光束;所述步骤(2)中混合气体为氦氮混合气体,注入级的长度<200微米;加速级气体分布的长度为毫米量级。
7.如权利要求4所述的一种利用激光电离注入获得电子微聚束的方法,其特征在于:在步骤(3)中,分析微束电子束团六维相空间的演化,选择合适的激光等离子体参数,使得激光能稳定传输,使得电子束团在加速过程中能保持稳定的微聚束结构。