应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法与流程

本发明涉及电子选能器，具体涉及一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法。

背景技术：

tajima和dawson于1979年首次提出了利用超短脉冲激光在等离子体中激发起等离子体波以加速电子的概念。当一束脉冲激光在密度低于临界密度的冷等离子体中传播时，激光的有质动力会将等离子体电子从激光通过的区域向两边排开。在激光通过后，空间电荷分离力又会将这部分电子拉回它们原来的位置，导致电子在它们的位置附近震荡，在等离子体中激发起波，并且这种波导致的电场存在轴向分量。这种激发的波会跟随激光在等离子体内传播，其相速度接近光速。相对论性的电子束可以随着该波在等离子体内传播，并且在很长的距离内处在加速的轴向电场中，被加速到很高的能量。这种加速机制的加速梯度受到非相对论性波破条件限制。

在十多年前，采用啁啾脉冲放大技术获得超短强激光脉冲后，人们发现产生大振幅等离子体波变得更容易，实验上获得的加速电子能量也逐渐增大。早期实验发现这些加速电子通常有很宽的能谱，不适合于实际应用。2004年9月，nature杂志同时刊登了来自法国，英国和美国三个科研小组的研究成果，3个实验室独立实现用等离子体波加速产生准单能的能量在100mev左右的电子束，使得激光等离子体加速成为非常热门的研究课题，这为后期电子束的应用增添了很大信心。

激光尾波场加速器本身相对与传统的电子加速器具有尺寸小、加速梯度大、性价比高等优点，并且lwfa加速器输出的电子束具有束斑小、脉冲窄(飞秒量级)、亮度高等特点，在许多领域都有很好的应用前景。但是电子束流品质主要在注入、加速与传输三个阶段受到影响，具有大的发散角，大的能散的缺点。对于进一步的实验应用，如背向康普顿散射光源和自由电子激光等有着至关重要的影响。

这就为电子选能器的研发提供了应用前提。电子选能器能为后端应用端提供单能的电子束，为激光等离子体加速器产生的准单能电子束的应用提供保障。

2012年，日本的miura等人第一次在实验上证实了使用激光尾波场加速器输出的电子束通过逆康普顿散射能够产生硬x射线。飞秒激光脉冲(800nm，700mj，40fs)入射到1.7×10¹⁹cm^-3的氦气喷嘴上，通过尾波场加速机制，输出了90pc、中心能量在65mev的准单能电子束。该电子束与斜入射的飞秒激光(800nm，140mj，100fs)发生碰撞，通过逆康普顿散射机制，高能电子将能量传递给光子，实验上通过使用对x射线感应的成像屏探测到了能量约为60kev，发散角为～5mrad的硬x射线，实验效率为单发脉冲产生～2×10⁷个光子。

所以，可以利用选能器甄选出的合适能量的电子与强激光对撞搭建平台式逆康普顿散射光源。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器及选能方法。

本发明的一个目的在于提出一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器。

本发明的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器包括：第一至第四磁铁、选能结构和屏蔽结构；其中，选能结构设置在第二磁铁与第三磁铁之间；激光尾波场电子加速得到的电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，依次经过第二磁铁的磁场、选能结构和第三磁铁的磁场，从第四磁铁的磁场出射；在第四磁铁的尾部放置屏蔽结构；磁场的方向沿y轴，第一磁铁的磁场方向与第四磁铁的磁场方向相同且大小相等，第二磁铁与第三磁铁的磁场方向相同且大小相等，并且第一磁铁的磁场与第二磁铁的磁场方向相反；电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，在y方向磁场的作用下，电子束的运动轨迹沿z轴方向发生偏移并且与x轴有夹角，能量越低的电子偏离越大，从而电子束按照能量不同，沿z轴依次排开；第二磁铁的磁场方向与第一磁铁相反，设置第二磁铁的磁场的大小和尺寸，使得从第二磁铁出射的电子束与x轴的夹角为0；电子束沿x轴从第二磁铁出射进入选能结构，选能结构为具有一定厚度的平板，并且中间具有平行于x轴的狭缝，狭缝的位置位于所需能量的电子所处的z轴的位置，从而所需能量的电子束穿过选能结构的狭缝进入第三磁铁；依次经过第三和第四磁铁后，所需能量的电子沿z轴的偏移量为0，并且沿x轴方向从第四磁铁出射，从而将所需能量的电子甄选出来；放置在第四磁铁尾部的屏蔽结构屏蔽射线。

每一块磁铁包括磁轭和磁钢，其中，磁轭为回形的框体，一对相对的内表面分别设置有磁钢。两个磁钢的磁极面具有间隙，具有发散角的电子束从两个磁极面之间穿过，相对的两磁钢的磁极面之间选择合适的间隙，以避免或者尽量减小电子束打到磁极面上。根据电子束的发散角、电子源距离第一磁铁的距离以及在磁铁中漂移的距离计算得到磁极面的间隙。

进一步，在磁轭上没有设置磁钢的一个侧面设置有开口，如果电子束沿x轴正方向进入第一磁铁的磁场，第一磁铁的磁场方向沿y轴正方向，则第二磁铁的磁场沿y轴负方向，电子束进入第一磁铁，在磁场的作用下，电子束的运动轨迹沿z轴负方向发生偏移并且与x轴有夹角，能量越低的电子偏离越大，在第一磁铁位于z轴负方向的磁轭设置有第一开口，能量低于选择阈值的电子从第一开口处偏出磁铁；第二磁铁的磁场方向与第一磁铁相反，第二磁铁位于z轴正方向的磁轭设置有第二开口，既可以防止高能电子直接打在磁轭上引起高能轫致辐射，又可以通过从开口处插入屏蔽材料，以屏蔽背景辐射；如果电子束沿x轴正方向进入第一磁铁的磁场，第一磁铁的磁场方向沿y轴负方向，则第二磁铁的磁场沿y轴正方向，则在第一磁铁位于z轴正方向的磁轭设置有第一开口，能量低于选择阈值的电子从第一开口处偏出磁铁，第二磁铁位于z轴负方向的表面设置有第二开口。

在第一磁铁的开口的外侧放置ip板，进行低能电子的监测。

第一磁铁与第二磁铁，以及第三磁铁与第四磁铁之间有间距，两个磁场方向相反的磁铁并排放置，极性相反的磁极面会产生磁场，会对磁铁本身的磁场造成干扰，影响磁铁原有磁场的均匀性，为了保持磁场的均匀性，两块磁钢之间留有间距，间距为3mm～10mm。

选能结构的厚度以及狭缝的宽度影响整个装置的能量分辨率，选能结构的材料还会影响电子的选能效果以及轫致辐射的屏蔽效果。对于低散角的电子束，选能结构的狭缝的能量分辨率低于第一和第二磁铁的固有分辨率，但是对于高散角电子束团来说，狭缝起到很好的提高能量分辨率的作用。当狭缝的宽度取1mm，电子选能后的能量分辨率优于1％。选能结构的厚度，使得所需能量电子附近的电子束的能量有所衰减，能量偏离得更多，从而更明确地分离开，提高分辨率。狭缝的宽度、选能结构的厚度和磁铁固有分辨率决定分辨率。

狭缝的存在，其宽度大小决定了分辨率的大小，但是也减小了流强，所以要综合考虑，狭缝设置为大小可调的，方便后续对束流流强和电子能量分辨率的调节。根据能量分辨率的要求计算得到选能结构的厚度和狭缝的宽度。

鉴于完全屏蔽掉高能电子需要的选能结构的材料厚度比较大不符合节约空间成本的需求，本发明通过选能结构衰减电子束的办法，使得所需能量的电子经过选能结构的狭缝出射沿z轴偏移量为0的位置，而不需要的能量的电子则需要经过选能结构的材料衰减作用，使得它们的出射位置偏移z方向的偏移量为0的位置，从而达到把所需能量的电子甄选出来的效果。

选能结构的材料采用低原子序数的材料，如铝。

本发明的另一个目的在于提供一种应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能方法。

本发明的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能方法，包括以下步骤：

1)激光尾波场电子加速得到的电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，依次经过第二磁铁的磁场、选能结构和第三磁铁的磁场，从第四磁铁的磁场出射；磁场的方向沿y轴，第一磁铁的磁场方向与第四磁铁的磁场方向相同且大小相等，第二磁铁与第三磁铁的磁场方向相同且大小相等，并且第一磁铁的磁场与第二磁铁的磁场方向相反；

2)电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，在y方向磁场的作用下，电子束的运动轨迹沿z轴方向发生偏移并且与x轴有夹角，能量越低的电子偏离越大，从而电子束按照能量不同，沿z轴依次排开；

3)第二磁铁的磁场方向与第一磁铁相反，设置第二磁铁的磁场的大小和尺寸，使得从第二磁铁出射的电子束与x轴的夹角为0；

4)电子束沿x轴从第二磁铁出射进入选能结构，选能结构为具有一定厚度的平板，材料采用低原子序数的材料，并且中间具有平行于x轴的狭缝，狭缝的位置位于所需能量的电子所处的z轴的位置，通过调整狭缝的位置以及选能结构的厚度，使得所需能量的电子束穿过选能结构的狭缝进入第三磁铁；

5)依次经过第三和第四磁铁后，所需能量的电子沿z轴的偏移量为0，并且沿x轴方向从第四磁铁出射，从而将所需能量的电子甄选出来。

本发明的优点：

本发明采用电子束依次经过四块磁铁，第一和第四磁铁的磁场方向相同，第二和第三磁铁的磁场方向相同，并且第一与第二磁铁的磁场方向反向，在第二与第三磁铁之间设置选能结构，从而所需能量的电子从第四磁铁出射后沿入射方向并且偏移量为0；本发明能选出50mev～100mev以下的电子束；高能量分辨率，对于100mev的电子束能达到1％的能量分辨率；能对50mev以下的低能电子进行监测；能够消除高能电子及背景辐射的干扰；能够消除电子的横向偏转，使得出射方向和入射方向保持一致；电子出射位置固定有利于和强激光对撞实验的实现，使得后续实验更加便捷。

附图说明

图1为本发明的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器的一个实施例的原理图；

图2为本发明的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器的一个实施例的选能结构的原理图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的应用于激光驱动尾波场加速器中的电子选能器包括：第一至第四磁铁1～4、选能结构5和屏蔽结构6；其中，选能结构5设置在第二磁铁2与第三磁铁3之间；激光尾波场电子加速得到的电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，依次经过第二磁铁的磁场、选能结构和第三磁铁的磁场，从第四磁铁的磁场出射；磁场的方向沿y轴，第一磁铁的磁场方向与第四磁铁的磁场方向相同且大小相等，第二磁铁2与第三磁铁3的磁场方向相同且大小相等，并且第一磁铁的磁场与第二磁铁的磁场方向相反；在第四磁铁的尾部设置屏蔽结构6；电子束沿x轴方向进入第一磁铁的磁场，在y方向磁场的作用下，电子束的运动轨迹沿z轴方向发生偏移并且与x轴有夹角，能量越低的电子偏离越大，从而电子束按照能量不同，沿z轴依次排开；第二磁铁的方向与第一磁铁相反，调整第二磁铁的磁场的大小和尺寸，使得从第二磁铁出射的电子束与x轴的夹角为0；电子束沿x轴从第二磁铁出射进入选能结构5，选能结构为具有一定厚度的平板，平板的表面所在的平面平行于yz面，并且中间具有平行于x轴的狭缝，狭缝的位置位于所需能量的电子所处的z轴的位置，从而所需能量的电子束穿过选能结构的狭缝进入第三磁铁；依次经过第三和第四磁铁后，所需能量的电子沿z轴的偏移量为0，并且沿x轴方向从第四磁铁4出射，从而将所需能量的电子甄选出来；放置在第四磁铁尾部的屏蔽结构屏蔽射线。

本实施例中，电子束沿x正方向，第一和第四磁铁的磁场沿y轴正方向(垂直纸面向内)，第二和第三磁铁的磁场沿y轴负方向(垂直纸面向外)，第一磁铁的磁轭的下侧面开口，第二磁铁的磁轭的上侧面开口。为了方便拼接组合进行后续的安装，四块磁铁除了开口方向不同以外，其他设计采用相同的尺寸。单块磁铁的尺寸如下：

通过磁铁模拟可以得到，整个选能器磁铁的设计具有以下特点：

a)第一和第二磁铁完全相同，第二和第三磁铁完全相同；

b)第一和第二磁铁的间距为1mm，第二和第三磁铁的间距在5mm内，对磁场以及电子束影响很小基本可以忽略；

c)第一和第二磁铁沿z轴错开的距离取决于选能的范围等因素，对于50mev～100mev的选能一般错开35～55mm足以满足需求；

d)第二和第三磁铁中间的选能结构的缝隙可以较大范围调节，满足的放置选能结构衰减层的需求；

e)对于50～100mev的电子，磁铁长度为10cm，在狭缝区域损失1mev的电子能量，那么在第四磁铁出口端与零点的偏移量最小可达0.3mm，即300μm，对于激光焦斑来说大了很多，满足对撞的要求。

磁铁的设计能够满足不同能量的电子在第二与第三磁铁处分开，并且能量与位置关系一一对应；同时能够满足出射电子和入射电子沿z轴偏移量为0的要求。

四块磁铁的固有能量分辨率主要由不同能量的电子束在经过第一和第二磁铁的分离后的束斑大小决定。

电子选能器对于发散角为1mrad的100mev的电子束流的固有能量分辨率优于1％。

从电子在电磁场中的基本规律可以得出：

a)不管电子束的发散角多少，能散多少，经过四块磁铁后，出射电子和入射电子在z方向上的偏移量为零；

b)经过四块磁铁后不改变电子的运动状态，电子的出射角和入射角相等，只是时间前后存在改变；

c)电子经过选能结构的狭缝时，所需的电子通过选能结构狭缝的位置和宽度选择，不需要的电子由于经过选能结构衰减材料，能量存在一定的损失，本来可以回到偏移量为零的位置的电子损失能量后，其经过第三和第四磁铁后，偏移量变大，所以其总偏移量在中心位置的上方，大小取决于损失能量的大小，电子束的能量以及磁铁的参数；

d)对于50-100mev的电子，磁铁的长度为10cm，在狭缝区域损失1mev的电子能量，那么在第四磁铁的出口端与零点的偏移量最小可达0.3mm，即300μm，对于激光焦斑来说大了很多，满足对撞的要求；

e)对于狭缝开孔而言，综合考虑束流流强，能散以及电子束能量的影响，应该设计成可调节的模式，除了位置可以调节外，开孔的大小应该也可以调节，精度最好可以达到1mm以下。

如图2所示，综合考虑束流强度和电子能量分辨率，位置按能量确定，宽度由分辨率决定，选能结构的厚度为2mm，狭缝宽度为1mm，材料采用al板。

通过casino模拟100mev的电子在al板中的运动轨迹，参考阻止本领，对于50mev电子，al，2mevcm²/g，所以铝板的厚度只需要0.159cm，即1.59mm。对于100mev的电子，al，6mevcm²/g，所以铝板的厚度只需要0.145cm即1.45mm。

综合考虑空间需求和选能器的整体效果，本发明并不准备屏蔽超出我们需求的高能的电子，而是打算通过平移第三磁铁的位置来使超出需要的电子偏转出去，具体移动距离可以根据要抛弃电子束的能量调整第三磁铁的下拉距离。不同能量的电子经过第一和第二磁铁后的偏移距离可以由电子在磁场的运动轨迹计算得到。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。