搜索
介质加速粒子的相关理论研究PASER（Particleaccelerationbystimulatedemissionofradiation）是运动的电子沿着激活介质移动时，储存在受激介质中的部分能量直接转移给电子，该种加速机制不需要高功率激光器；不需要微波驱动的电子枪；不需要相位匹配和滑相补偿；产生的尾场加速梯度有望达到1GV/m左右；成本低，结构简单、紧凑。一、单个束团在受激介质中运动时产生的尾场可以被有效放大单个电子束团穿过受激介质时会产生尾场，这个尾场会降低粒子反转密度，最终电子和场相互作用达到平衡。我们分别对在二氧化碳气体混合物和氟化氩混合气体中产生的尾场进行了模拟计算，发现加速梯度可以达到GeV/m的量级。下图给出了满足切伦科夫条件时的四个本征模：可以看出在一个范围本征频率既有实部（红色）也有虚部（蓝色）；因此混合模是切伦科夫辐射和受激介质膜的综合，可以空间增长。换句话说，切伦科夫辐射可以被受激介质放大。图1.本证频率随初始能量的变化图2，磁矢势随时间的变化曲线，当本征频率的虚部为负数时尾场指数增长。在所有的情况下，粒子数是反转的，但是只有在特殊的状态下，由上图，即频率有虚部时，切伦科夫辐射是放大的。图3，截止频率（与圆柱波导半径成反比）和粒子数反转密度作为参数时本征频率虚部（增长率）的变化曲线。可以看出，要达到尾场放大的效果，截止频率越高，要求粒子的速度越大。改变粒子数反转密度（等离子体频率），可以改变最佳驱动束团能量的范围和增长率的大小：当粒子数反转很小时，驱动束团能量范围很小，增长率很低；它的增大引起在较宽的驱动束团能量范围内增长率的增大。图4，束团在氟化氩混合气体介质中运动时产生的尾场图5，束团在二氧化碳混合气体介质中运动时产生的尾场加速梯度可以达到GeV/m的量级。二、束团串在气体受激介质中的加速在受激辐射粒子加速（PASER）中，受激介质中处于激发态的电子跃迁到基态时辐射的光子能量直接以量子形式转移给从它旁边经过的电子。我们用一个二维分析模型估算了电子微束团串穿过稀薄共振介质时的能量交换，并对相对论电子束团串穿过受激介质时的能量增益进行了推导和计算研究:由推导的公式可以看出,当相邻微束团间隔与受激介质的共振波长相等，束团串可以显著地从受激介质吸收能量，而且吸收的能量与相互作用长度成正比;详细计算了相互作用长度为0.5m时，束团串穿过二氧化碳受激介质时各种参数对能量交换的影响。计算结果表明，相对论电子束团能量交换不受电子初始能量的影响；随着束流半径的增大下降得很快，因而要控制束流的横向尺寸。综合优化各种参数，可使电子束团获得较大动能。图7，动能增量随尾束团半径的变化，Δ=0.1𝜆0，M=80,初始动能𝐸𝑘作为参数。可以看出动能增量随位数团半径的增大而减小，在𝐸𝑘较大时不受初始能量影响。图8，宏束团动能的相对变化随在共振频率时储存在介质中的能量密度的变化。每个单电子的动能是45MeV，微束团长度设为Δ=0.1λ0，Nel=10^10。（a），电子束半径作为参数，M=80。（b），微束团个数作为参数，Rb=10λ0。可以看出宏束团获得的动能最大时的能量密度（最佳能量密度）不随束团半径Rb变化，但随M的减小而增大；增加微束团的数量M，动能相对变化的峰值减小—如图b。图9，宏束团动能增量随电子的平均动能的变化。宏束团半径为Rb=10λ0，微束团长度为0.1λ0，Nel=10^10。（a）微束团个数作为参数，wact=2mJ/cm^3。（b）在共振时储存在介质中的能量密度作为参数，M=80。由上图我们可以看出对相对论电子，电子束动能的增加不随初始动能γ变化而变化。动能增益峰值处的最佳初始动能Ek（opt）与M的取值无关；动能增益随着储存在介质中的能量密度的增加而增加。图10，（a）Rb作为参数，M=80，Ek=45MeV。宏束团动能增量随微束团长度的变化。（b）宏束团动能增量随微束团个数的变化，Ek作为参数，Δ=0.1λ0，Rb=10λ0。在两个图中，在共振时储存在介质中的能量密度设为wact=2mJ/cm^3，宏束团中的电子数位10^10。由a看出，在微束团的长度接近调制波长时能量增益消失，而对非常短的束团能量增益会达到最大值。由b，随着每一个微束团中电荷量的降低能量增益会下降。如前所述，加速是由于受激辐射过程，因此，考虑到储存在受激介质中的能量保持为常数，最后的事实是可以预见的。图11，（a）宏束团动能的相对变化随共振时储存在介质中的能量密度的变化，M作为参数。每个单电子的动能为45MeV。（b）宏束团动能增长虽微束团数量的变化，Ek作为参数，wact=2mJ/cm^3。在两个图中，微束团长度Δ=0.1λ0，Rb=10λ0。每个微束团中的总电荷数位8pC。可以看出：相对能量变化的峰值大小几乎与M无关，但是不同的M,获得最大动能时对应的储存在介质中的能量密度值不同。图(b)表明，对于相对论带电粒子，动能增益与初始动能无关；当微束团个数为100左右时，宏束团动能增量达到最大值。三、电子在受激介质存在时的潘宁阱中的聚束潘宁阱是一种能够将带电粒子约束在其中的装置，两端各安装了阴极，它们在纵向上限制带电粒子，使其向阱中间运动；用线圈产生的轴向磁场来限制电子的径向逃离。潘宁阱中PASER可以作为聚束器：不需要高功率激光器；不需要微波驱动的电子枪；不需要相位匹配和滑相补偿；可以自动聚束，聚束后的电子可以进入下一个PASER单元进行长距离加速。固态介质存在时，在考虑和不考虑常规散射情况下粒子在势阱中运动500圈后的电子系统总能量的相对变化（蓝色为不考虑散射的情况，红色为考虑散射的情况）可以看出，在这两种情况下，部分电子都从受激介质中获取了能量—主要是那些处于附近的电子。能量增益与增益介质有很大关系。不考虑常规散射（左图）和考虑常规散射（右图）情况下，粒子反转密度取不同值时，粒子在势阱中运行500圈后的相空间图。可以看出，随着粒子反转密度的增长，那些加速的电子的能量峰值比原来增加了很多，而减速电子能量的增加基本上没有变化。下图计算了气体受激介质存在于潘宁阱中时，不同粒子反转密度下，电子在势阱中来回运动500圈后的相对能量变化，它表明，随着粒子反转密度的增加，被减速的电子的能量基本没有变化，但是加速电子的能量峰值基本上增大了一倍。我们得出的主要的结论是：（i）不存在常规散射的情况下，大部分电子都能从介质中吸收能量；随着散射效应的增加，吸收能量的电子数减少。（ii）电子在潘宁势阱中运动许多个来回后，电子束能以介质的本征频率形成束团。第一类碰撞在某种程度上抑制了相对能量的变化但是不能避免聚束。（iii）电子被束缚在势阱中的时间越长，它们从介质中获取的能量就越多。同时，被减速电子的能量变化变慢。这个过程类似于激光器中的放大自发射（SASE）。从均匀的粒子束开始，受激介质促使粒子束形成束团，随着粒子束变成束团，能量的吸收变，于是不断的聚束。四、在含有同心介质层的球形传导腔中的电磁振荡在传统的直线加速器中，加速梯度的最大值主要受到传导腔金属壁的焦耳热损耗以及电场击穿的限制。在球形传导腔中加入小的电解质球，可以将磁场的最大值由腔的金属壁的附近转移到介质球的表面，从而极大地降低金属壁上的趋肤效应损耗。我们对这种新的加速结构进行了解析和数值计算分析，并用微波工作室进行了模拟。计算结果表明，在这种腔中的横向电磁振荡，可以用来加速相对论电子。这种共振器所有的电磁场分量在金属壁的附近或者为0或者非常小，因此这种腔与传统的腔相比更不容易发生电击穿。对现存的极低损耗的蓝宝石介质在共振频率为9.37GHz的情况下进行了计算和优化设计，结果表明，利用损耗非常低的蓝宝石介质时，新型腔的品质因数比传统的圆柱腔的品质因数高出好几个数量级。a=0.01035m,b=0.02257m时各个场分量随半径的变化关系。各个场分量随半径的变化关系。腔中沿着电子的运动方向的电场分布曲线通过在球形腔的中间放入小的介质球，可以通过结构共振，激发回音壁模式，极大地增强电场强度，而且，通过计算可以知道，在腔的金属壁上磁场的切向分量很小，这使得在金属壁上的损耗可以忽略，也就是说，不需要昂贵的低温冷却系统既可以保证金属壁的超导电性，因此，谐振腔的Q值仅依赖于腔的中心介质球的损耗。对现有的损耗极低的电解质，通过计算，可以给出比现有的圆柱腔高出三个数量级的Q值，因此可以得到高梯度低损耗的谐振腔。特别的，由于场的各分量在金属壁的附近或者为０或者非常小，因此这种腔与传统的腔相比，更不容易发生电击穿，因此有很大的加速潜力。