介質(zhì)加速小結(jié)

1、介質(zhì)加速粒子的相關(guān)理論研究PASER（Particle acceleration by stimulated emission of radiation ）是運(yùn)動(dòng)的電子沿著激活介質(zhì)移動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)存在受激介質(zhì)中的部分能量直接轉(zhuǎn)移給電子，該種加速機(jī)制不需要高功率激光器；不需要微波驅(qū)動(dòng)的電子槍；不需要相位匹配和滑相補(bǔ)償；產(chǎn)生的尾場(chǎng)加速梯度有望達(dá)到1GV/m左右；成本低，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊。一、 單個(gè)束團(tuán)在受激介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾場(chǎng)可以被有效放大單個(gè)電子束團(tuán)穿過受激介質(zhì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生尾場(chǎng)，這個(gè)尾場(chǎng)會(huì)降低粒子反轉(zhuǎn)密度，最終電子和場(chǎng)相互作用達(dá)到平衡。我們分別對(duì)在二氧化碳?xì)怏w混合物和氟化氬混合氣體中產(chǎn)生的尾場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)

2、算，發(fā)現(xiàn)加速梯度可以達(dá)到GeV/m的量級(jí)。下圖給出了滿足切倫科夫條件時(shí)的四個(gè)本征模：可以看出在一個(gè)范圍本征頻率既有實(shí)部（紅色）也有虛部（藍(lán)色）；因此混合模是切倫科夫輻射和受激介質(zhì)膜的綜合，可以空間增長。換句話說，切倫科夫輻射可以被受激介質(zhì)放大。圖1.本證頻率隨初始能量的變化圖2，磁矢勢(shì)隨時(shí)間的變化曲線，當(dāng)本征頻率的虛部為負(fù)數(shù)時(shí)尾場(chǎng)指數(shù)增長。在所有的情況下，粒子數(shù)是反轉(zhuǎn)的，但是只有在特殊的狀態(tài)下，由上圖，即頻率有虛部時(shí)，切倫科夫輻射是放大的。圖3，截止頻率（與圓柱波導(dǎo)半徑成反比）和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度作為參數(shù)時(shí)本征頻率虛部（增長率）的變化曲線?？梢钥闯觯_(dá)到尾場(chǎng)放大的效果，截止頻率越高，要求粒子的速

3、度越大。改變粒子數(shù)反轉(zhuǎn)密度（等離子體頻率），可以改變最佳驅(qū)動(dòng)束團(tuán)能量的范圍和增長率的大小：當(dāng)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)很小時(shí)，驅(qū)動(dòng)束團(tuán)能量范圍很小，增長率很低；它的增大引起在較寬的驅(qū)動(dòng)束團(tuán)能量范圍內(nèi)增長率的增大。圖4，束團(tuán)在氟化氬混合氣體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾場(chǎng)圖5，束團(tuán)在二氧化碳混合氣體介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的尾場(chǎng)加速梯度可以達(dá)到GeV/m的量級(jí)。二、束團(tuán)串在氣體受激介質(zhì)中的加速在受激輻射粒子加速（PASER）中，受激介質(zhì)中處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷到基態(tài)時(shí)輻射的光子能量直接以量子形式轉(zhuǎn)移給從它旁邊經(jīng)過的電子。我們用一個(gè)二維分析模型估算了電子微束團(tuán)串穿過稀薄共振介質(zhì)時(shí)的能量交換，并對(duì)相對(duì)論電子束團(tuán)串穿過受激介質(zhì)時(shí)的能量增

4、益進(jìn)行了推導(dǎo)和計(jì)算研究: 由推導(dǎo)的公式可以看出, 當(dāng)相鄰微束團(tuán)間隔與受激介質(zhì)的共振波長相等，束團(tuán)串可以顯著地從受激介質(zhì)吸收能量，而且吸收的能量與相互作用長度成正比; 詳細(xì)計(jì)算了相互作用長度為0.5m時(shí)，束團(tuán)串穿過二氧化碳受激介質(zhì)時(shí)各種參數(shù)對(duì)能量交換的影響。計(jì)算結(jié)果表明，相對(duì)論電子束團(tuán)能量交換不受電子初始能量的影響；隨著束流半徑的增大下降得很快，因而要控制束流的橫向尺寸。綜合優(yōu)化各種參數(shù)，可使電子束團(tuán)獲得較大動(dòng)能。圖7，動(dòng)能增量隨尾束團(tuán)半徑的變化，=0.10，M=80,初始動(dòng)能Ek作為參數(shù)。可以看出動(dòng)能增量隨位數(shù)團(tuán)半徑的增大而減小，在Ek較大時(shí)不受初始能量影響。圖8，宏束團(tuán)動(dòng)能的相對(duì)變化隨在共振

5、頻率時(shí)儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度的變化。每個(gè)單電子的動(dòng)能是45MeV，微束團(tuán)長度設(shè)為=0.10，Nel=1010。 （a），電子束半徑作為參數(shù)，M=80。（b），微束團(tuán)個(gè)數(shù)作為參數(shù)，Rb=100。可以看出宏束團(tuán)獲得的動(dòng)能最大時(shí)的能量密度（最佳能量密度）不隨束團(tuán)半徑Rb變化，但隨M的減小而增大；增加微束團(tuán)的數(shù)量M，動(dòng)能相對(duì)變化的峰值減小如圖b。圖9，宏束團(tuán)動(dòng)能增量隨電子的平均動(dòng)能的變化。宏束團(tuán)半徑為Rb=100，微束團(tuán)長度為0.10，Nel=1010。（a）微束團(tuán)個(gè)數(shù)作為參數(shù)，wact=2mJ/cm3。（b）在共振時(shí)儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度作為參數(shù)，M=80。由上圖我們可以看出對(duì)相對(duì)論電子，電子束動(dòng)能

6、的增加不隨初始動(dòng)能變化而變化。動(dòng)能增益峰值處的最佳初始動(dòng)能Ek（opt）與M的取值無關(guān)；動(dòng)能增益隨著儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度的增加而增加。圖10，（a）Rb作為參數(shù)，M=80，Ek=45MeV。宏束團(tuán)動(dòng)能增量隨微束團(tuán)長度的變化。（b）宏束團(tuán)動(dòng)能增量隨微束團(tuán)個(gè)數(shù)的變化，Ek作為參數(shù)，=0.10，Rb=100。在兩個(gè)圖中，在共振時(shí)儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度設(shè)為wact=2mJ/cm3， 宏束團(tuán)中的電子數(shù)位1010。由a看出，在微束團(tuán)的長度接近調(diào)制波長時(shí)能量增益消失，而對(duì)非常短的束團(tuán)能量增益會(huì)達(dá)到最大值。由b，隨著每一個(gè)微束團(tuán)中電荷量的降低能量增益會(huì)下降。如前所述，加速是由于受激輻射過程，因此，考慮到儲(chǔ)存

7、在受激介質(zhì)中的能量保持為常數(shù)，最后的事實(shí)是可以預(yù)見的。圖11，（a）宏束團(tuán)動(dòng)能的相對(duì)變化隨共振時(shí)儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度的變化，M作為參數(shù)。每個(gè)單電子的動(dòng)能為45MeV。（b）宏束團(tuán)動(dòng)能增長雖微束團(tuán)數(shù)量的變化，Ek作為參數(shù)，wact=2mJ/cm3。 在兩個(gè)圖中，微束團(tuán)長度=0.10，Rb=100。每個(gè)微束團(tuán)中的總電荷數(shù)位8pC?？梢钥闯觯合鄬?duì)能量變化的峰值大小幾乎與M無關(guān)，但是不同的M, 獲得最大動(dòng)能時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存在介質(zhì)中的能量密度值不同。圖 (b)表明，對(duì)于相對(duì)論帶電粒子，動(dòng)能增益與初始動(dòng)能無關(guān)；當(dāng)微束團(tuán)個(gè)數(shù)為100左右時(shí)，宏束團(tuán)動(dòng)能增量達(dá)到最大值。三、電子在受激介質(zhì)存在時(shí)的潘寧阱中的聚束潘寧

8、阱是一種能夠?qū)щ娏Ｗ蛹s束在其中的裝置，兩端各安裝了陰極，它們?cè)诳v向上限制帶電粒子，使其向阱中間運(yùn)動(dòng)；用線圈產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)來限制電子的徑向逃離。潘寧阱中PASER可以作為聚束器：不需要高功率激光器；不需要微波驅(qū)動(dòng)的電子槍；不需要相位匹配和滑相補(bǔ)償；可以自動(dòng)聚束，聚束后的電子可以進(jìn)入下一個(gè)PASER單元進(jìn)行長距離加速。 固態(tài)介質(zhì)存在時(shí)，在考慮和不考慮常規(guī)散射情況下粒子在勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)500圈后的電子系統(tǒng)總能量的相對(duì)變化（藍(lán)色為不考慮散射的情況，紅色為考慮散射的情況） 可以看出，在這兩種情況下，部分電子都從受激介質(zhì)中獲取了能量主要是那些處于 附近的電子。能量增益與增益介質(zhì)有很大關(guān)系。不考慮常規(guī)散射（左

9、圖）和考慮常規(guī)散射（右圖）情況下，粒子反轉(zhuǎn)密度取不同值時(shí)，粒子在勢(shì)阱中運(yùn)行500圈后的相空間圖。 可以看出，隨著粒子反轉(zhuǎn)密度的增長，那些加速的電子的能量峰值比原來增加了很多，而減速電子能量的增加基本上沒有變化。下圖計(jì)算了氣體受激介質(zhì)存在于潘寧阱中時(shí)，不同粒子反轉(zhuǎn)密度下，電子在勢(shì)阱中來回運(yùn)動(dòng)500圈后的相對(duì)能量變化，它表明，隨著粒子反轉(zhuǎn)密度的增加，被減速的電子的能量基本沒有變化，但是加速電子的能量峰值基本上增大了一倍。我們得出的主要的結(jié)論是：（i）不存在常規(guī)散射的情況下，大部分電子都能從介質(zhì)中吸收能量；隨著散射效應(yīng)的增加，吸收能量的電子數(shù)減少。（ii）電子在潘寧勢(shì)阱中運(yùn)動(dòng)許多個(gè)來回后，電子束能以

10、介質(zhì)的本征頻率形成束團(tuán)。第一類碰撞在某種程度上抑制了相對(duì)能量的變化但是不能避免聚束。（iii）電子被束縛在勢(shì)阱中的時(shí)間越長，它們從介質(zhì)中獲取的能量就越多。同時(shí)，被減速電子的能量變化變慢。 這個(gè)過程類似于激光器中的放大自發(fā)射（SASE）。從均勻的粒子束開始，受激介質(zhì)促使粒子束形成束團(tuán)，隨著粒子束變成束團(tuán)，能量的吸收變，于是不斷的聚束。四、在含有同心介質(zhì)層的球形傳導(dǎo)腔中的電磁振蕩在傳統(tǒng)的直線加速器中，加速梯度的最大值主要受到傳導(dǎo)腔金屬壁的焦耳熱損耗以及電場(chǎng)擊穿的限制。在球形傳導(dǎo)腔中加入小的電解質(zhì)球，可以將磁場(chǎng)的最大值由腔的金屬壁的附近轉(zhuǎn)移到介質(zhì)球的表面，從而極大地降低金屬壁上的趨膚效應(yīng)損耗。我們對(duì)

11、這種新的加速結(jié)構(gòu)進(jìn)行了解析和數(shù)值計(jì)算分析，并用微波工作室進(jìn)行了模擬。計(jì)算結(jié)果表明，在這種腔中的橫向電磁振蕩，可以用來加速相對(duì)論電子。這種共振器所有的電磁場(chǎng)分量在金屬壁的附近或者為0或者非常小，因此這種腔與傳統(tǒng)的腔相比更不容易發(fā)生電擊穿。對(duì)現(xiàn)存的極低損耗的藍(lán)寶石介質(zhì)在共振頻率為9.37GHz的情況下進(jìn)行了計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果表明，利用損耗非常低的藍(lán)寶石介質(zhì)時(shí)，新型腔的品質(zhì)因數(shù)比傳統(tǒng)的圓柱腔的品質(zhì)因數(shù)高出好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。a=0.01035m, b=0.02257m時(shí)各個(gè)場(chǎng)分量隨半徑的變化關(guān)系。各個(gè)場(chǎng)分量隨半徑的變化關(guān)系。腔中沿著電子的運(yùn)動(dòng)方向的電場(chǎng)分布曲線通過在球形腔的中間放入小的介質(zhì)球，可以通過結(jié)構(gòu)共振，激發(fā)回音壁模式，極大地增強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，而且，通過計(jì)算可以知道，在腔的金屬壁上磁場(chǎng)的切向分量很小，這使得在金屬壁上的損耗可