介質加速小結

1、介質加速粒子的相關理論研究PASER（Particle acceleration by stimulated emission of radiation ）是運動的電子沿著激活介質移動時，儲存在受激介質中的部分能量直接轉移給電子，該種加速機制不需要高功率激光器；不需要微波驅動的電子槍；不需要相位匹配和滑相補償；產(chǎn)生的尾場加速梯度有望達到1GV/m左右；成本低，結構簡單、緊湊。一、 單個束團在受激介質中運動時產(chǎn)生的尾場可以被有效放大單個電子束團穿過受激介質時會產(chǎn)生尾場，這個尾場會降低粒子反轉密度，最終電子和場相互作用達到平衡。我們分別對在二氧化碳氣體混合物和氟化氬混合氣體中產(chǎn)生的尾場進行了模擬計

2、算，發(fā)現(xiàn)加速梯度可以達到GeV/m的量級。下圖給出了滿足切倫科夫條件時的四個本征模：可以看出在一個范圍本征頻率既有實部（紅色）也有虛部（藍色）；因此混合模是切倫科夫輻射和受激介質膜的綜合，可以空間增長。換句話說，切倫科夫輻射可以被受激介質放大。圖1.本證頻率隨初始能量的變化圖2，磁矢勢隨時間的變化曲線，當本征頻率的虛部為負數(shù)時尾場指數(shù)增長。在所有的情況下，粒子數(shù)是反轉的，但是只有在特殊的狀態(tài)下，由上圖，即頻率有虛部時，切倫科夫輻射是放大的。圖3，截止頻率（與圓柱波導半徑成反比）和粒子數(shù)反轉密度作為參數(shù)時本征頻率虛部（增長率）的變化曲線。可以看出，要達到尾場放大的效果，截止頻率越高，要求粒子的速

3、度越大。改變粒子數(shù)反轉密度（等離子體頻率），可以改變最佳驅動束團能量的范圍和增長率的大?。寒斄Ｗ訑?shù)反轉很小時，驅動束團能量范圍很小，增長率很低；它的增大引起在較寬的驅動束團能量范圍內增長率的增大。圖4，束團在氟化氬混合氣體介質中運動時產(chǎn)生的尾場圖5，束團在二氧化碳混合氣體介質中運動時產(chǎn)生的尾場加速梯度可以達到GeV/m的量級。二、束團串在氣體受激介質中的加速在受激輻射粒子加速（PASER）中，受激介質中處于激發(fā)態(tài)的電子躍遷到基態(tài)時輻射的光子能量直接以量子形式轉移給從它旁邊經(jīng)過的電子。我們用一個二維分析模型估算了電子微束團串穿過稀薄共振介質時的能量交換，并對相對論電子束團串穿過受激介質時的能量增

4、益進行了推導和計算研究: 由推導的公式可以看出, 當相鄰微束團間隔與受激介質的共振波長相等，束團串可以顯著地從受激介質吸收能量，而且吸收的能量與相互作用長度成正比; 詳細計算了相互作用長度為0.5m時，束團串穿過二氧化碳受激介質時各種參數(shù)對能量交換的影響。計算結果表明，相對論電子束團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)，可使電子束團獲得較大動能。圖7，動能增量隨尾束團半徑的變化，=0.10，M=80,初始動能Ek作為參數(shù)?？梢钥闯鰟幽茉隽侩S位數(shù)團半徑的增大而減小，在Ek較大時不受初始能量影響。圖8，宏束團動能的相對變化隨在共振

5、頻率時儲存在介質中的能量密度的變化。每個單電子的動能是45MeV，微束團長度設為=0.10，Nel=1010。 （a），電子束半徑作為參數(shù)，M=80。（b），微束團個數(shù)作為參數(shù)，Rb=100?？梢钥闯龊晔鴪F獲得的動能最大時的能量密度（最佳能量密度）不隨束團半徑Rb變化，但隨M的減小而增大；增加微束團的數(shù)量M，動能相對變化的峰值減小如圖b。圖9，宏束團動能增量隨電子的平均動能的變化。宏束團半徑為Rb=100，微束團長度為0.10，Nel=1010。（a）微束團個數(shù)作為參數(shù)，wact=2mJ/cm3。（b）在共振時儲存在介質中的能量密度作為參數(shù)，M=80。由上圖我們可以看出對相對論電子，電子束動能

6、的增加不隨初始動能變化而變化。動能增益峰值處的最佳初始動能Ek（opt）與M的取值無關；動能增益隨著儲存在介質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。宏束團動能增量隨微束團長度的變化。（b）宏束團動能增量隨微束團個數(shù)的變化，Ek作為參數(shù)，=0.10，Rb=100。在兩個圖中，在共振時儲存在介質中的能量密度設為wact=2mJ/cm3， 宏束團中的電子數(shù)位1010。由a看出，在微束團的長度接近調制波長時能量增益消失，而對非常短的束團能量增益會達到最大值。由b，隨著每一個微束團中電荷量的降低能量增益會下降。如前所述，加速是由于受激輻射過程，因此，考慮到儲存

7、在受激介質中的能量保持為常數(shù)，最后的事實是可以預見的。圖11，（a）宏束團動能的相對變化隨共振時儲存在介質中的能量密度的變化，M作為參數(shù)。每個單電子的動能為45MeV。（b）宏束團動能增長雖微束團數(shù)量的變化，Ek作為參數(shù)，wact=2mJ/cm3。 在兩個圖中，微束團長度=0.10，Rb=100。每個微束團中的總電荷數(shù)位8pC?？梢钥闯觯合鄬δ芰孔兓姆逯荡笮缀跖cM無關，但是不同的M, 獲得最大動能時對應的儲存在介質中的能量密度值不同。圖 (b)表明，對于相對論帶電粒子，動能增益與初始動能無關；當微束團個數(shù)為100左右時，宏束團動能增量達到最大值。三、電子在受激介質存在時的潘寧阱中的聚束潘寧

8、阱是一種能夠將帶電粒子約束在其中的裝置，兩端各安裝了陰極，它們在縱向上限制帶電粒子，使其向阱中間運動；用線圈產(chǎn)生的軸向磁場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；不需要微波驅動的電子槍；不需要相位匹配和滑相補償；可以自動聚束，聚束后的電子可以進入下一個PASER單元進行長距離加速。 固態(tài)介質存在時，在考慮和不考慮常規(guī)散射情況下粒子在勢阱中運動500圈后的電子系統(tǒng)總能量的相對變化（藍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有很大關系。不考慮常規(guī)散射（左

9、圖）和考慮常規(guī)散射（右圖）情況下，粒子反轉密度取不同值時，粒子在勢阱中運行500圈后的相空間圖。 可以看出，隨著粒子反轉密度的增長，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。下圖計算了氣體受激介質存在于潘寧阱中時，不同粒子反轉密度下，電子在勢阱中來回運動500圈后的相對能量變化，它表明，隨著粒子反轉密度的增加，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中吸收能量；隨著散射效應的增加，吸收能量的電子數(shù)減少。（ii）電子在潘寧勢阱中運動許多個來回后，電子束能以

10、介質的本征頻率形成束團。第一類碰撞在某種程度上抑制了相對能量的變化但是不能避免聚束。（iii）電子被束縛在勢阱中的時間越長，它們從介質中獲取的能量就越多。同時，被減速電子的能量變化變慢。 這個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，受激介質促使粒子束形成束團，隨著粒子束變成束團，能量的吸收變，于是不斷的聚束。四、在含有同心介質層的球形傳導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腔金屬壁的焦耳熱損耗以及電場擊穿的限制。在球形傳導腔中加入小的電解質球，可以將磁場的最大值由腔的金屬壁的附近轉移到介質球的表面，從而極大地降低金屬壁上的趨膚效應損耗。我們對

11、這種新的加速結構進行了解析和數(shù)值計算分析，并用微波工作室進行了模擬。計算結果表明，在這種腔中的橫向電磁振蕩，可以用來加速相對論電子。這種共振器所有的電磁場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。對現(xiàn)存的極低損耗的藍寶石介質在共振頻率為9.37GHz的情況下進行了計算和優(yōu)化設計，結果表明，利用損耗非常低的藍寶石介質時，新型腔的品質因數(shù)比傳統(tǒng)的圓柱腔的品質因數(shù)高出好幾個數(shù)量級。a=0.01035m, b=0.02257m時各個場分量隨半徑的變化關系。各個場分量隨半徑的變化關系。腔中沿著電子的運動方向的電場分布曲線通過在球形腔的中間放入小的介質球，可以通過結構共振，激發(fā)回音壁模式，極大地增強電場強度，而且，通過計算可以知道，在腔的金屬壁上磁場的切向分量很小，這使得在金屬壁上的損耗可