近幾十年來，新型激光等離子體加速器得到了快速發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的射頻加速器，激光等離子加速器在加速梯度和束流尺寸等方面具有顯著的優(yōu)勢。
傳統(tǒng)射頻加速器利用波導(dǎo)腔內(nèi)的振蕩電磁場來加速帶電粒子，受限于加速介質(zhì)的電擊穿強度，能量增益一般為~100MV/m。激光等離子體加速器的加速介質(zhì)為等離子體，其加速梯度一般在100GV/m以上，比傳統(tǒng)射頻加速器高至少3個量級。因此，相比于傳統(tǒng)加速器動輒幾千米的加速距離，激光等離子體加速器可以在臺面上實現(xiàn)。緊湊的尺寸和較低的造價刺激了激光等離子體加速研究的快速發(fā)展。另外，激光等離子體加速具有ps到fs的時間尺度。這種超短特性使得電子束，以及由電子束產(chǎn)生的二次源（X射線，伽馬射線，質(zhì)子，中子等）成為研究分子、原子超快動力學(xué)的理想探針。而且，電子束的超短特性還導(dǎo)致超高的束流流強，使其擁有重要的應(yīng)用前景。
然而，由于激光等離子體加速過程中加速電場和等離子體密度的矛盾關(guān)系，使被加速電子的電荷量成為激光加速的瓶頸。在激光與低密度的氣體靶相互作用中，電子束團(tuán)的發(fā)散角可以很小，但是電荷量一般被限制在幾十皮庫；而在激光與高密的固體靶相互作用中，電子束的電荷量可以達(dá)到幾個納庫量級，但準(zhǔn)直電場的尺度太短而具有很大的束發(fā)散角。目前激光等離子體加速還不能獲得小發(fā)散角和大電荷量的電子束。
近期，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員陳黎明和中國科學(xué)院院士張杰帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊在國際上首次報道了同時具有極高電荷量和極小束團(tuán)發(fā)散角的相對論電子束。文章近期發(fā)表于《美國國家科學(xué)院院刊》（PNAS）上，論文第一作者馬勇現(xiàn)為美國密歇根大學(xué)博士后。
團(tuán)隊利用美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Titan激光器（功率：200TW，脈寬：1ps）與固體銅靶相互作用（圖1），產(chǎn)生了電荷量~100納庫，發(fā)散角小于3度（圖2，3），具有準(zhǔn)單能能譜結(jié)構(gòu)的相對論電子束。電子束的品質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)激光脈沖的對比度和能量來很好地控制。
通過理論分析和數(shù)值模擬還揭示了一種新型加速機制：通過激光預(yù)脈沖在固體表面提前離化產(chǎn)生近臨界密度的預(yù)等離子體；主脈沖大角度入射預(yù)等離子體，在其中經(jīng)歷自成絲效應(yīng)，部分細(xì)絲會被臨界密度面反射，從而在低密度等離子體中形成通道；激光電場會在每一個光學(xué)周期內(nèi)加速一群電子，這些電子群在等離子體通道內(nèi)被加速成極高電荷量的電子束并被通道中極高的電磁場橫向箍縮，從而具有高度的準(zhǔn)直性（圖4）。通過分析電子能量增益來源，發(fā)現(xiàn)不同于典型的尾波場電子加速，通道內(nèi)的電子能量主要來源于比等離子體波電場強度還要高的激光電場的直接加速（圖4E），而等離子體通道的作用則是持續(xù)提供電子源、導(dǎo)引激光脈沖并對電子束進(jìn)行箍縮，這樣就形成了完整的加速結(jié)構(gòu)。
得益于電子束團(tuán)的極高電荷量和超短脈沖寬度，實驗上產(chǎn)生的電子束的峰值電流超過100kA。電子束的亮度達(dá)到1016A/m2，可媲美目前傳統(tǒng)加速器的最高電子亮度。這種電子束團(tuán)十分有望應(yīng)用于驅(qū)動溫稠密甚至熱稠密物質(zhì)。例如，若將這種電子束的能量全部沉積于高Z材料，比如金，相應(yīng)的物質(zhì)能量密度可高達(dá)1012J/m3，高于已被廣泛應(yīng)用于驅(qū)動溫稠密物質(zhì)的SLAC X-射線自由電子激光的能量密度。此外，高電荷量的準(zhǔn)直電子束團(tuán)還可以應(yīng)用于諸如驅(qū)動產(chǎn)生高通量伽馬射線源、單發(fā)電子輻射照相術(shù)，甚至有望作為點火器推動慣性約束聚變的快點火研究。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、中科院先導(dǎo)專項等的資助。
文章來源：物理研究所
IEEE Spectrum
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