科研进展

面向未来TeV正负电子对撞机的激光等离子体尾波级联加速新方案

激光等离子体实验室

1979年美国UCLA的科学家Tajima和Dawson提出了激光等离子体尾波加速机制,它利用等离子体做为介质,在超短超强激光穿过的等离子中形成类似于船尾波的结构,将激光横场转变为纵场,以对带电粒子进行加速。由于这种以近光速传播的特殊的等离子体结构具有比传统射频腔加速器高约千倍的加速梯度,使得其有潜力将现有加速器的尺寸缩小千倍,大大降低加速器的造价,被认为在桌面型加速器和辐射源方面有着广泛的应用前景,并被列为下一代TeV正负电子对撞机的候选加速技术之一,在世界范围内受到了广泛的关注。近年来,基于激光尾波加速的桌面型X射线辐射源已经在高品质相衬成像方面成功得到运用;利用单脉冲激光在数厘米长度的单级加速结构中也已实现了能量高达4.2GeV的电子加速,这一结果有望在近期被刷新至单级10GeV能力。

然而由于受到单级驱动激光脉冲能量的限制,想要获得TeV级的粒子加速,必须完成多个激光尾波加速的级联,即让上一级加速的电子注入到下一个激光尾波中继续加速。由于尾波结构仅有数十微米,且以光速传播,独立激光驱动的尾波加速级联是本领域最具挑战的问题之一。几十年来,理论和实验上的进展均不大。直到2016年,美国劳伦斯伯克利国家实验室的Wim Leemans研究组,经过近十年的努力,通过研制等离子体镜对次级激光进行导引和利用等离子体透镜对电子束进行操控,首次成功实现了两束独立激光驱动的尾波级联加速实验,获得了在百兆电子伏特能量的尾场级联加速。他们的研究成果发表在Nature上后受到了广泛的关注,被视为本领域里程碑式的进展。然而,该方案实现的级联加速电子注入效率还只有3.5%,且级联所采用的等离子体镜和等离子体透镜技术非常复杂,而且后者依赖于电子束的能量,必须精确调节。这离TeV正负电子对撞机所需的数百级级联,还有相当的距离。

图1.基于渐变曲率半径的弯曲等离子体通道的激光尾场级联新方案。
图中第二束独立激光被弯曲等离子体通道平稳导引到直线加速段的通道中心,避免了激光束的横向振荡;电子束始终在等离子体中传输避免了横向发散导致的耦合效率低。

最近,上海交通大学激光等离子体实验室的陈民教授、及其博士生罗辑,与盛政明教授、张杰院士等,以及美国劳伦斯伯克利国家实验室、加州大学洛杉矶分校、英国Strathclyde大学的科学家合作,通过理论分析和大规模数值模拟研究,提出了一种全新的激光尾波加速级联方案。在该方案中,他们采用一种类似于高速公路并轨的技术,利用曲率半径渐变的弯曲等离子体通道与长直等离子体通道结合,分别对次级驱动激光和上级加速电子束进行导引,实现次级激光尾场的稳定激发以及电子束平稳注入到次级激光的尾场中。通过新设计,他们解决了通常驱动激光在次级加速段的横向振荡和尾场振荡导致的电子加速品质降低,以及电子束在耦合段的自发散效应带来的级联率低的难题。该新方案舍弃了其它现有方案中极其复杂的等离子体镜与等离子体透镜结构,大大提升了电子级联效率和电子加速品质。他们的计算机模拟结果显示,对于初级加速能量为1GeV的电子束,级联率可以达到80%;对于初级加速能量超过2GeV的电子束,级联率可以达到100%,使得该方案特别适合于高能电子束级联,确保了TeV加速所需的百级级联的整体效率。

该工作最近发表在物理评论快报(PRL, 120, 154801 (2018))上。审稿人对该工作给予了极高的评价,他们认为这是一个“全新的方案,并且比迄今为止提出的级联方案具有清晰明了的优点,是激光电子加速领域一个重要的进展;会引起广大物理学家的兴趣”,“该新方案为尾波加速成为超高能量的、紧凑型的激光粒子加速器迈出了极其重要的一步”,“作者们将有可能在撰写一篇经典的论文,为建立一个更加紧凑的激光驱动的粒子加速器做出了实质性的贡献”

这是该研究小组与合作者自2013年以来,继基于激光尾波的阿秒电子层产生和辐射(PRL, 110, 135002(2013));高品质激光尾波电子离化注入方案(PRL, 112, 125001 (2014); PRL,114,084801 (2015));基于等离子体波荡器的可控激光尾波辐射(Light: Science & Applications, 5, e16015 (2016))和基于激光尾波加速的全光高阶非线性汤姆逊散射(Nature Photonics, 11, 514 (2017))系列研究之后,在激光尾波加速方面的又一重要进展。该方案的研究获得了国家973A类项目(2013CBA01504)和国家自然科学基金创新群体项目(11774227)和面上项目(11721091, 11655002)的支持。大规模数值模拟研究在上海交通大学PI超级计算机上完成。