科研进展

激光加速新进展:超高电荷量电子加速

新型激光等离子体加速器近年来得到了快速发展。相比于传统的射频加速器,激光等离子加速器在加速梯度和束流尺寸等方面具有显著的优势。其加速梯度一般在100GV/m以上,比传统射频加速器高至少3个量级。因此,相比于传统加速器动辄几千米的加速距离,激光等离子体加速器可以在台面上得以实现。另外,激光等离子体加速具有ps到fs的时间尺度。这种超短特性使得电子束,以及由电子束产生的二次源(X射线,伽马射线,质子,中子等)成为研究分子、原子超快动力学的理想探针。电子束的超短特性还导致超高的束流流强,使其拥有独特的应用前景。

然而由于激光等离子体加速过程中加速电场和等离子体密度的内秉矛盾,使被加速电子的电荷量成为激光加速的瓶颈。在激光与低密度的气体靶相互作用中,电子束团的发散角可以很小,但是电荷量一般被限制在几十皮库;采用激光与高密的固体靶相互作用,产生电子束的电荷量可以达到几个纳库量级,但由于准直电场的尺度太短而导致很大的束发散角。其他如固体靶真空激光加速等减小发射度的尝试[Nat. Phys.12, 355(2016)],但效果并不理想。因此通过激光等离子体加速如何同时获得小发散角和大电荷量的电子束是个挑战性问题。

该瓶颈问题近期在实验和理论上取得了重要的突破。上海交通大学物理与天文学院激光等离子体教育部重点实验室陈黎明教授和张杰院士带领的研究团队,在国际上首次报道了同时具有极高电荷量和小发散角的相对论电子束。他们使用新的加速介质简化了加速过程,提高了加速稳定性,具有重要的应用价值。

该团队利用美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Titan激光器(峰值功率200TW,脉宽1ps)与固体铜靶相互作用(图1),产生了电荷量~100纳库,发散角小于3度(图2),具有准单能能谱结构的相对论电子束。电子束的品质可以通过调节激光脉冲的对比度和能量来加以控制。通过理论分析和数值模拟揭示了一种新型加速机制:首先通过激光预脉冲在固体表面产生近临界密度的预等离子体,并在其中形成低密度等离子体通道;捕获在等离子体通道内的电子被通道中极高的横向电磁场所箍缩,从而形成具有高度准直和极高电荷量的电子束。不同于一般激光尾场等离子体波加速,该电子束的能量主要来源于加速梯度更高的激光电场直接加速。等离子体通道的作用则是持续提供电子源、导引激光脉冲并对电子束进行箍缩,这样就形成了完整的加速结构。

Fig. 1 实验布局图。

Fig.2 电子束空间分布。A,B分别对应低预脉冲强度和高预脉冲强度情形。

得益于电子束团的极高电荷量和超短脉冲宽度,实验上产生的电子束的峰值电流超过100kA。电子束的亮度达到1016A/m2,可媲美目前传统加速器的最高电子亮度。这种电子束团十分有望应用于驱动温稠密甚至热稠密物质。例如,若将这种电子束的能量全部沉积于高Z材料,比如金,相应的物质能量密度可高达1012J/m3,高于已被广泛应用于驱动温稠密物质的SLAC X-射线自由电子激光的能量密度。此外,高电荷量的准直电子束团还可以应用于诸如驱动产生高通量伽马射线源、单发电子辐射照相术,甚至推动惯性约束聚变的快点火研究。

文章近期发表于美国国家科学院院刊PNAS 115(27), 6980(2018)。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划、中科院先导专项等项目的资助。