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激光等离子体加速器的加速介质为等离子体

六月 22nd, 2019  |  科学

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图2 电子束空间分布。A, B 分别对应不同的低预脉冲强度和高预脉冲强度情形。

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矛盾关系,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;而在激光与高密的固体靶相互作用中,电子束的电荷量可以达到几个纳库量级,但准直电场的尺度太短而具有很大的束发散角。目前激光等离子体加速还不能获得小发散角和大电荷量的电子束。

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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、中科院先导专项等的资助。

近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员陈黎明和中国科学院院士张杰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极小束团发散角的相对论电子束。文章近期发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,论文第一作者马勇现为美国密歇根大学博士后。

图3 电子束电荷量和发散角随激光预脉冲能量大小的变化。

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数值模拟结果。激光强度分布,等离子体密度分布。E,电子束能量增益相空间分布。F,电子束能谱和角分布。

近几十年来,新型激光等离子体加速器得到了快速发展。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。传统射频加速器利用波导腔内的振荡电磁场来加速带电粒子,受限于加速介质的电击穿强度,能量增益一般为~100MV/m。激光等离子体加速器的加速介质为等离子体,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实现。紧凑的尺寸和较低的造价刺激了激光等离子体加速研究的快速发展。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。而且,电子束的超短特性还导致超高的束流流强,使其拥有重要的应用前景。

团队利用美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Titan激光器(功率:200TW,脉宽:1ps)与固体铜靶相互作用,产生了电荷量~100纳库,发散角小于3度,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很好地控制。通过理论分析和数值模拟还揭示了一种新型加速机制:通过激光预脉冲在固体表面提前离化产生近临界密度的预等离子体;主脉冲大角度入射预等离子体,在其中经历自成丝效应,部分细丝会被临界密度面反射,从而在低密度等离子体中形成通道;激光电场会在每一个光学周期内加速一群电子,这些电子群在等离子体通道内被加速成极高电荷量的电子束并被通道中极高的电磁场横向箍缩,从而具有高度的准直性。通过分析电子能量增益来源,发现不同于典型的尾波场电子加速,通道内的电子能量主要来源于比等离子体波电场强度还要高的激光电场的直接加速,而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。

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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,甚至有望作为点火器推动惯性约束聚变的快点火研究。

图1 实验布局图。

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