日前,中科院上海光机所在超强超短激光驱动尾波场加速产生电子束研究中取得突破性进展。中科院院士徐至展、研究员李儒新带领团队,实验获得了高品质的高能电子束,电子束六维相空间亮度远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的电子加速器所能获得的电子束亮度。

中科院激光电子加速获创纪录高亮度高品质电子束

中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室的徐至展院士、李儒新研究员带领研究团队,提出了级联尾波场加速新方案,突破了激光尾波场加速中能散度难以压缩等重大技术瓶颈,获得了高亮度高品质(200~600
MeV、能散0.4~1.2%、流强1~8 kA、发散角~0.2 rms
mrad)的高能电子束,电子束六维相空间亮度达到1015-16A/m2/0.1%,远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的直线加速器上所能获得的电子束亮度。相关成果日前在线发表于《物理评论快报》。

当我们说到粒子加速器时,往往联想到一些大型对撞机。目前世界上最大的粒子加速器是发现上帝粒子的欧洲大型强子对撞机,总长26.649公里。这一类大型对撞机造价高达几亿甚至几十亿美元。因而,成本低廉、体积更小、突破传统加速梯度的粒子加速器成为近年来高能物理界一个重要的研究方向。人们期待着新一代粒子加速器改变其庞然大物的形象,成为科学家普遍拥有的实验装置,并在医疗、材料无损探测等方面发挥应用潜力。

科学网9月18日上海讯中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展院士、李儒新研究员带领研究团队,在超强超短激光驱动尾波场加速产生高亮度高品质电子束研究中取得突破性进展。研究团队提出了级联尾波场加速新方案,突破了激光尾波场加速中能散度难以压缩等重大技术瓶颈,实验获得了高亮度高品质(200-600
MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角∼0.2 rms
mrad)的高能电子束,电子束六维相空间亮度达到1015-16A/m2/0.1%,远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的直线加速器上所能获得的电子束亮度。相关研究成果于9月16日在线发表于《物理评论快报》,上述论文被该国际物理学领域顶尖刊物优选(Editors’
Suggestion)为亮点论文(Highlighted
Articles)发表。发展小型化、低成本激光粒子加速器是科学家们一直梦寐以求的目标。超强超短激光驱动的尾波场电子加速器具有比传统的射频加速器高出三个量级以上的超高加速梯度,为实现小型化的高能粒子加速器等提供了全新技术途径,对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等也将带来深远的影响。近十年来,激光尾波场电子加速研究已经取得许多重要进展,但是在产生高品质电子束方面还面临诸多难题和挑战,例如能散度压缩与稳定性提高等,使其在应用方面的研究受到限制。近年来上海光机所该研究团队在激光尾波场电子加速方向开展了独具特色的研究,国际上首次成功实现级联双尾波场准单能高能电子加速方案,实验获得了GeV级准单能电子束等重要研究成果。在本项研究中又创新地设计了级联尾波场加速新方案,通过在两段级联的等离子体之间引入一段高密度等离子体,控制电子束的稳相加速及能量啁啾反转和能散度压缩,克服了单级尾波场加速方案中能散度无法独立控制的技术瓶颈,实验获得了高品质(200-600
MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角∼0.2 rms
mrad)的高能电子束。电子束各项重要性能指标的全面提升,使得电子束最高的六维相空间亮度达到6.5×1015A/m2/0.1%,远高于目前国际上报道的同类研究结果,也是激光电子加速在国际上首次接近了最先进的直线加速器所能获得的电子束亮度。三维粒子模拟也揭示,该级联加速新方案能够有效的抑制电子的二次注入,实现电子束的稳相加速,并通过控制电子束的能量啁啾和压缩能散度获得低能散度、低发散角及高流强的高亮度高品质电子束。评审专家对该研究结果给予了高度评价:“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录”;“相比于以前的方案,该方案通过高密度区,恰当地操控了自注入电子束的注入位相…并且电子束的能量啁啾在加速过程中能够得到补偿…是一个新的方案,在产生数百MeV具有千分之一级相对能散并高电荷量的高品质、高亮度电子束方面取得了重大进展…”;“利用优化结构的密度分布产生了200-600
MeV的具有低能散度、低发散角的电子束…提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质”。据悉,利用该方案获得的高亮度高能电子束应用于逆康普顿散射伽马射线源产生方面也获得了突破。利用该电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度准单色MeV量级伽马射线源,其最高峰值亮度达3×1022
photons s-1 mm-2 mrad-2
0.1%BW,与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上,比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前,该研究团队正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。利用该级联尾波场加速新方案成功产生的高亮度高能电子束,将会显著促进小型化自由电子激光等重要领域的研究进程。

发展小型化、低成本激光粒子加速器是科学家们一直梦寐以求的目标。超强超短激光驱动的尾波场电子加速器具有比传统的射频加速器高出三个量级以上的超高加速梯度,为实现小型化的高能粒子加速器等提供了全新技术途径,对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等也将带来深远的影响。

超强超短激光驱动尾波场电子加速正是一种全新的电子加速机制,其加速梯度相比于传统射频加速器提高了3个量级以上。比如,它能够在不到1米的距离内把电子加速到传统加速器通过1公里的加速距离才能获得的能量,能够极大地降低加速器的规模和成本。这对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等都将带来深远的影响。

本研究创新性地设计了级联尾波场加速新方案,通过在两段级联的等离子体之间引入一段高密度等离子体,控制电子束的稳相加速及能量啁啾反转和能散度压缩,克服了单级尾波场加速方案中能散度无法独立控制的技术瓶颈,实验获得了高品质的高能电子束。三维粒子模拟也揭示,该级联加速新方案能够有效地抑制电子的二次注入,实现电子束的稳相加速。

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