π集群上的激光尾波加速研究成功发表于顶级期刊PRL

利用激光尾波加速产生多色高品质电子束

 

激光尾波加速作为新型加速器方案自1979年提出以来,该领域的研究经历了早期的大振幅尾波激发、稳定电子加速到如今受控高品质加速的多个发展阶段。2004年以来,国际上随着单能电子加速的成功实现,尾波加速研究一方面朝着高能加速(数十GeV到TeV电子加速)推进,另一方面朝着高品质加速(低能散,低发射度)及应用的方向发展。

上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室根据自身的软、硬件条件(已有的粒子模拟程序及新建成的200TW激光系统),在面向高品质激光尾波加速方面开展了深入的研究。近期在尾波加速的注入理论、高品质尾波加速实验及应用方面都取得了长足的发展。在2013年首次提出了利用尾场加速实现阿秒电子层的方案【Phys. Rev. Lett. 110, 135002 (2013)】;2014年成功利用双色光离化注入方案获得超低横向发射度的尾波注入加速【Phys. Rev. Lett. 112, 125001(2014)】,并利用多次注入成功实现同时产生高品质电子加速和X射线辐射【PNAS, 111 (16) 5825-5830(2014)】。近期在理论分析和计算机数值模拟研究上,他们提出了利用激光尾波加速实现具有梳状能谱的多色高品质电子加速的新方案。

长久以来,激光尾波加速在理论和实验上都很难使得电子束能散突破1%的极限。国际上提出的仅有的几个低于1%能散的方案,电子能量都在百MeV左右。如何同时实现高能量、低能散的电子加速,是制约尾波加速进一步发展及应用的瓶颈之一。最近激光等离子体教育部重点实验室、IFSA协同创新中心博士生曾明,陈民特别研究员和盛政明教授等与英、美科学家合作提出了利用双色激光控制有效离化注入长度(至百微米以下), 从而获得超低能散(低于1%)电子加速的方案。在等离子体中,由于存在着强的光色散行为,不同频率的光脉冲在等离子体中的传输相速度不同,因此利用双色激光合成电场强度随着双光束电场峰峰重合、峰谷重合而实现周期性的交替变化这一特性,通过适当调节双色光及等离子体参数,可以使得离化注入气体的内壳层电子仅在双色光电场峰峰重合时发生电离和有效离化注入;这样每次有效离化注入长度仅由双色光色散特性决定,可以控制在数十微米左右,总的注入次数由混合气体长度决定。这样数次的短距离离化注入,使得在最终尾波加速的电子能谱上呈现出类似于光学频率梳状的电子能谱峰结构。每个峰的能散可以小于0.5%,峰峰间的能量间隔相等,且峰的个数可以调节。该方案首次在GeV左右的电子加速中,实现了能散低于1%的电子加速;并且电子能谱的多色特性,使得利用该方案实现多色X 射线辐射源成为可能,这为进一步拓宽尾波加速电子束的应用奠定了基础。该成果近期以上海交通大学物理与天文系为第一单位发表在Physical Review Letters上【Phys. Rev. Lett. 114,084801 (2015)】。

本工作得到了国家重点基础研究发展计划(Grant No. 2013CBA01500)和国家自然科学基金创新群体项目及面上项目的资助。数值模拟工作在上海交通大学高性能计算中心的PI超级计算机上完成。

激光等离子体教育部重点实验室,IFSA协同创新中心供稿  2015年2月25日

 

文章链接: http://arxiv.org/abs/1406.7106

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