π上计算机模拟结果被实验证实--自截止离化注入产生GeV高品质电子束

信息来源:陈民、盛政明研究组         20151010

 

自从1979年美国科学家TajimaDawson首次在计算机模拟研究中观察到激光尾波加速以来,随着计算机模拟能力和超短超强激光技术的大幅提升,激光尾波场加速理论和实验近年来得到了迅速的发展。因为具有加速梯度高、结构紧凑、经济效益高等优点,激光尾波加速有望成为新一代正负电子对撞机、X射线光源以及自由电子激光的备选加速方案之一。2004年,基于非线性空泡中的电子自注入及尾波加速机制,国际上三个独立课题组同时在实验中获得了百兆电子伏特量级的准单能电子束,2014年能量高达4.2GeV的电子加速也在美国劳伦斯伯克利国家实验室9厘米的加速距离内证实。与此同时,能量达十GeV的电子加速的计算机模拟方案已经完成,TeV的设计方案也在进行之中。  

在往高能量进军的同时,大量应用研究表明,激光尾波加速的稳定性和束品质提升急需解决。这两方面的研究有赖于对电子在尾波中的注入过程有深刻的认识。由波破造成的自注入是最直接的一种注入方式,然而通常自注入电子过程的激发需要高强度的激光脉冲。为降低电子注入所需要的激光功率阈值,同时实现可受控的注入过程,科学家们提出了多种电子注入方式:碰撞光脉冲注入、密度下降沿注入以及离化注入等。相比于前两种方式,离化注入在实验上更易于实现。然而,离化注入有个致命缺点,即由于通常注入过程是连续的导致最终电子束具有大的能散(60~100%),这大大限制了其应用潜力。为解决这一难题,上海交通大学物理与天文系激光等离子体教育部重点实验室博士生曾明、陈民特别研究员及盛政明教授等通过计算机模拟,2014年提出了利用激光自演化导致离化注入自截止机制,有效降低了被加速电子束的能散Phys. Plasmas 21, 030701 (2014)  

该方案提出后,同实验室的Nasr Hafz研究组即开始展开实验探索【Opt. Express 22, 029578 (2014)】。最近,该研究组博士生Mirzaie、李松、Hafz特别研究员等进一步探索该机制,首次在实验上在一厘米的加速距离内获得了能量高达(1.2 GeV)、低能散(7%)的高品质电子束输出。该项研究中,他们先使用30TW量级的激光脉冲与4-mm长的氦-氮混合气体喷流相互作用,通过改变激光聚焦条件及优化氮气的掺杂比例,获得412MeV5%能散的高品质电子束。然后利用120TW激光脉冲轰击1-cm长的氦-氮混合气体喷流,获得了能量在1.2±0.03 GeV7%能散的高品质电子束输出。计算机模拟研究表明在这些参数下,激光自演化导致的离化注入自截止是产生准单能电子加速的主要原因。这些研究为进一步利用电子束产生高品质的次级辐射源奠定了基础。该成果近期发表在Scientific ReportsSci. Rep. 5, 14659 (2015)】上。本工作得到了国家973计划(No. 2013CBA01504)和自然科学基金的支持(No. 11421064 & 11334013 & 11175119 &11374209);数值模拟研究在上海交通大学高性能计算中心π超级计算机上完成。

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