π集群上的激光等离子体研究成功发表于高影响因子期刊

基于激光等离子体波荡器和类偏转磁铁的辐射源研究

陈民  盛政明  张杰  

激光等离子体教育部重点实验室  

激光尾波加速具有比传统射频腔加速器高出近三个数量级的加速梯度,它的两个主要的潜在应用是作为新一代正负电子对撞机和X射线辐射源的电子加速装置。最近几年来,由于激光尾波加速电子束的品质逐步得到提升,基于激光尾波加速的高品质X射线源越来越接近实用化。  

基于激光尾波加速的辐射现今主要有三种机制,一是利用电子束在尾波场内的身横向振荡产生Betatron辐射;二是将尾波加速的高能、高质电子束注入到外加的磁波荡器中产生同步辐射;三是利用电子束与驱动激光或外加激光的汤姆逊散射辐射。这三种机制均存在各自的优缺点:第一种实现起来简便,但辐射谱可控性差;第二种辐射谱的品质可以得到控制与提升,但尾波加速部分与磁波荡器辐射部分的耦合非常困难;第三种可以产生高能量,直至伽马射线的辐射,但实现微米尺度的电子束与激光束的时空同步难度很大,而且光子产额比较低。  

最近激光等离子体实验室陈民特别研究员与盛政明、张杰教授等合作者提出了两种新型的激光尾波加速辐射方案。在第一种方案,他们利用等离子体通道来实现激光束的导引及尾波加速,用以实现类似于波荡器的辐射。当激光束初始以偏轴或以一定的角度入射到具有抛物型密度分布的直等离子体通道中时,由于通道密度引起的横向非均匀折射率会使得超短、超强激光在等离子体通道中发生横向振荡,跟随其后的十微米尺度的尾波结构以及尾波中的被加速电子束会做同样的横向振荡,产生同步辐射。当电子束本身在尾场中的Betatron振荡周期大于该横向振荡周期时,辐射完全由波荡性质决定。该振荡的周期和幅度均可以通过对激光入射角及等离子体通道参数的改变而得到调控。  

在第二种方案,他们提出了利用弯曲等离子体通道实现尾波加速及类偏转磁铁辐射。通常的尾波加速都是在直线结构中,当等离子体通道弯曲,且曲率满足一定的条件时,激光束及尾波结构可以被通道导引前行,同时完成加速与辐射。利用计算机模拟,他们验证了能量高达600MeV的电子束,可以在半径为3厘米的等离子通道环中加速并辐射出11keV能量的光子。  

该工作首次将可控的毫米级的辐射激发结构与毫米级的电子加速结构耦合在一起,相较于以往三种辐射机制,既可以实现高能可调谐的辐射源,又大大降低了电子束-波荡器耦合难度。此外,环状尾波加速的概念对电子束的偏转、辐射及其它应用提供了更加便捷的方法;基于等离子体概念的波荡器及类偏转磁铁,为高品质的尾波辐射提供了新的研究思路。  

本工作最近发表在杂志Light: Science & Applications 5, e16015 (2016)(http://www.nature.com/lsa/journal/v5/n1/full/lsa201615a.html),受到国家973A类项目(2013CBA01504)、青年973项目(2015CB859700)、以及自然科学基金面上项目和青年千人计划启动经费的支持。数值计算在上海交通大学高性能计算中心的π超级计算机上完成。

1:超短超强激光、尾场结构和被加速电子束在等离子体通道中的运动。

 

 

2:直线-环上的激光尾场加速结构及辐射示意图(左图);激光尾场及加速电子束在环中的运动,以及电子束能量和偏转角随纵向传输距离的演化(右图)。

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