物理所等實現固體靶超高電荷量電子加速

　　近幾十年來，新型雷射等離子體加速器得到了快速發展。相比於傳統的射頻加速器，雷射等離子加速器在加速梯度和束流尺寸等方面具有顯著的優勢。傳統射頻加速器利用波導腔內的振蕩電磁場來加速帶電粒子，受限於加速介質的電擊穿強度，能量增益一般為~100MV/m。雷射等離子體加速器的加速介質為等離子體，其加速梯度一般在100GV/m以上，比傳統射頻加速器高至少3個量級。因此，相比於傳統加速器動輒幾千米的加速距離，雷射等離子體加速器可以在檯面上實現。緊湊的尺寸和較低的造價刺激了雷射等離子體加速研究的快速發展。另外，雷射等離子體加速具有ps到fs的時間尺度。這種超短特性使得電子束，以及由電子束產生的二次源（X射線，伽馬射線，質子，中子等）成為研究分子、原子超快動力學的理想探針。而且，電子束的超短特性還導致超高的束流流強，使其擁有重要的應用前景。

　　然而，由於雷射等離子體加速過程中加速電場和等離子體密度的矛盾關係，使被加速電子的電荷量成為雷射加速的瓶頸。在雷射與低密度的氣體靶相互作用中，電子束團的發散角可以很小，但是電荷量一般被限制在幾十皮庫；而在雷射與高密的固體靶相互作用中，電子束的電荷量可以達到幾個納庫量級，但準直電場的尺度太短而具有很大的束髮散角。目前雷射等離子體加速還不能獲得小發散角和大電荷量的電子束。

　　近期，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心光物理重點實驗室研究員陳黎明和中國科學院院士張杰帶領的研究團隊在國際上首次報導了同時具有極高電荷量和極小束團發散角的相對論電子束。文章近期發表於《美國國家科學院院刊》（PNAS）上，論文第一作者馬勇現為美國密西根大學博士後。

　　團隊利用美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Titan雷射器（功率：200TW，脈寬：1ps）與固體銅靶相互作用（圖1），產生了電荷量~100納庫，發散角小於3度（圖2，3），具有準單能能譜結構的相對論電子束。電子束的品質可以通過調節雷射脈衝的對比度和能量來很好地控制。通過理論分析和數值模擬還揭示了一種新型加速機制：通過雷射預脈衝在固體表面提前離化產生近臨界密度的預等離子體；主脈衝大角度入射預等離子體，在其中經歷自成絲效應，部分細絲會被臨界密度面反射，從而在低密度等離子體中形成通道；雷射電場會在每一個光學周期內加速一群電子，這些電子群在等離子體通道內被加速成極高電荷量的電子束並被通道中極高的電磁場橫向箍縮，從而具有高度的準直性（圖4）。通過分析電子能量增益來源，發現不同於典型的尾波場電子加速，通道內的電子能量主要來源於比等離子體波電場強度還要高的雷射電場的直接加速（圖4E），而等離子體通道的作用則是持續提供電子源、導引雷射脈衝並對電子束進行箍縮，這樣就形成了完整的加速結構。

　　得益於電子束團的極高電荷量和超短脈衝寬度，實驗上產生的電子束的峰值電流超過100kA。電子束的亮度達到10¹⁶A/m²，可媲美目前傳統加速器的最高電子亮度。這種電子束團十分有望應用於驅動溫稠密甚至熱稠密物質。例如，若將這種電子束的能量全部沉積於高Z材料，比如金，相應的物質能量密度可高達10¹²J/m³，高於已被廣泛應用於驅動溫稠密物質的SLAC X-射線自由電子雷射的能量密度。此外，高電荷量的準直電子束團還可以應用於諸如驅動產生高通量伽馬射線源、單發電子輻射照相術，甚至有望作為點火器推動慣性約束聚變的快點火研究。

　　該工作得到了國家自然科學基金、國家重點基礎研究發展計劃、中科院先導專項等的資助。

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圖1 實驗布局圖。

圖2 電子束空間分布。A, B 分別對應不同的低預脈衝強度和高預脈衝強度情形。

圖3 電子束電荷量和發散角隨雷射預脈衝能量大小的變化。

    圖4 數值模擬結果。（A，B）雷射強度分布,（C，D）等離子體密度分布。E，電子束能量增益相空間分布。F，電子束能譜和角分布。