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PRL: 激光电子加速获得创纪录高亮度高品质电子束

来源： 发布时间：2017-06-26【字体：大 中 小】

        2016年9月16日的《物理评论快报》杂志发表了中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新科研团队的研究论文“High-Brightness High-Energy Electron Beams from a Laser Wakefield Accelerator via Energy Chirp Control”，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，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。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。[Physics Review Letters 117, 124801(2016)]

    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。

    本研究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”；“该方案是一个新的方案，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”；“提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质”。

    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。相关研究结果近期已发表于Scientific Reports 6, 29518 (2016)。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。

    该论文第一作者为王文涛副研究员（2015年青促会会员），研究所使用的百TW级超强超短CPA激光系统由许毅副研究员（2016年青促会会员）所在研究团队研制。该项研究得到国家自然科学基金委、中科院基金先导项目和青促会等项目的支持。

 

图(a) 实验测量的（530-580 MeV）高品质电子束能量和发散角分布；(b) 对应于(a)的高品质电子束能谱图；(c) 电子束的六维相空间亮度B6D,n , 可比拟于世界上最先进的直线加速器。

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