中科院激光電子加速獲創紀錄高亮度高品質電子束

　　中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室徐至展院士、李儒新研究員帶領研究團隊，在超強超短激光驅動尾波場加速產生高亮度高品質研究中取得突破性進展。研究團隊提出了級聯尾波場加速新方案，突破了激光尾波場加速中能散度難以壓縮等重大技術瓶頸，實驗獲得了高亮度高品質（200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流強1-8 kA、發散角～0.2 rms mrad）的高能電子束，電子束六維相空間亮度達到1015-16A/m2/0.1%，遠高于目前國際上報道的同類研究結果，在國際上首次接近了最先進的直線加速器上所能獲得的電子束亮度。

　　相關研究成果于9月16日在線發表于《物理評論快報》，上述論文被該國際物理學領域頂尖刊物優選（Editors’ Suggestion）為亮點論文（Highlighted Articles）發表。

　　發展小型化、低成本激光粒子加速器是科學家們一直夢寐以求的目標。超強超短激光驅動的尾波場電子加速器具有比傳統的射頻加速器高出三個量級以上的超高加速梯度，為實現小型化的高能粒子加速器等提供了全新技術途徑，對未來的同步輻射裝置、自由電子激光以及高能物理研究等也將帶來深遠的影響。近十年來，激光尾波場電子加速研究已經取得許多重要進展，但是在產生高品質電子束方面還面臨諸多難題和挑戰，例如能散度壓縮與穩定性提高等，使其在應用方面的研究受到限制。

　　近年來上海光機所該研究團隊在激光尾波場電子加速方向開展了獨具特色的研究，國際上首次成功實現級聯雙尾波場準單能高能電子加速方案，實驗獲得了GeV級準單能電子束等重要研究成果。在本項研究中又創新地設計了級聯尾波場加速新方案，通過在兩段級聯的等離子體之間引入一段高密度等離子體，控制電子束的穩相加速及能量啁啾反轉和能散度壓縮，克服了單級尾波場加速方案中能散度無法獨立控制的技術瓶頸，實驗獲得了高品質（200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流強1-8 kA、發散角～0.2 rms mrad）的高能電子束。電子束各項重要性能指標的全面提升，使得電子束最高的六維相空間亮度達到6.5×1015A/m2/0.1%，遠高于目前國際上報道的同類研究結果，也是激光電子加速在國際上首次接近了最先進的直線加速器所能獲得的電子束亮度。三維粒子模擬也揭示，該級聯加速新方案能夠有效的抑制電子的二次注入，實現電子束的穩相加速，并通過控制電子束的能量啁啾和壓縮能散度獲得低能散度、低發散角及高流強的高亮度高品質電子束。

　　評審專家對該研究結果給予了高度評價：“該亮度是迄今激光尾波場加速器實現的最高紀錄”；“相比于以前的方案，該方案通過高密度區，恰當地操控了自注入電子束的注入位相...并且電子束的能量啁啾在加速過程中能夠得到補償...是一個新的方案，在產生數百MeV具有千分之一級相對能散并高電荷量的高品質、高亮度電子束方面取得了重大進展...”；“利用優化結構的密度分布產生了200-600 MeV的具有低能散度、低發散角的電子束...提出的新方法實現了創紀錄的電子束流品質”。

　　據悉，利用該方案獲得的高亮度高能電子束應用于逆康普頓散射伽馬射線源產生方面也獲得了突破。利用該電子束與超強超短激光對撞產生了超高亮度準單色MeV量級伽馬射線源，其最高峰值亮度達3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，與國際上報道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個量級以上，比傳統伽馬射線源同能區的峰值亮度提高了10萬倍。目前，該研究團隊正在開展小型化全光自由電子激光裝置的研制工作。利用該級聯尾波場加速新方案成功產生的高亮度高能電子束，將會顯著促進小型化自由電子激光等重要領域的研究進程。