如果把激光比喻成一艘疾速向前的快艇，它在介質中誘導的尾波場就像艇尾濺起的浪花，一路裹挾著帶電粒子行進。日前，中科院上海光機所在超強超短激光驅動尾波場加速產生電子束研究中取得突破性進展。中科院院士徐至展、研究員李儒新帶領團隊，實驗獲得了高品質的高能電子束，電子束六維相空間亮度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電子加速器所能獲得的電子束亮度。

 

粒子加速器是用人工方法產生高速帶電粒子的裝置。當我們說到粒子加速器時，往往聯想到一些大型對撞機。目前世界上最大的粒子加速器是發(fā)現上帝粒子的歐洲大型強子對撞機，總長26.649公里。這一類大型對撞機造價高達幾億甚至幾十億美元。因而，成本低廉、體積更小、突破傳統(tǒng)加速梯度的粒子加速器成為近年來高能物理界一個重要的研究方向。人們期待著新一代粒子加速器改變其龐然大物的形象，成為科學家普遍擁有的實驗裝置，并在醫(yī)療、材料無損探測等方面發(fā)揮應用潛力。

 

超強超短激光驅動尾波場電子加速正是一種全新的電子加速機制，其加速梯度相比于傳統(tǒng)射頻加速器提高了3個量級以上。比如，它能夠在不到一米的距離內把電子加速到傳統(tǒng)加速器通過一公里的加速距離才能獲得的能量，能夠極大地降低加速器的規(guī)模和成本。這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都將帶來深遠的影響。

 

然而，這一“新加速原理”在產生高品質電子束方面遇到諸多難題和挑戰(zhàn)。比如激光加速獲得的高能電子束的能散度比較大。激光尾波場加速的工作介質是被稱第四種物態(tài)的等離子體，上海光機所研究團隊此次創(chuàng)新性地在兩段等離子體之間引入一段高密度等離子體，當120太瓦的超強超短激光脈沖在這種特殊密度結構的等離子體介質中傳播時，激光在等離子體中誘導的尾波場參數也發(fā)生了相應變化，從而可以控制電子束團中電子能量隨時間的變化情況并能實現電子束能散度的補償，在短短5毫米距離內電子束能量就可加速到600兆電子伏特，電子束各項性能也得到了全面提升——低能散度、低發(fā)散角及高流強。
 

激光電子加速實驗平臺  

 

與此同時，利用該方案獲得的高亮度電子束與超強超短激光對撞產生了超高亮度伽馬射線源，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(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高了10萬倍。目前，該研究團隊利用該電子束正在開展小型化全光自由電子激光裝置的研制工作。

 

上海光機所激光尾波場加速產生高亮度高品質電子束的研究成果發(fā)表于9月16日的國際物理學領域頂尖刊物《物理評論快報》上，并被優(yōu)選為亮點論文。評審專家高度評價了這一研究結果：“該亮度是迄今激光尾波場加速器實現的最高紀錄。”“提出的新方法實現了創(chuàng)紀錄的電子束流品質。”這使我們距離低成本的激光粒子加速器的科學夢想更近了。