全光方案實現(xiàn)粒子加速以其在大幅縮減加速器規(guī)模和成本方面所具有的潛在優(yōu)勢，在過去二十年中吸引了眾多關(guān)注。激光產(chǎn)生的等離子體可以維持非常高的加速梯度，由此可以實現(xiàn)帶電粒子的有效加速。特別是近年來利用尾波場技術(shù)實現(xiàn)電子加速已經(jīng)取得重要進展，其所產(chǎn)生的粒子束品質(zhì)與傳統(tǒng)加速器產(chǎn)生的完全可相比擬。目前實驗上也在開展激光驅(qū)動離子加速方面的努力，這主要是通過所謂鞘場加速機制來實現(xiàn)的：鞘場中的電勢梯度使得從激光輻照的箔片表面發(fā)射的離子被加速。利用這一機制產(chǎn)生的離子束具有一些獨特的性質(zhì)，但是其在能譜、能散以及發(fā)散角方面也存在一些局限性，這些嚴重阻礙了它們的實際應(yīng)用。
在2016年發(fā)表的一篇文章[Nat. Commun., 7, 10792 (2016)]中，Satya Kar等人通過在箔片后表面附加線圈裝置，在實驗上實現(xiàn)了由激光驅(qū)動的、從箔片靶出射的離子的進一步加速。線圈不但能夠提高離子的能量，同時也可在一個窄的能量區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)離子的準直。另外，通過依次排布線圈和靶，可以構(gòu)建具有束流動態(tài)準直和能量選擇性功能的級聯(lián)加速器。該文作者之一、英國貝爾法斯特女王大學(xué)的Satya Kar博士認為，“這一進展對于構(gòu)建下一代超緊湊、低成本的粒子加速器奠定了基礎(chǔ)，為先進加速器技術(shù)小型化提供了助力”。
實驗中，線圈主要是通過引導(dǎo)超短電磁脈沖沿其螺旋路徑方向傳輸來工作，而激光驅(qū)動離子則沿線圈軸方向前進。電磁脈沖產(chǎn)生的電場的徑向分量的強度足以將質(zhì)子束縛在線圈軸附近，同時電場的縱向分量會加速導(dǎo)引離子。正如上述論文中所報道的，原理驗證實驗采用高校實驗室規(guī)模的激光器，便實現(xiàn)了出射質(zhì)子的有效后加速，加速效率為500 MeV/m，遠高于傳統(tǒng)加速器技術(shù)所能實現(xiàn)的。
這一方案的成功很大程度上依賴于對電磁脈沖及其沿線圈傳播的理解。在發(fā)表于High Power Laser Science and Engineering 2017年第1期的一篇論文中，來自英國貝爾法斯特女王大學(xué)和德國杜塞爾多夫大學(xué)的研究人員采用一種自探測技術(shù)方案，利用激光驅(qū)動質(zhì)子分別從橫向和縱向兩個方面原位研究了電磁脈沖在螺旋線圈中的傳播。
研究人員通過橫向探測模式，對沿螺旋線圈傳輸?shù)碾姶琶}沖的時域分布進行了表征。實驗結(jié)果表明，其特征與此前在平面幾何情形測量的結(jié)果類似，如圖1所示。另一方面，線圈的縱向探測闡明了電磁脈沖的超短特性對質(zhì)子束產(chǎn)生的影響，即，電磁脈沖產(chǎn)生的場會使得質(zhì)子束流的發(fā)散度減小，這一效應(yīng)具有能量依賴性。通過增加線圈長度，聚焦場在更長的時間內(nèi)發(fā)揮作用，由此可以實現(xiàn)質(zhì)子束的高度聚焦。這些結(jié)果有助于理解螺旋線圈靶選擇性導(dǎo)引離子的內(nèi)在機制，同時對于該技術(shù)的進一步發(fā)展也大有裨益。
圖片說明：電磁脈沖沿螺旋線圈傳輸?shù)馁|(zhì)子橫向探測。（a）實驗設(shè)置示意圖；（b）靶和線圈的正面圖；（c）（d）利用能量為5.5 MeV和3.0 MeV的質(zhì)子束得到的螺旋線圈的影像。
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