日前，中國科學院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國家研究中心光物理重點實驗室陳黎明研究員和張杰院士帶領的研究團隊實現(xiàn)了同時具有極高電荷量和極小束團發(fā)散角的相對論電子束，這是激光加速的新進展。
該團隊利用美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的Titan激光器（功率：200TW，脈寬：1ps）與固體銅靶相互作用，產(chǎn)生了電荷量～100納庫，發(fā)散角小于3度，具有準單能能譜結構的相對論電子束。電子束的品質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)激光脈沖的對比度和能量來很好的控制。
通過理論分析和數(shù)值模擬還揭示了一種新型加速機制：通過激光預脈沖在固體表面提前離化產(chǎn)生近臨界密度的預等離子體；主脈沖大角度入射預等離子體，在其中經(jīng)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；激光電場會在每一個光學周期內(nèi)加速一群電子，這些電子群在等離子體通道內(nèi)被加速成極高電荷量的電子束并被通道中極高的電磁場橫向箍縮，從而具有高度的準直性。
通過分析電子能量增益來源，發(fā)現(xiàn)不同于典型的尾波場電子加速，通道內(nèi)的電子能量主要來源于比等離子體波電場強度還要高的激光電場的直接加速，而等離子體通道的作用則是持續(xù)提供電子源、導引激光脈沖并對電子束進行箍縮，這樣就形成了完整的加速結構。
得益于電子束團的極高電荷量和超短脈沖寬度，實驗上產(chǎn)生的電子束的峰值電流超過100kA。電子束的亮度達到10＾16A／m＾2，可與目前傳統(tǒng)加速器的最高電子亮度相媲美。
相關研究成果已發(fā)表于美國國家科學院院刊PNAS上。
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