全光方案實(shí)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(shì)，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(shí)現(xiàn)帶電粒子的有效加速。特別是近年來利用尾波場(chǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電子加速已經(jīng)取得重要進(jìn)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(shí)驗(yàn)上也在開展激光驅(qū)動(dòng)離子加速方面的努力，這主要是通過所謂鞘場(chǎng)加速機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的：鞘場(chǎng)中的電勢(shì)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(jī)制產(chǎn)生的離子束具有一些獨(dú)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(yán)重阻礙了它們的實(shí)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(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了由激光驅(qū)動(dòng)的、從箔片靶出射的離子的進(jìn)一步加速。線圈不但能夠提高離子的能量，同時(shí)也可在一個(gè)窄的能量區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)離子的準(zhǔn)直。另外，通過依次排布線圈和靶，可以構(gòu)建具有束流動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直和能量選擇性功能的級(jí)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(rèn)為，“這一進(jìn)展對(duì)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(jìn)加速器技術(shù)小型化提供了助力”。
實(shí)驗(yàn)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(dòng)離子則沿線圈軸方向前進(jìn)。電磁脈沖產(chǎn)生的電場(chǎng)的徑向分量的強(qiáng)度足以將質(zhì)子束縛在線圈軸附近，同時(shí)電場(chǎng)的縱向分量會(huì)加速導(dǎo)引離子。正如上述論文中所報(bào)道的，原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采用高校實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的激光器，便實(shí)現(xiàn)了出射質(zhì)子的有效后加速，加速效率為500 MeV/m，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)加速器技術(shù)所能實(shí)現(xiàn)的。
這一方案的成功很大程度上依賴于對(duì)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(cè)技術(shù)方案，利用激光驅(qū)動(dòng)質(zhì)子分別從橫向和縱向兩個(gè)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(cè)模式，對(duì)沿螺旋線圈傳輸?shù)碾姶琶}沖的時(shí)域分布進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，其特征與此前在平面幾何情形測(cè)量的結(jié)果類似，如圖1所示。另一方面，線圈的縱向探測(cè)闡明了電磁脈沖的超短特性對(duì)質(zhì)子束產(chǎn)生的影響，即，電磁脈沖產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì)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(chǎng)在更長的時(shí)間內(nèi)發(fā)揮作用，由此可以實(shí)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(jī)制，同時(shí)對(duì)于該技術(shù)的進(jìn)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(cè)。（a）實(shí)驗(yàn)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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