日前，中國(guó)科學(xué)院物理研究所／北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心光物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳黎明研究員和張杰院士帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了同時(shí)具有極高電荷量和極小束團(tuán)發(fā)散角的相對(duì)論電子束，這是激光加速的新進(jìn)展。
該團(tuán)隊(duì)利用美國(guó)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)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(kù)，發(fā)散角小于3度，具有準(zhǔn)單能能譜結(jié)構(gòu)的相對(duì)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(duì)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(jī)制：通過激光預(yù)脈沖在固體表面提前離化產(chǎn)生近臨界密度的預(yù)等離子體；主脈沖大角度入射預(yù)等離子體，在其中經(jīng)歷自成絲效應(yīng)，部分細(xì)絲會(huì)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(chǎng)會(huì)在每一個(gè)光學(xué)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(chǎng)橫向箍縮，從而具有高度的準(zhǔn)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度還要高的激光電場(chǎng)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(dǎo)引激光脈沖并對(duì)電子束進(jìn)行箍縮，這樣就形成了完整的加速結(jié)構(gòu)。
得益于電子束團(tuán)的極高電荷量和超短脈沖寬度，實(shí)驗(yàn)上產(chǎn)生的電子束的峰值電流超過100kA。電子束的亮度達(dá)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(guān)研究成果已發(fā)表于美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院刊PNAS上。
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