北大激光加速小组取得新进展 首次提出电子自匹配共振加速

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北京大学激光加速小组(应用物理与技术研究中心&核物理与核技术国家重点实验室)贺贤土院士、颜学庆教授与合作者近期在激光加速-强场物理中又取得了重要研究进展,发表了题目为Generating Overcritical Dense Relativistic Electron Beams via Self-Matching Resonance Acceleration (PRL 110, 045002 (2013)) 的论文。研究中首次发现“自匹配共振加速”的电子加速机制,用于产生高密度、螺旋结构、准直的相对论电子束,对强场激光物理的发展将产生重要影响。

利用自匹配共振加速机制产生的高密度、螺旋结构、准直电子束(坐标单位为微米)

利用超强激光与等离子体相互作用产生高能电子,目前最主要的途径是在激光尾波场中实现。然而这种尾波场产生的电子束密度很低,电子数目很少。另一方面,利用电子与激光共振也是一种有效的电子加速机制。然而由于等离子体环境非常复杂,预加速的电子只有很少的一些能够满足共振条件,因此极大限制了共振加速的实际应用。该研究小组在前期的研究中发现,共振加速在圆极化激光下和线极化激光下有很大的不同。圆极化激光下,电子的共振加速更加有效,也更加稳定 (PRE 69, 066409(2004); LPB 26, 51(2008), POP 16, 013104 (2009))。利用圆极化激光与近临界密度等离子体相互作用,可以同时产生很强的准静态角向和轴向磁场,这被称为逆法拉第效应。该研究小组在前期的工作中对这种自生磁场进行了深入的研究 (POP 10, 4166(2003); POP 12, 044505(2005); POP 12, 053104(2005); POP 12, 083102(2005))。

课题组在最近的研究工作中发现,当准静态轴向磁场足够强的时候,在激光通道中心会俘获高密度的电子束。这些被俘获的电子,由于受到激光的驱动,会不断调整自身的频率和相位,以匹配共振条件。一旦共振条件匹配,这些电子就可以被持续的加速,进而可以产生具有过临界密度,螺旋结构以及平台能谱特性的准直电子束。这些共振电子的加速过程非常类似于最早提出的逆自由电子激光加速机制。审稿人评论认为这个工作非常有趣并且会引起同行的极大兴趣,“I found this work to be interesting and potentially of great interest to the community.” 这种自匹配共振加速的电子束具有广泛的应用前景,比如可以用于离子加速或者用于同步辐射的X射线源等。工学院应用物理与技术研究中心(CAPT)博士后刘彬为论文的第一作者,物理学院博士生王鸿勇也在该研究中做出了重要贡献。

该项研究得到国家重大仪器开发专项、国家自然科学杰出青年基金、基金委重点项目、863项目和某专项基地项目的资助。还得到了核物理与核技术国家重点实验室和北京大学应用物理与技术研究中心资助。

相关研究背景:

粒子加速器从诞生至今推动它发展的根本动力在于探求人类面临的四大基本问题即:物质、宇宙、生命的基本构成和运动规律及人类思维的运行规律。刚刚建成的世界上最大的加速器强子对撞机LHC已经发现了质量之源-Higgs粒子存在的强有力证据,并且显示有可能存在两种Higgs粒子。传统射频加速器由于存在电场击穿,加速梯度要低于100MV/m,所以随着离子能量的提升加速器的体积变得非常庞大,LHC的周长达27km。为了研究暗物质、超对称的破缺等前沿物理问题,科学家们还需要能量比LHC高千倍的 PeV 加速器,基于常规射频加速技术建造这样的加速器需要围绕地球一圈,这是难以实现的。由于传统加速器的局限性及其高昂的造价,在过去的几十年里物理学家一直在探索新的粒子加速原理,以期在较短的距离内将粒子加速到很高能量。随着超短超强激光技术的发展,激光聚焦光强可以达到1018W/cm2以上,对应的电场高达1012V/m。这样强的激光与等离子体相互作用时,由于等离子体本身是一个电离的状态,不存在击穿问题,产生的加速电场可以比常规加速器至少高出千倍以上,可以更加经济地实现超高能粒子加速。更高的能量意味着更高的空间分辨率,它将为人类提供更加强大的“粒子显微镜”,从而为探索暗物质暗能量和超对称缺失等最前沿物理问题提供所必须的工具。同时,相对论电子束是最好的同步辐射光源,可以用来产生X射线、gamma射线,在生物、医学等领域具有广泛的应用前景。

 

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