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新成果使我们距离低成本激光粒子加速器的梦想更近

2016-09-23 09:26
flinay
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  评审专家高度评价了这一研究结果:“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录。”这使我们距离低成本的激光粒子加速器的科学梦想更近了。

  如果把激光比喻成一艘疾速向前的快艇,它在介质中诱导的尾波场就像艇尾溅起的浪花,一路裹挟着带电粒子行进。日前,中科院上海光机所在超强超短激光驱动尾波场加速产生电子束研究中取得突破性进展。中科院院士徐至展、研究员李儒新带领团队,实验获得了高品质的高能电子束,电子束六维相空间亮度远高于目前国际上报道的同类研究结果,在国际上首次接近了最先进的电子加速器所能获得的电子束亮度。

  粒子加速器是用人工方法产生高速带电粒子的装置。当我们说到粒子加速器时,往往联想到一些大型对撞机。目前世界上最大的粒子加速器是发现上帝粒子的欧洲大型强子对撞机,总长26.649公里。这一类大型对撞机造价高达几亿甚至几十亿美元。因而,成本低廉、体积更小、突破传统加速梯度的粒子加速器成为近年来高能物理界一个重要的研究方向。人们期待着新一代粒子加速器改变其庞然大物的形象,成为科学家普遍拥有的实验装置,并在医疗、材料无损探测等方面发挥应用潜力。

  超强超短激光驱动尾波场电子加速正是一种全新的电子加速机制,其加速梯度相比于传统射频加速器提高了3个量级以上。比如,它能够在不到一米的距离内把电子加速到传统加速器通过一公里的加速距离才能获得的能量,能够极大地降低加速器的规模和成本。这对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等都将带来深远的影响。

  然而,这一“新加速原理”在产生高品质电子束方面遇到诸多难题和挑战。比如激光加速获得的高能电子束的能散度比较大。激光尾波场加速的工作介质是被称第四种物态的等离子体,上海光机所研究团队此次创新性地在两段等离子体之间引入一段高密度等离子体,当120太瓦的超强超短激光脉冲在这种特殊密度结构的等离子体介质中传播时,激光在等离子体中诱导的尾波场参数也发生了相应变化,从而可以控制电子束团中电子能量随时间的变化情况并能实现电子束能散度的补偿,在短短5毫米距离内电子束能量就可加速到600兆电子伏特,电子束各项性能也得到了全面提升——低能散度、低发散角及高流强。

  激光电子加速实验平台

  与此同时,利用该方案获得的高亮度电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度伽马射线源,与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上,比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前,该研究团队利用该电子束正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。

  上海光机所激光尾波场加速产生高亮度高品质电子束的研究成果发表于9月16日的国际物理学领域顶尖刊物《物理评论快报》上,并被优选为亮点论文。评审专家高度评价了这一研究结果:“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录。”“提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质。”这使我们距离低成本的激光粒子加速器的科学梦想更近了。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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