激光等离子体尾波加速机制被认为在桌面型加速器和辐射源方面有着广泛的应用前景,并被列为下一代TeV正负电子对撞机的候选加速技术之一,在世界范围内受到了广泛的关注。近年来,基于激光尾波加速的桌面型X射线辐射源已经在高品质相衬成像方面成功得到运用;利用单脉冲激光在数厘米长度的单级加速结构中也已实现了能量高达4.2GeV的电子加速,这一结果有望在近期被刷新至单级10GeV能力。

然而由于受到单级驱动激光脉冲能量的限制,想要获得TeV级的粒子加速,必须完成多个激光尾波加速的级联,即让上一级加速的电子注入到下一个激光尾波中继续加速。由于尾波结构仅有数十微米,且以光速传播,独立激光驱动的尾波加速级联是本领域最具挑战的问题之一。2016年,美国劳伦斯伯克利国家实验室经过近十年的努力,首次成功实现了两束独立激光驱动的尾波级联加速实验,获得了在百兆电子伏特能量的尾场级联加速,被视为本领域里程碑式的进展。然而,该方案实现的级联加速电子注入效率还只有3.5%,且级联所采用的等离子体镜和等离子体透镜技术非常复杂,而且后者依赖于电子束的能量,必须精确调节。这离TeV正负电子对撞机所需的数百级级联,还有相当的距离。

最近,上海交通大学激光等离子体实验室的陈民教授、及其博士生罗辑,与盛政明教授、张杰院士等,以及美国劳伦斯·伯克利国家实验室、加州大学洛杉矶分校、英国Strathclyde大学的科学家合作,通过理论分析和大规模数值模拟研究,提出了一种全新的激光尾波加速级联方案。

该方案采用一种类似于高速公路并轨的技术,利用曲率半径渐变的弯曲等离子体通道与长直等离子体通道结合,分别对次级驱动激光和上级加速电子束进行导引,实现次级激光尾场的稳定激发以及电子束平稳注入到次级激光的尾场中。通过新设计,他们解决了通常驱动激光在次级加速段的横向振荡和尾场振荡导致的电子加速品质降低,以及电子束在耦合段的自发散效应带来的级联率低的难题。

该新方案舍弃了其它现有方案中极其复杂的等离子体镜与等离子体透镜结构,大大提升了电子级联效率和电子加速品质。他们的计算机模拟结果显示,对于初级加速能量为1GeV的电子束,级联率可以达到80%;对于初级加速能量超过2GeV的电子束,级联率可以达到100%,使得该方案特别适合于高能电子束级联,确保了TeV加速所需的百级级联的整体效率。

该工作最近发表在物理评论快报 (PRL, 120, 154801 (2018))上。



图1. 基于渐变曲率半径的弯曲等离子体通道的激光尾场级联新方案。图中第二束独立激光被弯曲等离子体通道平稳导引到直线加速段的通道中心,避免了激光束的横向振荡;电子束始终在等离子体中传输避免了横向发散导致的耦合效率低。