等离子体尾波场加速器驱动自由电子激光

学研汇 技术中心 纳米人 2022-05-30 20:41 Posted on 福建

特别说明：本文由学研汇技术中心原创撰写，旨在分享相关科研知识。因学识有限，难免有所疏漏和错误，请读者批判性阅读，也恳请大方之家批评指正。

原创丨伊伊（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

通过使用基于等离子体的技术在短距离内将电子束加速到极端相对论速度的可能性为粒子加速器领域带来了机遇。基于等离子体的加速器的紧凑特性将允许实现能够驱动自由电子激光器(FEL)的台式机器，FEL是一种强大的工具，通过产生亚毫微秒波长和亚飞秒持续时间的相干光脉冲来研究亚原子水平的物质。然而，到目前为止，操作FELs所需的高能电子束必须通过使用传统的大型射频(RF)加速器来获得，由于它们的加速场有限，因此受到相当大的限制。

有鉴于此，意大利 弗拉斯卡蒂国家实验室R. Pompili等人报道了一个紧凑型(3厘米)粒子束驱动等离子体加速器自由电子激光发射的实验证据。加速后的光束在六维相空间中实现了完全表征，并且具有高质量，可与最先进的加速器相媲美，可以观察到红外范围内的窄带放大辐射，其强度在六个连续的波荡器上呈典型的指数增长。

等离子体尾波场加速器的自由电子激光

图1.实验设置

实验装置：

SPARC_LAB的光注入器由一个射频枪和三个加速段组成，产生两个超短驱动电子束。这些束来自两个紫外脉冲照射的铜阴极的光电发射，通过将第一加速段调谐到接近零的相位，这些束的持续时间被压缩到几十飞秒。等离子体模块上游的束流诊断包括一个非拦截和单次电光采样(EOS),该系统可持续监控束流持续时间和分离。在等离子体的下游，RF偏转器和磁谱仪可以表征束流的时间和能量分布，对应于铈掺杂的钇铝石榴石(Ce:YAG)屏。

图2. 见证等离子体加速

图2a显示了在光谱仪下游的Ce:YAG屏上没有等离子体的情况下获得的驱动和见证的单次激发能谱。通过打开等离子体并将其密度设置为n_e≈1.6×10¹⁵ cm^-3，我们获得了图2b所示的光谱。该图显示了加速的见证和减速的驱动。考虑到加速见证的500个连续射击，其能量和能量扩散分布如图2c所示。所得平均能量为Ew =93.9±0.3 MeV，相当于约200 MV m^-1加速梯度。达到0.3 MeV的能量抖动主要是由于驱动-见证距离和等离子体密度的波动。图2d显示了在等离子体背景中传播的两个束的快照。水平轴和垂直轴代表共同移动的纵向(ξ)和径向(r)坐标。见证位于驱动产生的正电荷区域，并以大约200MV m^-1的平均场加速，获得大约6 MeV。底部曲线报告了沿毛细管纵向坐标z的见证能量和能量分布的演变，显示了逐渐减少（在z ≈ Lp/2处达到最小值）的趋势以及由于加速过程中的相空间旋转导致的能量分布的增长。

图3. 强化光指数增长

图3显示了用GENESIS 1.3代码执行的放大过程的模拟。对一组100次独立运行进行类似于测量数据的处理。电子束宏观参数（电荷、发射度、能量扩散和持续时间）在统计上是变化的（在实验误差范围内），并用作模拟的输入，以估计能量波动。模拟能量与测量能量合理匹配，导致增益长度Lg = 1.26±0.13 m（根据最大的10%能量计算）。

图4. 强化光光谱分析

光的单模放大由成像光谱仪在波荡器光束线末端收集光进行光谱测量来实现。具有最大强度的20个镜头的光谱分布（来自200个样本的分布）在图4a中示出。图4b中呈现的统计分析表明，辐射集中在λr = 826±9 nm，带宽σλ= 4.7±1.1 nm（对应于≈0.6%）。在图4c中显示了用成像光谱仪测量的FEL辐射的单次发射。通过查看图4d中的模拟光谱，证实了模拟和实验之间的良好一致性。此外，两个图还报告了通过将图像投影到水平轴上获得的相应光谱轨迹。

总之，本工作报道了一个原理验证实验，演示了等离子体尾波场加速器驱动自由电子激光。这项原理验证实验代表了基于等离子体的加速器使用中的一个里程碑，有助于开发面向用户应用的下一代紧凑型设施。

参考文献

Free-electron lasing with compact beam-driven plasma wake field accelerator

DOI: 10.1038/s41586-022-04589-1

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04589-1