高能所新加速原理团队在电子束品质提升方面取得重要进展

超短超强激光脉冲可以在等离子体中激发梯度超过100 GV/m的加速电场，这比传统金属射频腔可以提供的加速电场高了1000倍以上，有望大幅缩小加速器规模，使桌面型粒子源/辐射源成为现实。目前，激光等离子体加速所采用的主流注入机制（如自注入，离化注入，碰撞光注入等）无法兼顾被加速束团电荷量、能散和发射度等参数，很难让它们同时得到优化。近日，李大章、曾明特聘青年研究员带领的加速器中心新加速原理研究团队提出一种新型注入机制，利用两束同轴激光干涉形成的多壳层空泡结构的演化，俘获背景等离子体中的电子。模拟结果显示，在此种注入机制下，有望利用200 TW量级激光器，产生中心能量750 MeV，能散0.4%，电荷量150 pC，归一化发射度0.2 mm mrad的高品质电子束。此结果已在近期发表在《Matter and Radiation at Extreme》杂志上。

当一束波前曲率迅速变化的紧聚焦激光脉冲与一束波前平坦的大光斑激光脉冲同轴同向传播时，两束光会发生干涉，并在等离子体中形成洋葱状的周期性多壳层空泡结构（如图a所示）。随着两束光继续向前传播，空泡将在横向发生膨胀，电子回流时间变长，从而引起空泡结构的纵向拉伸，最终导致尾场相速度降低。此时等离子体背景电子将有机会被尾场俘获并加速。在此种注入机制下，较长的注入长度保证了较大的电荷量，空泡纵向膨胀诱导的注入减弱了束流的相混合，空泡尾部壳层的散焦力降低了电子被俘获时的横向动量。因此，此注入机制可兼具高电荷量，低能散和小发射度的优点（如图b，图c所示）。

(a) 激光干涉形成的多壳层周期性空泡结构。橙色代表激光脉冲，紫色代表背景等离子体，青色代表被俘获的电子束团；(b) 电子束团能谱；(c) 激光干涉注入机制产生的电子束（红色）品质与其它已发表权威结果的比较（黑色）