電子自匹配共振加速

beat365激光加速小組（應用物理與技術研究中心&核物理與核技術國家重點實驗室）賀賢土院士、陳佳洱院士和顔學慶教授與合作者近期在激光加速－強場物理中又取得了重要研究進展，發表了題目為“Generating Overcritical Dense Relativistic Electron Beams via Self-Matching Resonance Acceleration” (PRL 110, 045002 (2013)) 的論文。研究中首次提出“自匹配共振加速”的電子加速機制，用于産生高密度、螺旋結構、準直的相對論電子束，對強場激光物理的發展将産生重要影響。

利用超強激光與等離子體相互作用産生高能電子，目前最主要的途徑是在激光尾波場中實現。然而這種尾波場産生的電子束密度很低，電子數目很少。另一方面，利用電子與激光共振也是一種有效的電子加速機制。然而由于等離子體環境非常複雜，預加速的電子隻有很少的一些能夠滿足共振條件，因此極大限制了共振加速的實際應用。該研究小組在前期的研究中發現，共振加速在圓極化激光下和線極化激光下有很大的不同。圓極化激光下，電子的共振加速更加有效，也更加穩定 (PRE 69, 066409(2004); LPB 26, 51(2008), POP 16, 013104 (2009))。利用圓極化激光與近臨界密度等離子體相互作用，可以同時産生很強的準靜态角向和軸向磁場，這被稱為逆法拉第效應。該研究小組在前期的工作中對這種自生磁場進行了深入的研究 (POP 10, 4166(2003); POP 12, 044505(2005); POP 12, 053104(2005); POP 12, 083102(2005))。

課題組在最近的研究工作中發現，當準靜态軸向磁場足夠強的時候，在激光通道中心會俘獲高密度的電子束。這些被俘獲的電子，由于受到激光的驅動，會不斷調整自身的頻率和相位，以匹配共振條件。一旦共振條件匹配，這些電子就可以被持續的加速，進而可以産生具有過臨界密度，螺旋結構以及平台能譜特性的準直電子束。這些共振電子的加速過程非常類似于最早提出的逆自由電子激光加速機制。審稿人評論認為這個工作非常有趣并且會引起同行的極大興趣：I found this work to be interesting and potentially of great interest to the community. 這種自匹配共振加速的電子束具有廣泛的應用前景，比如可以用于離子加速或者用于同步輻射的X射線源等。工學院應用物理與技術研究中心(CAPT)博士後劉彬為論文的第一作者，beat365博士生王鴻勇也在該研究中做出了重要貢獻。

該項研究得到國家重大儀器開發專項、國家自然科學傑出青年基金、基金委重點項目、863項目和某專項基地項目的資助。還得到了核物理與核技術國家重點實驗室和beat365應用物理與技術研究中心資助。

相關研究背景：

粒子加速器從誕生至今推動它發展的根本動力在于探求人類面臨的四大基本問題即：物質、宇宙、生命的基本構成和運動規律和人類思維的運行規律。剛剛建成的世界上最大的加速器強子對撞機LHC已經發現了質量之源－Higgs粒子存在的強有力證據，并且顯示有可能存在兩種Higgs粒子。傳統射頻加速器由于存在電場擊穿，加速梯度要低于100MV/m，所以随着離子能量的提升加速器的體積變得非常龐大，LHC的周長達27km。為了研究暗物質、超對稱的破缺等前沿物理問題，科學家們還需要能量比LHC高千倍的 PeV 加速器，基于常規射頻加速技術建造這樣的加速器需要圍繞地球一圈，這是難以實現的。由于傳統加速器的局限性及其高昂的造價，在過去的幾十年裡物理學家一直在探索新的粒子加速原理，以期在較短的距離内将粒子加速到很高能量。随着超短超強激光技術的發展，激光聚焦光強可以達到1018W/cm2以上，對應的電場高達1012V/m。這樣強的激光與等離子體相互作用時，由于等離子體本身是一個電離的狀态，不存在擊穿問題，産生的加速電場可以比常規加速器至少高出千倍以上，可以更加經濟地實現超高能粒子加速。更高的能量意味着更高的空間分辨率，它将為人類提供更加強大的“粒子顯微鏡”，從而為探索暗物質暗能量和超對稱缺失等最前沿物理問題提供所必須的工具。同時，相對論電子束是最好的同步輻射光源，可以用來産生X射線、gamma射線，在生物、醫學等領域具有廣泛的應用前景。