篮球世界杯赌球:物理所等实现固体靶超高电荷

2020-04-03 12:30 来源:未知

实验初期,发射度并不是研究所关心的重心。李曼斯表示,开始时,由于要获得与电子束相关的X射线脉冲波的图像,研究小组同德国重离子研究中心建立了合作。该中心的科学家带着高级商业相机来到劳伦斯伯克利实验室,帮助研究人员获得了所需的图像。他们为自己所看到的结果所鼓舞,因而希望了解利用这些图像还能做哪些工作。

图1 实验布局图。

然而,激光等离子加速器独特的电子加速方法和产生飞秒量级的电子脉冲给测量技术带来了难题,人们一时无法测量激光等离子加速器产生的高能电子束的质量。

图3 电子束电荷量和发散角随激光预脉冲能量大小的变化。

现在,测量难题正在被逐步解开,这归功于劳伦斯伯克利国家实验室加速器和聚变研究分部科学家维姆:李曼斯领导的研究团队。李曼斯是激光和光学加速器系统综合研究项目的负责人,他所带领的研究团队拥有理论学家、计算机模拟专家和优秀的实验人员,他们不断改进激光等离子加速器的性能。在研究队伍中,不少学生为研究作出了重要的贡献,并获得了博士学位。例如,法国某综合工科院校的研究生吉拉姆:普拉图,他曾在项目中研究与激光等离子加速器产生的X射线相关的辐射,并将其作为自己博士论文的一部分,目前他在加州大学做博士后研究。

近几十年来,新型激光等离子体加速器得到了快速发展。相比于传统的射频加速器,激光等离子加速器在加速梯度和束流尺寸等方面具有显著的优势。传统射频加速器利用波导腔内的振荡电磁场来加速带电粒子,受限于加速介质的电击穿强度,能量增益一般为~100MV/m。激光等离子体加速器的加速介质为等离子体,其加速梯度一般在100GV/m以上,比传统射频加速器高至少3个量级。因此,相比于传统加速器动辄几千米的加速距离,激光等离子体加速器可以在台面上实现。紧凑的尺寸和较低的造价刺激了激光等离子体加速研究的快速发展。另外,激光等离子体加速具有ps到fs的时间尺度。这种超短特性使得电子束,以及由电子束产生的二次源(X射线,伽马射线,质子,中子等)成为研究分子、原子超快动力学的理想探针。而且,电子束的超短特性还导致超高的束流流强,使其拥有重要的应用前景。

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近期,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心光物理重点实验室研究员陈黎明和中国科学院院士张杰带领的研究团队在国际上首次报道了同时具有极高电荷量和极小束团发散角的相对论电子束。文章近期发表于《美国国家科学院院刊》(PNAS)上,论文第一作者马勇现为美国密歇根大学博士后。

美激光等离子加速器输出高质量高能电子束

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实验室工程分部研究人员马尔科:巴塔格利亚随即提供了更先进的相机,它采用坚固和灵敏的劳伦斯伯克利实验室的电荷耦合器件,获得了更佳的图像。李曼斯认为,他们虽不是激光等离子加速器X射线成像的第一人,但是由于新相机成像质量的缘故,他们首次有能力仔细了解激光等离子加速器产生的X射线的光谱。

团队利用美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Titan激光器(功率:200TW,脉宽:1ps)与固体铜靶相互作用,产生了电荷量~100纳库,发散角小于3度,具有准单能能谱结构的相对论电子束。电子束的品质可以通过调节激光脉冲的对比度和能量来很好地控制。通过理论分析和数值模拟还揭示了一种新型加速机制:通过激光预脉冲在固体表面提前离化产生近临界密度的预等离子体;主脉冲大角度入射预等离子体,在其中经历自成丝效应,部分细丝会被临界密度面反射,从而在低密度等离子体中形成通道;激光电场会在每一个光学周期内加速一群电子,这些电子群在等离子体通道内被加速成极高电荷量的电子束并被通道中极高的电磁场横向箍缩,从而具有高度的准直性。通过分析电子能量增益来源,发现不同于典型的尾波场电子加速,通道内的电子能量主要来源于比等离子体波电场强度还要高的激光电场的直接加速,而等离子体通道的作用则是持续提供电子源、导引激光脉冲并对电子束进行箍缩,这样就形成了完整的加速结构。

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得益于电子束团的极高电荷量和超短脉冲宽度,实验上产生的电子束的峰值电流超过100kA。电子束的亮度达到1016A/m2,可媲美目前传统加速器的最高电子亮度。这种电子束团十分有望应用于驱动温稠密甚至热稠密物质。例如,若将这种电子束的能量全部沉积于高Z材料,比如金,相应的物质能量密度可高达1012J/m3,高于已被广泛应用于驱动温稠密物质的SLAC X-射线自由电子激光的能量密度。此外,高电荷量的准直电子束团还可以应用于诸如驱动产生高通量伽马射线源、单发电子辐射照相术,甚至有望作为点火器推动惯性约束聚变的快点火研究。

研究小组为解决电子束发射度测量的难题,采取了用磁场对激光等离子加速器的电子束进行偏转的方法来测量电子束的能量,同时利用加速器产生的X射线的信息来推算电子束的发射度。为此,他们借助了X射线摄谱仪。

图2 电子束空间分布。A, B 分别对应不同的低预脉冲强度和高预脉冲强度情形。

激光等离子加速器则不同。激光和光学加速器系统综合研究项目的科学家研发的能够产生10亿电子伏特电子束的激光等离子加速器能够放在手掌上,其长度只有3.3厘米。当强激光器将脉冲聚焦到加速器内的自由电子和正离子时,其辐射压导致电子和离子分离,产生出高强度的加速梯度。部分电子尾随在激光脉冲后面,有些几乎在同时达到了近光速的速度。在短距离内,激光等离子加速器能够维持每米数千亿伏特的加速梯度,常规加速器无法与此相比。

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格德斯解释说,电子束的发射度能够通过光束大小和发散角来测量。传统方法是将丝线扫描仪正对着加速器产生的电子束测量发射度。不过,该方法能破坏低发射度的电子束。此外,在激光等离子加速器中,强激光能够毁坏测量设备。

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