焦点新闻
当前位置:首页 > 焦点新闻
激光加速团队在等离子体尾波加速相空间操控研究方面取得系列重要突破
发布时间:2019-12-25

我系激光等离子体物理与先进加速器技术研究团队(鲁巍教授、华剑飞副教授、白植豪副研究员等)长期致力于高品质等离子体尾波加速器技术研究,近年来取得了一系列引领世界的重要突破。近日该团队在尾波加速相空间操控去能量啁啾研究方面又获得系列重要进展,在Physical Review Letters和Physical Review Applied上先后发表两篇重要研究成果。其中《等离子体尾波去能量啁啾相空间动力学[Phys. Rev. Lett. 122, 204804 (2019)]》(Phase Space Dynamics of a Plasma Wakefield Dechirper for Energy Spread Reduction)首次报导了束流能散降低近一个量级的实验结果,是继2017年该团队首次提出并初步验证等离子体尾波去能量啁啾方案(JACoW-IPAC2017-TUOBB1)后又一重大进展。在此基础上,研究组又提出了基于中空等离子体通道的去能量啁啾方案[Phys. Rev. Applied 12, 064011 (2019)](Near-Ideal Dechirper for Plasma-Based Electron and Positron Acceleration Using a Hollow Channel Plasma),有望同时实现高品质的正负电子束流去能量啁啾(能散降一个量级以上并保持发射度不变)。以上两项进展为真正实现低能散(0.1%)高品质尾波加速器提供了重要的中国原创方案,获得国际同行广泛关注,已应邀多次在顶级国际会议上作大会报告(AAC, EAAC, LPAW等)。

大型加速器包括广泛应用于各领域的相干光源和高能物理的粒子对撞机,是现代科学研究的重要工具。它们往往规模巨大,而等离子体尾波加速器因其超过传统射频加速技术千倍以上的超高加速梯度,有望将大型加速器缩小到普通实验室甚至桌面规模。2018年超短超强激光技术获得了诺贝尔物理学奖的认可,其关键应用之一就是等离子体尾波加速器。目前尾波加速器实验中获得的能散为~1%左右,与相干光源或粒子对撞机等需求所需的~0.1%仍有一个量级的差距,因而是高品质尾波加速器当前的主要挑战之一。

针对这一挑战并结合尾波加速束流能散具有线性啁啾的特性,研究组于2017年在国际上首次提出了基于束流在均匀等离子体中自尾波的去能量啁啾方案(图1),并获得了初步实验结果。该方案当即获得国际加速器界同行关注,入选为第8届国际粒子加速器大会(IPAC2017,1500人参会)唯一等离子体尾波加速报告。此后,经过近两年努力,通过系统的理论模拟研究与实验优化,首次利用该方案将束流能量啁啾从~1%降低约一个量级至~0.1%(1.28%至0.13%),证明了实现低能散高品质尾波加速的可行性。

1.png

  图1  均匀等离子体去能量啁啾器示意图

在此基础上,研究组进一步提出了基于中空等离子体通道的去能量啁啾方案(图2),为进一步降低能散至~0.02%并保持超高束流品质提供了可能的解决方案。同时,该方案还很好地解决了正电子加速的去能量啁啾问题,为尾波加速在未来正负电子对撞机中的应用提供了重要关键技术。目前相关实验正在开展中。

博士研究生吴益鹏为两篇论文的第一作者,鲁巍教授与华剑飞副教授为两篇论文的共同通讯作者。研究得到了基金委自然科学基金重点项目、杰青项目以及面上项目等资助。

2.png

图2  中空等离子体通道去能量啁啾器示意图



论文链接:https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.204804

                 https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.12.064011


  • 地址:清华大学工程物理系(刘卿楼)
  • 邮编:100084
  • 电话:010-62785727
  • 邮箱:gwbgs@mail.tsinghua.edu.cn
Copyright © 2016 清华大学工程物理系 All Right Reserved