电子加速器

9月18日，中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展院士、李儒新研究员带领研究团队，在超强超短激光驱动尾波场加速产生高亮度高品质电子束研究中取得突破性进展。研究团队提出了级联尾波场加速新方案，突破了激光尾波场加速中能散度难以压缩等重大技术瓶颈，实验获得了高亮度高品质(200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角～0.2 rms mrad)的高能电子束，电子束六维相空间亮度达到1015-16A/m2/0.1%，远高于目前国际上报道的同类研究结果，在国际上首次接近了最先进的直线加速器上所能获得的电子束亮度。　　相关研究成果于9月16日在线发表于《物理评论快报》，上述论文被该国际物理学领域顶尖刊物优选(Editors’ Suggestion)为亮点论文(Highlighted Articles)发表。　　发展小型化、低成本激光粒子加速器是科学家们一直梦寐以求的目标。超强超短激光驱动的尾波场电子加速器具有比传统的射频加速器高出三个量级以上的超高加速梯度，为实现小型化的高能粒子加速器等提供了全新技术途径，对未来的同步辐射装置、自由电子激光以及高能物理研究等也将带来深远的影响。近十年来，激光尾波场电子加速研究已经取得许多重要进展，但是在产生高品质电子束方面还面临诸多难题和挑战，例如能散度压缩与稳定性提高等，使其在应用方面的研究受到限制。　　近年来上海光机所该研究团队在激光尾波场电子加速方向开展了独具特色的研究，国际上首次成功实现级联双尾波场准单能高能电子加速方案，实验获得了GeV级准单能电子束等重要研究成果。在本项研究中又创新地设计了级联尾波场加速新方案，通过在两段级联的等离子体之间引入一段高密度等离子体，控制电子束的稳相加速及能量啁啾反转和能散度压缩，克服了单级尾波场加速方案中能散度无法独立控制的技术瓶颈，实验获得了高品质(200-600 MeV、能散0.4-1.2%、流强1-8 kA、发散角～0.2 rms mrad)的高能电子束。电子束各项重要性能指标的全面提升，使得电子束最高的六维相空间亮度达到6.5×1015A/m2/0.1%，远高于目前国际上报道的同类研究结果，也是激光电子加速在国际上首次接近了最先进的直线加速器所能获得的电子束亮度。三维粒子模拟也揭示，该级联加速新方案能够有效的抑制电子的二次注入，实现电子束的稳相加速，并通过控制电子束的能量啁啾和压缩能散度获得低能散度、低发散角及高流强的高亮度高品质电子束。　　评审专家对该研究结果给予了高度评价：“该亮度是迄今激光尾波场加速器实现的最高纪录” “相比于以前的方案，该方案通过高密度区，恰当地操控了自注入电子束的注入位相...并且电子束的能量啁啾在加速过程中能够得到补偿...是一个新的方案，在产生数百MeV具有千分之一级相对能散并高电荷量的高品质、高亮度电子束方面取得了重大进展...” “利用优化结构的密度分布产生了200-600 MeV的具有低能散度、低发散角的电子束...提出的新方法实现了创纪录的电子束流品质”。　　据悉，利用该方案获得的高亮度高能电子束应用于逆康普顿散射伽马射线源产生方面也获得了突破。利用该电子束与超强超短激光对撞产生了超高亮度准单色MeV 量级伽马射线源，其最高峰值亮度达3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上，比传统伽马射线源同能区的峰值亮度提高了10万倍。目前，该研究团队正在开展小型化全光自由电子激光装置的研制工作。利用该级联尾波场加速新方案成功产生的高亮度高能电子束，将会显著促进小型化自由电子激光等重要领域的研究进程。

近期中国科学院上海光学精密机械研究所李儒新、田野和宋立伟团队在太赫兹波电子加速领域取得重要进展。研究团队基于上海光机所新一代超强超短脉冲激光综合实验装置，利用超强超短激光驱动丝波导产生毫焦耳级太赫兹表面波，并采用表面波进行电子加速，解决了高能量太赫兹波产生以及自由空间太赫兹波至波导能量耦合效率低等难题。该项研究将太赫兹波的产生、传输及耦合集成到波导上，并在波导管中5mm距离实现了最高1.1 MeV的电子能量增益和210 MV/m的平均加速梯度，较当前太赫兹波加速电子能量增益的世界纪录提升了近一个量级，同时为全光学集成化电子加速器研究开辟了崭新途径。相关研究成果于2023年7月13日以“Megaelectronvolt electron acceleration driven by terahertz surface waves”为题发表于《自然光子学》(Nature Photonics)期刊。 　　小型化集成化的电子加速器将极大地推动其在前沿科学与技术领域的广泛应用。利用太赫兹波驱动电子加速作为近十年来发展的新兴加速技术，能够提供比传统射频加速更高的加速梯度，是实现小型化、低成本加速装置的可靠途径之一，有望将加速器的应用推广向包括小型实验室、医院等在内的更多应用场景。 　　当前发展的太赫兹电子加速基于自由空间的太赫兹源技术，太赫兹波产生后，经收集、传输、偏振转换，再聚焦至用于加速电子的波导结构。实验上，为了尽可能提高波导内部的太赫兹加速梯度，需要太赫兹源提供足够的能量以弥补光路中散射、反射，以及模式转换的能量损耗。常见的太赫兹源，例如基于光学晶体产生的太赫兹辐射通常需要经过光学元件的收集及导引，并通过分段波片或相移片进行模式转换，不可避免地造成能量损失。相比自由空间的太赫兹辐射，束缚于介质表面的光学表面波，如表面等离极化激元(surface plasmon polaritons, SPP)，为太赫兹的导引与模式转换提供了全新的思路。 　　研究团队近年来在小型化的激光加速电子源与辐射光源等领域长期探索，并于近期发现了太赫兹表面等离极化激元相干放大机制(Nature 611, 55–60 (2022))，能够实现高功率表面等离极化激元相干辐射源。围绕轴对称金属圆柱形波导上的太赫兹表面等离极化激元的索莫菲波属性，以及对低色散基横磁(TM)模式，研究团队进一步将此高功率的太赫兹表面等离极化激元直接与加速波导耦合，实现了85%的耦合效率，能有效将飞秒激光泵浦金属圆柱波导产生的毫焦耳级太赫兹能量与电子束作用，并最终在5mm长度上使电子获得最高1.1 MeV的能量增益及210 MV/m的平均加速梯度，将当前国际上太赫兹波驱动的电子能量增益最好结果提升了近一个量级。 　　未来，研究团队将基于这一太赫兹表面波模式驱动电子加速的全新方案进一步发展集成化的全光学电子加速技术，并拓展其在小型辐射源及材料检测等领域的交叉应用。 　　相关研究工作的合作团队包括北京航空航天大学与张江实验室等，该工作共同第一作者为上海光机所博士研究生余谢秋与特别研究助理曾雨珊，工作得到了科技部重点研发计划、中科院先导B、基础研究特区计划、中科院人才引进计划、国家自然科学基金、中科院青促会和上海市科技启明星扬帆计划等支持。图1 太赫兹表面波驱动电子加速实验示意图图2 实验测得的最大电子能量增益结果图3 自由空间(a)与金属圆柱波导(b)太赫兹耦合状态下，加速波导内的电场强度对比(c)

欧洲自由电子激光装置(EXFEL)及反质子和离子研究装置(FAIR)是德国牵头组织的两个国际合作重大科学装置，我国参与了其中部分探测器研制、低温系统研究、高性能波荡器研制、超导材料及特殊材料研究等，主要目的是跟踪国际物理学最前沿的发展趋势、开展相关关键技术研究、锻炼科研队伍、提高基础研究水平。 　　973计划项目“自由电子激光装置和反质子加速器重大基础研究”自立项以来，在FAIR加速器相关科学问题研究、大型实验探测器研究，EXFEL高性能超长波荡器系统物理及关键技术研究、大型恒温器关键技术研究、超导加速器用超导腔以及大晶粒高纯铌片的研制等方面取得多项重要进展。例如：在反质子加速器重大基础研究方面，完成了大型室温和超导二极磁铁样机的研制，并通过了国内外专家测试，同时完成了非烘烤超高实验真空样机研制和测试，主要性能达到或超过了设计指标，达到国际先进水平 在高性能超长波荡器系统物理及关键技术研究方面，我国研究人员参加了德国组织的波荡器系统总体设计、组织开展样机研究及磁测实验，了解并逐步掌握了高性能波荡器涉及的理论和关键技术 在大型恒温器关键技术研究方面，对最关键的漏热和支撑部件进行专门研究，在液氮冷激、压力、真空、漏率等环节攻克了一系列难关，成功研制出高质量，符合和优于国际标准的EXFEL恒温器样机，样机在零下271度低温实验下，各项指标均优于设计标准，并已经被德国成功应用在其试验装置上，为今后国内各种大型恒温器的研制奠定了研究基础 在超导腔相关的研究方面，研制出了用于超导加速腔的大晶粒高纯高性能的铌片，各项性能指标均能满足要求，并已研制出低电阻玻璃和高计数率MRPC样机。在超导加速器用大晶粒高纯铌片的研制、大晶粒9-CELL超导腔的研制和物理性能研究方面取得重要进展，材料性能达到国际先进水平，东方钽业已列入EXFEL供应商名单 在STAR-TOF MRPC探测器的生产方面，成功研制并批量生产了MRPC探测器，产品合格率超过95%，已提供RHIC-STAR使用。此外，在加速器设计思想、新材料和特殊材料性能探索和使用方面也取得了多项成果。 　　该项目由中国科学院高能物理所姜晓明研究员为首席科学家，近代物理所、北京大学、清华大学、东方钽业集团等研究单位参加。8月6-7日，项目年会在宁夏银川举行，陈佳洱、王乃彦、陈和生、张焕乔、方守贤、陈森玉、何季麟等来自国内高能物理、加速器和特殊材料研究的专家，科技部基础研究司、中科院基础局负责人参加了会议。