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超强激光打造新型粒子加速器
先进制造
2017-12-22 13:34
作者  钱列加

上海交通大学等单位围绕“超强激光驱动粒子加速及其重要应用”开展了富有创新性的研究,在其中的关键物理和技术两方面取得了一系列重要进展,为实现从激光等离子体“加速”到“加速器”的突破奠定了坚实基础。

从闪电到极光,从太阳耀斑到天体喷流,从伽玛暴到宇宙射线的产生,这些神奇的自然活动中都蕴含着一个对人类理解微观世界(如物质的基本结构等)与宇观世界(如宇宙起源等)至关重要的现象:粒子加速。如今,粒子加速器以及基于粒子加速器的辐射源是人们研究各种物质结构的不可替代的工具,在实验室里,人们对粒子加速的研究已经持续了上百年;除此之外,现代加速器技术也在工业界得到了广泛应用。

在上百年的实验室研究过程中,粒子加速技术不断发展完善,同时新的加速器概念不断被提出。其中激光等离子体粒子加速的概念在1979年被提出后迅速发展,造就了以激光等离子体加速为代表的极具前景的新型粒子加速技术。相比于规模往往十分庞大的传统高能加速器,新一代超短强激光技术为人们发展新型紧凑型加速器,实现粒子束和辐射源的脉宽更短、能量和亮度更高、建造成本更低等提供了可能,因此也得到了越来越多的关注。2004年,《自然》期刊同时报道了3个研究团队分别获得准单能电子束的实验结果,成为该领域的一个重要里程碑。目前,有多个实验室可以通过单级激光等离子体加速,在厘米量级长度产生超过1GeV的电子束。除了电子加速,基于激光电子加速的超快X射线和伽马射线产生、离子加速也是激光加速的热点研究课题。激光粒子加速不仅在激光物理、等离子体物理和天体物理学界产生重要影响,也得到了传统加速器界的广泛关注。目前国际超强激光委员会(ICUIL)与国际未来加速器委员会(ICFA)已经开始就相对论等离子体加速方面的研究开展合作,建立了名为“BridgeLab”的合作机制。

激光等离子体加速技术有两个特点:一是极高的加速梯度,它可超过传统加速器3个数量级以上;二是产生的粒子束和超快辐射源具有极短的时间尺度(飞秒量级)。这种特性使得激光等离子体加速研究将光与物质相互作用在时间、空间、强度的操控上达到极致,对极端强激光装置、精密诊断、精密制靶、大规模数值模拟等平台等具有很高要求。该技术在我国发展初期,中国科学院、中国工程物理研究院有关单位形成了较好的实验条件和研究基础。近几年来,随着激光等离子体加速领域的深入发展,国内一些高等院校也逐渐建立起相关的研究团队和实验条件。近几年,上海交通大学牵头,联合中国科学院物理研究所、中国科学院国家天文台、中国科学院上海光机所、北京大学、清华大学、中国科技大学、国防科技大学、中国矿业大学等单位组成研究团队,围绕国家973A类计划项目“超强激光驱动粒子加速及其重要应用”展开了深入研究。研究团队对目前限制激光加速实用化的关键科学技术问题进行了攻关,重点从提升超强激光加速的粒子束和超快辐射源品质、通过激光等离子体实验揭示天体物理环境中高能粒子加速的物理机制、突破制约超强激光驱动粒子加速及应用的激光核心技术瓶颈3个方面进行研究,为实现从激光等离子体“加速”到“加速器”的突破奠定了坚实基础(上海交通大学200TW激光器以及激光等离子体加速实验靶场见图1)。

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电子加速和超快辐射源

在提升超强激光加速的电子束和超快辐射源品质方面,电子注入等离子体波加速结构过程的控制是提高电子束品质(主要是降低其能散和发散度)并实现稳定加速的关键因素。为此,研究团队首先针对现有激光等离子体加速中能散大、稳定性差的难题,提出离化注入机制和密度梯度注入机制,对加速过程的时间和空间进行精密控制,以获得高品质电子束。其中,离化注入机制在国际上最早由中国科学院物理所和上海交通大学团队在理论上提出;通过进一步将离化注入机制进行优化,极大地降低了电子束的绝对能散。上海交通大学实验团队基于该方案获得了能量达到1.2GeV的准单能电子束,提出利用双色激光控制有效离化注入长度,从而获得超低能散电子加速。计算表明,该方案可以在千兆电子伏左右的电子加速中实现单个峰能散低于1%。

研究团队成员针对特定的激光参数,通过精心设计实验,同时获得了最高能量1.4GeV的电子束和300MeV的单能电子束,并在国际上首次提出“波荡注入”机制,使电子获得了更高的能量、更大的电荷量和波荡振幅,由此极大地提高了Betatron辐射的单发光子产额,峰值亮度达1023phs/s/mm2/mrad2/(0.1%BW)量级。进一步利用上述电离注入机制,使电子从气体原子电离后在激光尾波场中部很快注入并实现加速,该电子束同时在激光场中获得大的Betatron振荡幅度,由此极大地提高了X射线产额和光子能量。利用这种简单方法,研究团队在80TW装置上实验获得了目前最高的X射线光子产额——每发8×108,能段110keV~1MeV的伽马区间光子为每发108,成为稳定、简单、高效地激发高能X射线辐射的新途径。

此外,研究团队还利用5TW超短超强激光获得了具有超低能散的高品质电子束流(10~30MeV,约1%能散),在绝对能散这一至关重要的物理指标上创造了当前的世界纪录。利用50TW超强激光获得的250~435MeV的高品质低能散电子束(约2%能散),是国际同等规模装置所取得的最优结果(见图2)。

超强激光打造新型粒子加速器-02.jpg

强激光驱动离子加速

激光离子加速和应用是研究团队的另一大研究内容。研究团队通过制备特定的靶结构实现了所谓的辐射压加速机制(即稳相加速机制),可以极大地提高离子加速效率。通过大量实验,研究团队掌握了类金刚石自支撑纳米薄膜靶体的研制工艺,精确控制离子沉积速度和薄膜厚度,获得了精确度达到±2nm、厚度为5~40nm的自支撑膜,为实现辐射压加速提供了靶体保障。

研究团队还进一步在纳米厚度的类金刚石膜上增镀了一层厚度为几十微米的碳纳米管,用于产生等离子体透镜效应来对强激光进行整形超控,使激光强度和品质大幅提高。实验验证了等离子体透镜对离子加速的增强效应。利用采用10J、30fs的激光脉冲轰击这种复合靶体,成功产生了600MeV(约500MeV单能峰)的碳离子束和约58MeV的质子(约50MeV单能峰),达到目前飞秒级激光驱动离子加速的最高能量水平。由于激光产生的高能质子束通常具有散射角大、能散大和流强高等特点,对这种质子束进行收集和提纯是相关应用研究的基础。针对这一点,研究团队设计了激光加速离子束传输线,采用超高强度的聚焦磁铁和电荷补偿元件来设计相关的流传输系统,以克服空间电荷效应引起的束流发散效应,最终使质子束流在长距离传输后仍然能保持较高的品质。

在实验室研究天体环境中粒子加速现象

在通过激光等离子体实验揭示天体物理环境中高能粒子加速的物理机制方面,研究团队以磁重联过程来探索天体环境高能粒子产生机制,以此为牵引,研究以磁重联为物理基础的喷流产生、形态和粒子加速问题。

为了深入推进磁重联粒子加速实验,研究团队基于标度变换模型,采用多路激光与特定靶位型,构建了与实际天体环境类似的可以模拟太阳耀斑磁重联的条件,并测量了磁重联出流方向电子能谱。结合理论模拟实验,证明磁重联电场加速了粒子。基于标度变换模型,将实验结果与天文观测得到的太阳高能粒子能谱进行比较,确定了太阳高能电子能谱中非热成分的份额和起源。同时首次指出磁重联区域中产生复杂结构的可能原因:产生的激波导致了能谱硬化。

在理论研究方面,研究团队通过粒子模拟再现了“神光Ⅱ”磁场重联实验,并提出了电子三叉高速喷流的产生机制:两个快速膨胀的等离子体泡之间由于相互挤压形成了薄的电流片,这个薄电流片中出现了撕裂模不稳定性。

极端光场下的粒子加速问题也是研究团队关注的内容之一。随着国内外新一代超高功率激光器的研发趋快,人们有望在实验室获得峰值功率高达10~100PW的超强激光。在这种激光场下,激光与等离子体相互作用进入所谓的量子电动力学(QED)参数区域,伴随有极为高效的电子加速以及大量的伽玛射线产生。而伽玛射线与激光场进一步作用,可以产生正负电子对。我们发现,双束相向传输的超强激光辐照近临界密度气体中可以最有效地产生高能稠密正电子对;并在理论上预测了两束10PW激光对撞可以产生能量高达几千兆电子伏、峰值密度达到1022cm-3的正电子束。在实验室产生高能稠密正负电子对并进行对撞,这为高能物理和实验室天体物理研究开辟了一条崭新的途径。

创新超高功率激光技术

在解决这些问题的过程中,研究团队还突破了制约超强激光驱动粒子加速及应用的激光核心技术瓶颈,针对拓宽输出波长、提高脉冲信噪比以及脉冲信噪比单发测量技术等问题进行了深入研究。随着激光峰值功率的不断提升,脉冲信噪比问题和强激光放大能力瓶颈成为强激光领域的两大核心科学问题;尤其是激光脉冲信噪比,已成为关乎激光粒子加速成功与否的关键指标,也是拍瓦激光技术的重大挑战。围绕这两大科学问题,我们在强激光脉冲信噪比单次测量、强激光准参量放大新概念等方面取得了重要进展。

对于信噪比单次测量技术,此前国际上信噪比单次测量一直处于技术摸索阶段,关键指标“测量动态范围”的最好水平长期徘徊在106的水平,远远达不到实际应用的要求(高于109)。信噪比单次测量技术的缺失也严重影响了对强激光噪声的物理本质和来源机理的认识。研究团队发明了光纤列阵探测系统、中红外脉冲取样的互相关新构型、高保真度测量3项专利技术(均已获得美国专利授权),实现了高于1010的超高动态范围单次测量能力,超过国际报道最好水平4个数量级;提出了时空域互相关新方法,将互相关技术从时间一维拓展至全新的时空二维,第一次使人们有能力从时空两个维度来全面诊断强激光的噪声。此外,研究团队还研发了1053nm和800nm两个波长版本的信噪比单次测量仪,分别应用于中国科学院、中国工程物理研究院的钛宝石强激光系统和高能钕玻璃拍瓦激光系统,代表着世界范围内首批成功的工程应用。面向未来100PW级超强激光放大,研究团队提出了准参量放大(QPCPA)新概念技术(见图3),该技术兼具传统啁啾脉冲放大(CPA)技术的高效率和光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)技术的大带宽,可大幅提升强激光的放大能力1个数量级以上,为未来100PW级强激光放大提供了“中国方案”。

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目前,由于具备超短脉宽、超高流强等特性,激光等离子体加速产生的电子束、X射线、超快质子束已经在一些基础科学方面展现出独特的应用价值,因此突破核心技术的需求也越来越迫切。研究团队结合物理实验、理论和数值模拟、先进诊断和制靶技术、高功率激光技术等,有效推进了强激光驱动等离子体加速和辐射研究,使我国在上述方向的研究达到国际先进水平,并在一些方向开始引领国际研究。未来,激光等离子体加速研究前景非常广阔,研究团队将继续对加速各个过程开展更深入的研究,助力我国在不久的将来在该领域实现从“加速”机制研究到“加速器”的跨越。

致谢:感谢国家973计划A类项目“超强激光驱动粒子加速及其重要应用”(项目编号:2013CBA01500)的支持;感谢李玉同、颜学庆、赵刚、陈黎明、鲁巍、仲佳勇、陈民、远晓辉、谢国强、Nasr Hafz等提供有关材料。

作者:张杰、钱列加、盛政明

(张杰,国家973 A类计划项目首席科学家,中国科学院院士,中国科学院副院长,上海交通大学教授;钱列加、盛政明,上海交通大学教授。)

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