Uppfunnet av T. Tajima och J. Dawson, laser wakefield acceleration (LWFA) utnyttjar kraften hos högintensiva laserpulser för att driva plasmavågor med accelerationsgradienter som är större än konventionella RF-baserade acceleratorer.
Genom att behandla laserpulsen som en kula, inducerar den reflekterande kraften en periodisk våg i plasma, liknande en RF-kavitet. Elektroner fångade i denna våg kan nå energier av GeV inom bara en centimeter - tusen gånger kortare än konventionella acceleratorer. Femtosekundstiden för elektronknippen från LWFA ger oöverträffade möjligheter för ultrasnabba studier.
Under de senaste två decennierna har LWFA sett anmärkningsvärda framsteg när det gäller maximal energi, energispridning, laddning och upprepningshastighet.
Med sin höga accelerationsgradient och förmåga att producera elektronbuntar med hög ljusstyrka, har LWFA en enorm potential för tillämpningar inom högenergifysik, röntgenpump-sondstudier och tidsupplöst dosimetri. Den tredimensionella (3D) densiteten är en kritisk parameter som påverkar ljusstyrkan i en kolliderare, ljusstyrkan hos sekundära röntgenkällor respektive stråldoshastigheterna.
I synnerhet är en bordsröntgenfri elektronlaser (XFEL) intrikat kopplad till lasringsprocessen i en undulator. Men hittills har experimentell mätning förblivit svårfångad på grund av bristen på diagnostiska metoder. Även om tvärgående eller relativa longitudinella fördelningar har studerats separat, har den absoluta 3D-densitetsprofilen ännu inte helt karakteriserats.
I en ny artikel publicerad i Light:Science &Applications , ett team av forskare, ledda av Dr. Masaki Kando från Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japan, Prof. Tomonao Hosokai från SANKEN, Osaka University, Japan, och co- arbetare har uppnått ett genombrott i enkelbildsövervakningen av 3D-densitetsprofilen för LWFA-elektronknippen.
Genom experimentella och numeriska undersökningar av optisk övergångsstrålning (OTR), elektrooptisk (EO) rumslig avkodning och genetisk algoritm (GA), rekonstruerades de detaljerade 3D-strukturerna av de ultrasnabba elektronknippena från LWFA framgångsrikt, vilket belyste den invecklade strålen. dynamik hos elektrongruppen.
Fynden avslöjar en tvärgående storlek på mindre än 30 mikrometer för elektrongruppen, vilket visar den anmärkningsvärda upplösningen som uppnås med OTR-avbildningstekniken. Dessutom uppvisade strömprofilen en komplex form med flera toppar, med en struktur på under 10 femtosekunder som stoltserar med en toppström som överstiger 1 kiloampere (kA) – ett bevis på den exceptionella prestandan hos laservakefältsacceleration.
Av särskild betydelse är den observerade högsta 3D-taltätheten på ~ 9 × 10 21 m -3 , som erbjuder ovärderliga insikter i det accelererade elektrongänget. Denna detektering visade potentialen för att implementera en detektor vid vilken position som helst längs en stråltransportlinje, vilket öppnade nya vägar för framtida tillämpningar inom acceleratorvetenskap och vidare.
"Förmågan att mäta den tredimensionella densitetsprofilen hos elektronknippen kommer att förbättra vår förståelse av LWFA och låsa upp dess fulla potential för olika tillämpningar", säger Dr. Kai Huang, seniorforskare vid QST och huvudförfattaren till artikeln.
"Resultaten och metoderna som presenteras i den här artikeln har långtgående implikationer inom ett spektrum av discipliner, inklusive acceleratorfysik, högeffektlasrar och terahertz-optik."
Mer information: Kai Huang et al, Elektrooptisk 3D-ögonblicksbild av ett laservakefältsaccelererat kiloampereelektrongäng, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01440-2
Journalinformation: Ljus:Vetenskap och tillämpningar
Tillhandahålls av Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics
