Microcoulomb-level electron beam and multi-Joule hard X-rays driven by a high-efficiency laser-plasma accelerator

在微观且隐形的亚原子粒子世界中，科学家们长期以来一直试图寻找一种利用光本身来产生强大电子束的方法。几十年来，标准方法是将激光射入气云以产生一个波，就像船只在水中移动一样，这个波随后会捕捉并加速电子达到惊人的速度。这种被称为激光等离子体尾场加速（laser-wakefield acceleration）的过程，一直是生成高能粒子且无需庞大房间级机器的一项极具前景的工具。然而，一个持久的挑战在于如何平衡这些粒子的能量与其数量之间的关系。以往的实验要么能产生极高能量的电子，要么能产生大量的电子，但很难两者兼得。这一局限性使得许多潜在应用——例如产生用于医学成像的强 X 射线爆发，或研究恒星内部的极端条件——对于规模较小的实验室来说仍是遥不可及的。

法国激光兆焦耳（Laser Mégajoule）设施的研究团队现在展示了一种克服这种权衡的方法，能够产生既具有极高数量又具有高能量的电子束。通过使用一种特殊的、超强力的激光脉冲聚焦在超音速氦气喷流上，科学家们创造了一个独特的环境，使两种不同的加速机制协同工作。其结果是一个总电荷量远超以往此类装置所能达到的水平的电子束，单个粒子的能量高达 5 亿电子伏特。当这些电子撞击到一个厚金属靶标时，它们产生了一次极其强烈的硬 X 射线闪烁，其携带的能量在极短的时间内相当于数焦耳。这一成就表明，紧凑型高功率粒子源正在成为现实，为探测最致密状态的物质以及创建用于先进科学研究的二次辐射源开辟了新的大门。

该实验是在位于法国的激光兆焦耳设施进行的，这是一个旨在研究高能量密度物理学的庞大设施。研究人员利用了一个名为 PETAL 的特定激光系统，它提供的光脉冲持续时间不到一万亿分之一秒，但其蕴含的功率足以与大型发电厂的输出相媲美。激光并非击中固体金属块，而是聚焦在以超音速运动的氦气流中。当强力激光脉冲穿过气体时，它从氦原子中剥离电子，从而创造出等离子体。激光的巨大力量将等离子体电子推向一侧，在身后留下了一个类似于快艇留下的尾迹。在这个尾迹中，形成了强大的电场，准备捕捉并加速任何遇到的自由电子。

这次实验之所以与众不同，在于激光脉冲特定的定时和强度。该脉冲足够长，持续约 700 飞秒，使其能以复杂的方式与等离子体发生相互作用。激光脉冲并非仅仅以单一、整齐的直线方式推动电子，而是在穿过气体时开始破碎并发生振荡。这种自调制（self-modulation）创造了一个虽然混乱但极其有效的环境，使得两种类型的加速同时发生。第一种是传统的尾场加速，即电子在等离子体波中“冲浪”。第二种是直接激光加速，即电子被捕捉在激光光本身的振荡电场中，并直接从激光中获取能量。这两种力量的结合使得研究人员能够捕捉并加速大量的电子达到相对论速度，实现的总电荷量超过 1 微库仑。这是此类激光驱动系统中已知的最高电荷量，代表了纪录。

为了测量他们所创造出的东西，团队在电子束路径上放置了一系列探测器。其中一个位于六米外的装置利用磁场弯曲电子并按能量进行分离，使科学家能够观察到电子束的全谱速度分布。他们发现电子具有广泛的能量分布，其中大量电子的能量达到了 5 如此高的 500 MeV。另一个直接放置在电子束路径上的探测器则测量了电子的总数。数据显示，该电子束携带了 1.1 微库仑的电荷，这一数值在以往的激光尾场加速器中从未达到过。研究人员通过详细的计算机模拟验证了这些测量结果，模拟过程对激光和等离子体相互作用进行了建模，显示实验结果与理论预测相吻合。

这束电子真正的威力在它被导向由�듐、铁和锆组成的金属板堆叠时得到了证明。当高速电子撞击这些重金属时，它们迅速减速，并将能量以硬 X 射线爆发的形式释放出来。这一过程被称为轫辐射（Bremsstrahlung），它将电子的动能转化为光子束。产生的 X 射线闪烁极其强烈，在短于一个皮秒的脉冲中携带了约 3.3 焦耳的总能量。这代表了从激光能量到 X 射线能量的转换效率接近 2%，这一数字足以媲美甚至超过以往的记录。所产生的 X 射线具有足够的能量来穿透致密材料，使其适用于先进的成像技术。

这项工作的意义在于其能够在紧凑的设置中产生高电荷、高能量的波束。研究人员表明，通过仔细调节激光和气体靶材，他们可以利用等离子体的混沌特性而非与之对抗。他们生成的电子束不仅仅是一个科学上的奇观；它是一个实用的工具。这类波束可用于创建二次辐射源，如中子或伽马射线，这些对于核物理研究以及研究物质在极端压力和温度下的行为至关重要。此外，由于能够通过集成在像激光兆焦耳这样的大型设施中的激光系统来生成这些波束，这意味着科学家现在可以使用这些电子束来探测被其他强力激光压缩和加热的物质，从而为在实验室中研究恒星和行星核心的物理学提供了一种新方法。

团队还非常细致地了解了能量在波束内部是如何分布的。虽然轴向测量显示了较高的平均能量，但计算机模拟显示，波束在传播过程中会显著扩散。处于电子束中心位置的电子能量最高，而边缘的电子能量较低。通过考虑这种扩散，研究人员计算出整个波束携带的总能量约为 17 焦耳。这种综合性的视角，结合了实验数据与复杂的建模，为他们提供了清晰的波束特性图景，并证实了加速机制是他们怀疑的两种过程的混合体。这次实验的成功表明，未来对激光系统的升级（例如改进光束的聚焦）可能会进一步提高这些转换效率。

这一成就标志着激光等离子体加速领域向前迈进了一步，使其更接近实际应用。在单次实验中产生微库仑级电子束和多焦耳 X 射线的能力，为需要高强度、短持续时间辐射源的科学家提供了新的手段。研究人员证明，可以通过控制自调制尾场加速与直接激光加速之间复杂的相互作用，来产生可靠、高产出的结果。随着这些技术得到完善并集成到更大的设施中，它们有望实现新的天体物理学、核科学和材料研究实验，让类人类能够更深入地洞察宇宙的基本运作方式。从混沌的等离子体射流到受控的高能波束的路径现在变得更加清晰，为下一代粒子源铺平了道路。