Elektro-optisk 3D-øjebliksbillede af en laservågefelt-accelereret kilo-ampere elektrongruppe

Opfundet af T. Tajima og J. Dawson, laser wakefield acceleration (LWFA) udnytter kraften fra højintensive laserimpulser til at drive plasmabølger med accelerationsgradienter af størrelsesordener højere end konventionelle RF-baserede acceleratorer.

Ved at behandle laserimpulsen som en kugle inducerer den ponderomotive kraft en periodisk bølge i plasma, beslægtet med et RF-hulrum. Elektroner fanget i denne bølge kan nå energier på GeV inden for blot en centimeter - tusind gange kortere end konventionelle acceleratorer. Femtosekundets tidsmæssige varighed af elektronbundter fra LWFA giver hidtil usete muligheder for ultrahurtige undersøgelser.

I løbet af de sidste to årtier har LWFA set bemærkelsesværdige fremskridt inden for maksimal energi, energispredning, ladning og gentagelseshastighed.

Med sin høje accelerationsgradient og evne til at producere elektronbundter med høj lysstyrke rummer LWFA et enormt potentiale for anvendelser inden for højenergifysik, røntgenpumpe-probe-undersøgelser og tidsopløst dosimetri. Den tredimensionelle (3D) tæthed er en kritisk parameter, der påvirker lysstyrken i en kolliderer, lysstyrken af ​​sekundære røntgenkilder og maksimale dosishastigheder for stråling.

Især en bordplade røntgenfri elektronlaser (XFEL) er indviklet forbundet med laserprocessen i en undulator. Indtil nu har eksperimentel måling dog været uhåndgribelig på grund af manglen på diagnostiske metoder. Mens tværgående eller relative langsgående fordelinger er blevet undersøgt separat, er den absolutte 3D-densitetsprofil endnu ikke fuldt ud karakteriseret.

I et nyt papir offentliggjort i Light:Science &Applications , et team af videnskabsmænd, ledet af Dr. Masaki Kando fra Kansai Institute for Photon Science (KPSI), National Institutes for Quantum Science and Technology (QST), Japan, Prof. Tomonao Hosokai fra SANKEN, Osaka University, Japan, og co- arbejdere har opnået et gennembrud i single-shot-overvågningen af ​​3D-densitetsprofilen for LWFA-elektronbundter.

Gennem eksperimentelle og numeriske undersøgelser af optisk overgangsstråling (OTR) billeddannelse, elektro-optisk (EO) rumlig afkodning og genetisk algoritme (GA), blev de detaljerede 3D-strukturer af de ultrahurtige elektronbundter fra LWFA med succes rekonstrueret, hvilket belyste den indviklede stråle dynamik af elektronbunken.

Resultaterne afslører en tværgående størrelse på mindre end 30 mikrometer for elektronbundtet, hvilket viser den bemærkelsesværdige opløsning opnået ved OTR-billeddannelsesteknikken. Desuden udviste strømprofilen en kompleks multi-peak-form med en struktur på under 10 femtosekunder, der kan prale af en spidsstrøm på mere end 1 kiloampere (kA) – et vidnesbyrd om den exceptionelle ydeevne af laservågefeltacceleration.

Af særlig betydning er den observerede højeste 3D-taltæthed på ~ 9 × 10 ²¹ m ^-3 , der tilbyder uvurderlig indsigt i den accelererede elektrongruppe. Denne detektering viste potentialet for at implementere en detektor på en hvilken som helst position langs en stråletransportlinje og dermed åbne nye veje for fremtidige anvendelser inden for acceleratorvidenskab og videre.

"Evnen til at måle den tredimensionelle tæthedsprofil af elektronbundter vil øge vores forståelse af LWFA og frigøre dets fulde potentiale til forskellige anvendelser," siger Dr. Kai Huang, seniorforsker ved QST og hovedforfatter af papiret.

"Resultaterne og metoderne præsenteret i denne artikel har vidtrækkende implikationer på tværs af et spektrum af discipliner, herunder acceleratorfysik, højeffektlasere og terahertz-optik."

Flere oplysninger: Kai Huang et al., Elektro-optisk 3D-øjebliksbillede af en laservågefelt-accelereret kilo-ampere elektrongruppe, Light:Science &Applications (2024). DOI:10.1038/s41377-024-01440-2

Journaloplysninger: Lys:Videnskab og applikationer

Leveret af Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics And Physics