激光驱动电磁脉冲的“自探测”

全光方案实现粒子加速以其在大幅缩减加速器规模和成本方面所具有的潜在优势，在过去二十年中吸引了众多关注。激光产生的等离子体可以维持非常高的加速梯度，由此可以实现带电粒子的有效加速。特别是近年来利用尾波场技术实现电子加速已经取得重要进展，其所产生的粒子束品质与传统加速器产生的完全可相比拟。目前实验上也在开展激光驱动离子加速方面的努力，这主要是通过所谓鞘场加速机制来实现的：鞘场中的电势梯度使得从激光辐照的箔片表面发射的离子被加速。利用这一机制产生的离子束具有一些独特的性质，但是其在能谱、能散以及发散角方面也存在一些局限性，这些严重阻碍了它们的实际应用。

在2016年发表的一篇文章[Nat. Commun.， 7， 10792 (2016)]中，Satya Kar等人通过在箔片后表面附加线圈装置，在实验上实现了由激光驱动的、从箔片靶出射的离子的进一步加速。线圈不但能够提高离子的能量，同时也可在一个窄的能量区间内实现离子的准直。另外，通过依次排布线圈和靶，可以构建具有束流动态准直和能量选择性功能的级联加速器。该文作者之一、英国贝尔法斯特女王大学的Satya Kar博士认为，“这一进展对于构建下一代超紧凑、低成本的粒子加速器奠定了基础，为先进加速器技术小型化提供了助力”。

实验中，线圈主要是通过引导超短电磁脉冲沿其螺旋路径方向传输来工作，而激光驱动离子则沿线圈轴方向前进。电磁脉冲产生的电场的径向分量的强度足以将质子束缚在线圈轴附近，同时电场的纵向分量会加速导引离子。正如上述论文中所报道的，原理验证实验采用高校实验室规模的激光器，便实现了出射质子的有效后加速，加速效率为500 MeV/m，远高于传统加速器技术所能实现的。

这一方案的成功很大程度上依赖于对电磁脉冲及其沿线圈传播的理解。在发表于High Power Laser Science and Engineering 2017年第1期的一篇论文中，来自英国贝尔法斯特女王大学和德国杜塞尔多夫大学的研究人员采用一种自探测技术方案，利用激光驱动质子分别从横向和纵向两个方面原位研究了电磁脉冲在螺旋线圈中的传播。

研究人员通过横向探测模式，对沿螺旋线圈传输的电磁脉冲的时域分布进行了表征。实验结果表明，其特征与此前在平面几何情形测量的结果类似，如图1所示。另一方面，线圈的纵向探测阐明了电磁脉冲的超短特性对质子束产生的影响，即，电磁脉冲产生的场会使得质子束流的发散度减小，这一效应具有能量依赖性。通过增加线圈长度，聚焦场在更长的时间内发挥作用，由此可以实现质子束的高度聚焦。这些结果有助于理解螺旋线圈靶选择性导引离子的内在机制，同时对于该技术的进一步发展也大有裨益。

图片说明：电磁脉冲沿螺旋线圈传输的质子横向探测。（a）实验设置示意图；（b）靶和线圈的正面图；（c）（d）利用能量为5.5 MeV和3.0 MeV的质子束得到的螺旋线圈的影像。