粒子加速器是一種利用電磁場(chǎng)加速帶電粒子并使其獲得高能量的儀器。傳統(tǒng)加速器由于受射頻擊穿的限制，其加速梯度最高僅能達(dá)到100 MeV/m。而緊湊型激光加速器通過(guò)等離子體波作為加速媒介，理論上可實(shí)現(xiàn)高出三個(gè)數(shù)量級(jí)的加速梯度(>100 GeV/m)，有望取代傳統(tǒng)的大型加速器，并在粒子與核物理、實(shí)驗(yàn)室天體模擬、高能密度科學(xué)以及醫(yī)學(xué)診療等領(lǐng)域展現(xiàn)重要應(yīng)用價(jià)值。然而，當(dāng)前激光加速離子的技術(shù)仍未達(dá)到傳統(tǒng)加速器的能量水平，主要難點(diǎn)在于離子因慣性較大且移動(dòng)速度較慢，難以追趕上光速傳播的激光加速結(jié)構(gòu)。
 

　　最近，中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所弓正副研究員及合作者提出了一種新型離子加速方案——利用速度可調(diào)的時(shí)空耦合光脈沖技術(shù)，通過(guò)控制激光包絡(luò)的傳播速度與離子的運(yùn)動(dòng)速度相匹配(如圖1)，實(shí)現(xiàn)對(duì)離子的同步、持續(xù)、高效加速。理論研究表明，采用一個(gè)焦點(diǎn)橫向移動(dòng)且強(qiáng)度為的光場(chǎng)，可以在氣體等離子體中將離子加速到每核子GeV的能量水平，這比當(dāng)前激光離子加速器的能量記錄(每核子100 MeV)至少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，他們通過(guò)哈密頓動(dòng)力學(xué)分析解析推導(dǎo)出了成功捕獲和加速離子的閾值條件，并通過(guò)多維等離子體動(dòng)理學(xué)模擬驗(yàn)證了該方案的普適性和魯棒性。
 

圖 1：慢速激光離子加速的方案示意圖
 

　　本研究不僅為解決激光離子加速中能量低這一關(guān)鍵問(wèn)題提供了有效方案，同時(shí)也為利用時(shí)空耦合光脈沖解決等離子體物理難題提供了新的視角。
 

　　該研究成果近日在PRL線上發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院理論物理研究所弓正副研究員為論文的第一作者和共同通訊作者，斯坦福大學(xué)助理教授M.Edwards為論文的共同通訊作者。其他合作者包括斯坦福大學(xué)研究生曹思達(dá)和羅切斯特大學(xué)研究員J.Palastro。