全光方案實現粒子加速以其在大幅縮減加速器規模和成本方面所具有的潛在優勢，在過去二十年中吸引了眾多關注。激光產生的等離子體可以維持非常高的加速梯度，由此可以實現帶電粒子的有效加速。特別是近年來利用尾波場技術實現電子加速已經取得重要進展，其所產生的粒子束品質與傳統加速器產生的完全可相比擬。目前實驗上也在開展激光驅動離子加速方面的努力，這主要是通過所謂鞘場加速機制來實現的：鞘場中的電勢梯度使得從激光輻照的箔片表面發射的離子被加速。利用這一機制產生的離子束具有一些獨特的性質，但是其在能譜、能散以及發散角方面也存在一些局限性，這些嚴重阻礙了它們的實際應用。
在2016年發表的一篇文章[Nat. Commun., 7, 10792 (2016)]中，Satya Kar等人通過在箔片后表面附加線圈裝置，在實驗上實現了由激光驅動的、從箔片靶出射的離子的進一步加速。線圈不但能夠提高離子的能量，同時也可在一個窄的能量區間內實現離子的準直。另外，通過依次排布線圈和靶，可以構建具有束流動態準直和能量選擇性功能的級聯加速器。該文作者之一、英國貝爾法斯特女王大學的Satya Kar博士認為，“這一進展對于構建下一代超緊湊、低成本的粒子加速器奠定了基礎，為先進加速器技術小型化提供了助力”。
實驗中，線圈主要是通過引導超短電磁脈沖沿其螺旋路徑方向傳輸來工作，而激光驅動離子則沿線圈軸方向前進。電磁脈沖產生的電場的徑向分量的強度足以將質子束縛在線圈軸附近，同時電場的縱向分量會加速導引離子。正如上述論文中所報道的，原理驗證實驗采用高校實驗室規模的激光器，便實現了出射質子的有效后加速，加速效率為500 MeV/m，遠高于傳統加速器技術所能實現的。
這一方案的成功很大程度上依賴于對電磁脈沖及其沿線圈傳播的理解。在發表于High Power Laser Science and Engineering 2017年第1期的一篇論文中，來自英國貝爾法斯特女王大學和德國杜塞爾多夫大學的研究人員采用一種自探測技術方案，利用激光驅動質子分別從橫向和縱向兩個方面原位研究了電磁脈沖在螺旋線圈中的傳播。
研究人員通過橫向探測模式，對沿螺旋線圈傳輸的電磁脈沖的時域分布進行了表征。實驗結果表明，其特征與此前在平面幾何情形測量的結果類似，如圖1所示。另一方面，線圈的縱向探測闡明了電磁脈沖的超短特性對質子束產生的影響，即，電磁脈沖產生的場會使得質子束流的發散度減小，這一效應具有能量依賴性。通過增加線圈長度，聚焦場在更長的時間內發揮作用，由此可以實現質子束的高度聚焦。這些結果有助于理解螺旋線圈靶選擇性導引離子的內在機制，同時對于該技術的進一步發展也大有裨益。
圖片說明：電磁脈沖沿螺旋線圈傳輸的質子橫向探測。（a）實驗設置示意圖；（b）靶和線圈的正面圖；（c）（d）利用能量為5.5 MeV和3.0 MeV的質子束得到的螺旋線圈的影像。
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