近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室研究團隊提出了一種基于尾場空泡加速的自旋過濾器，利用該方案有望實現(xiàn)全光驅動的緊湊高能極化電子源。相關研究成果發(fā)表于《應用物理評論》（Physical Review Applied）。
高能極化電子束被廣泛應用于高能物理（粒子對撞機）、核物理、材料物理等領域，然而產(chǎn)生這樣的電子束一般依賴于龐大、造價高昂的傳統(tǒng)加速器。激光尾場加速具有超高的加速梯度，國際上過去十多年在電子能量、品質(zhì)的提升方面取得了顯著進展，但極化粒子產(chǎn)生方面的研究幾近于無。
研究團隊獨立發(fā)展了包含自旋效應的粒子模擬方法，開展激光極化粒子加速研究。研究發(fā)現(xiàn)，激光尾場電子加速過程中，注入電子產(chǎn)生的磁場使電子自旋發(fā)生進動，由于每個電子的注入位置、磁場方向與強度均不相同，自旋進動無法同步，從而使電子束發(fā)生退極化現(xiàn)象。進一步研究表明，對于橫向預極化的等離子體靶，電子束的自旋進動與其在相空間的位置是相關的，在特定的相空間區(qū)域電子的自旋進動受到顯著抑制。基于上述研究，研究人員設計了一種X型過濾器，置于加速完成的電子束之后，過濾掉進動顯著的電子，留下相空間中高極化率部分。該設計方案可以使得電子束極化率由最初的35%左右提升至80%以上。
此外，研究人員通過大量三維模擬對該自旋濾波器的性能進行了標定，并對該方案在不完美實驗條件下的穩(wěn)定性（robustness）進行了討論說明。該項研究工作，突破了先前利用尾場加速預極化電子加速的驅動源、等離子體源參數(shù)限制。利用該方案產(chǎn)生的高能極化粒子束未來可用于正負電子對撞機的束流源。
相關研究得到國家自然科學基金和中科院先導B項目課題的支持。（強場激光物理國家重點實驗室供稿）
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圖1 激光尾波場加速的結構與電磁場分布（a）與尾場結構中電子自旋指向的演化（b）
圖2 自旋濾波器方案示意圖
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