基于结构等离子体波导的激光尾波场加速器产生高亮度贝塔振荡X射线

《Radiation Physics and Chemistry》：Bright betatron x-ray emission from laser wakefield accelerators using structured plasma waveguides

本文报道了通过优化等离子体波导（Plasma Waveguide）横向结构显著增强激光尾波场加速器（LWFA）中贝塔振荡辐射（Betatron X-ray）的新策略。研究表明调控波导中心通道直径可同步提升电子束电荷量、能量和贝塔振荡幅度，使X射线产额提升12倍以上，临界光子能量从12 keV增至41 keV。该突破为开发紧凑型高亮度X射线源（应用于医学成像、材料分析等）提供了新范式。

　　

计算结果

我们采用全相对论粒子模拟（Particle-In-Cell, PIC）代码PICCANTE模拟激光-等离子体相互作用及空泡（bubble）区域电子加速过程。研究对比了两种等离子体靶：均匀等离子体（电子密度n₀=0.006n_c）与结构化等离子体波导（中心低密度通道直径可调，密度n₁=0.001n_c，外围高密度壳层n₂=0.004n_c）。

结果与讨论

图1展示了均匀等离子体与三种中心通道直径（d=8、16和28 μm）波导靶的电子密度快照。在相同激光参数下，均匀等离子体产生准直电子束且横向尺度较小（图1a），而波导靶的电子加速行为显著依赖通道尺寸：较小直径（8 μm）导致电子束发散，中等直径（16 μm）优化了空泡稳定性与电子注入，产生高电荷量（≈620 pC）、高能（≈450 MeV）电子束；过大直径（28 μm）则削弱波导约束能力。贝塔振荡幅度随通道直径增加而扩大，16 μm波导使X射线临界能量提升至41 keV，产额增长超12倍。

结论

本研究证实通过调控等离子体波导横向密度分布可同步优化激光尾波场加速器（LWFA）的电子束品质与贝塔振荡辐射强度。通道直径的精准设计促进了离轴电子注入，增强贝塔振荡幅度，为实现紧凑型高亮度X射线源提供了新途径。