等离子体尾波场加速器实现电子束能量与亮度同步提升的突破性进展

《Nature Communications》：Plasma-wakefield accelerator simultaneously boosts electron beam energy and brightness

本刊推荐：为解决传统射频加速器尺寸庞大、成本高昂的瓶颈问题，研究人员开展等离子体尾波场加速器（PWFA）研究，通过三阶段米级等离子体源创新设计，成功将电子束能量提升至20 GeV以上，同时实现亚百分之一能散度、2 mm·mrad归一化发射度及kA级峰值电流，能量转换比突破2，亮度提升超一个数量级，为未来紧凑型高能粒子对撞机和X射线自由电子激光器（XFEL）提供了革命性技术路径。

　　

高能粒子对撞机和X射线自由电子激光器（XFEL）作为探索物质微观结构的重要工具，其性能核心依赖于高品质电子束。然而，传统射频加速器受限于电场击穿阈值（约100 MV/m），需千米级规模才能实现多GeV能量与高亮度束流，导致设施造价高昂、运行成本巨大。等离子体加速器因其可承载GV/m量级的加速梯度，被誉为下一代紧凑型加速器的理想解决方案，但长期面临难以同时实现高能量、窄能散与高亮度的挑战。

近日，由加州大学洛杉矶分校Chaojie Zhang与Chan Joshi团队主导的国际合作研究在《Nature Communications》发表突破性成果。研究团队利用SLAC国家加速器实验室的FACET-II装置，首次演示了等离子体尾波场加速器在非线性区同时提升电子束能量与亮度的“变压器”效应。通过创新设计的三阶段等离子体源，将10 GeV驱动束的能量高效转移至自注入尾束，产生超过20 GeV、亚百分之一能散度、2 mm·mrad归一化发射度的电子束，亮度较驱动束提升最高达38倍，能量转换比（E-TR）突破理论极限值2，为等离子体加速器迈向实际应用奠定了关键基础。

研究采用多项核心技术方法：利用FACET-II装置产生10 GeV、1.6 nC电荷的驱动电子束；通过束流电离氢气体构建米级三阶段等离子体源（含预聚焦等离子体透镜、陡降密度注入区及加速区）；采用成像谱仪与物理信息机器学习框架重建束流纵向相空间；结合QPAD与OSIRIS粒子模拟（PIC）验证实验数据。

实验装置设计

研究团队设计的三阶段等离子体源（图1a）整合了驱动束聚焦、尾束注入与加速功能。驱动束的高流强尖峰（15-100 kA）预先电离氢气形成等离子体透镜，将束斑聚焦至微米级，激发非线性尾波场。可移动刀片在喷注出口制造数百微米尺度的密度陡降，使尾波相速度骤降引发等离子体电子自注入。下游2.85米长的气体区域为加速段，通过密度渐变实现束流自匹配传输，无需外加磁元件或等离子体通道引导。

高能量转换比加速

通过调节驱动束真空腰斑相对于气体喷注的位置（75-100 cm下游），控制加速长度以实现20 GeV以上能量增益（图2a）。能量转换比分析显示（图2b），低电荷（<5 pC）注入束因更接近气泡高压区且束流加载效应弱，E-TR随电荷减少快速上升；电荷超过5 pC时，E-TR因束加载效应缓慢下降，半数实验 shots 的E-TR仍超过2。考虑到驱动束在注入点前已损失约3 GeV能量，实际E-TR可能高达3。

同步亮度提升

亮度（B_n=2I_peak/ε_n²）提升源于发射度降低与峰值电流优化。单发射度测量显示注入束归一化发射度仅2.4 mm·mrad（图3b），较驱动束（22.6 mm·mrad）下降近10倍。通过物理信息机器学习反演束流纵向相空间（图3c-d），重建出峰值电流3.5 kA、长度2 μm的三角型电流分布，对应纵向发射度74 keV·ps，与LCLS直线加速器束流相当。亮度分析表明（图3f），注入束亮度达1.2×10¹⁵ A/m²/rad²，最高提升38倍。

结论与展望

本研究首次实验验证了等离子体尾波场加速器可同时作为能量与亮度变压器，通过泵浦耗尽机制将驱动束能量高效转移至高品质注入束。非线性区运行的E-TR突破线性理论限制，结合自匹配传输与束流加载控制，实现了多GeV能量增益与量级化亮度提升的协同优化。该成果为等离子体加速器在紧凑型X射线自由电子激光器与未来对撞机中的应用提供了关键技术支撑，通过进一步优化束流形貌与等离子体剖面，有望将亮度推升至10¹⁹ A/m²/rad²量级，超越现有射频加速器极限。