激光等离子体尾波加速技术凭借高加速梯度、超紧凑性等优势，长期以来被视为传统加速技术的替代方案。超短脉冲强场激光在气体等离子体中会激发出类似空泡结构的等离子体尾波，这种尾波可在毫米范围内将电子能量加速至GeV量级。然而相较于传统的大型加速装置，通过激光等离子体尾波加速技术产生的电子束存在能谱展宽，复现性差等缺点，严重限制了其进一步应用。

为了解决上述问题，德国电子同步加速器研究所（DESY）与汉堡大学的联合研究团队提出了一种主动压窄电子束能谱展宽的方案。该方法使用磁性chicane对电子束进行啁啾处理，随后通过射频腔进行去啁啾。相比于之前的研究，该装置产生的电子束能谱展宽和能量抖动减小了一个数量级以上，低于0.1%量级，达到了现代同步加速器的可接受标准。该研究为构建更紧凑的加速器提供了新的途径，有助于其在基础研究、工业和生命科学领域的更广泛应用。相关论文以“Active energy compression of a laser-plasma electron beam”为题发表于Nature期刊。（）

实验方法

DESY研究团队使用其自主研发的LUX激光等离子体加速器产生初始电子束（见图1插图）。在该装置中，能量2.2 J，脉宽35 fs的高能激光聚焦于直径500 μm，长5 mm的气体通道中，以1 Hz的重复率作用气体靶材，激发电子的产生与加速。该初始电子束具有约3.5%的能量抖动以及约1.8%的能谱展宽，通过模拟估算，电子束长度约为2 μm，峰值电流约为2.5 kA。

为了压窄电子束能谱展宽，研究团队提出了一种双阶段校正方法（见图1）：电子束首先通过由四个偏转磁铁组成的磁性chicane结构，由于不同能量的电子在chicane中的传输路径长度不同——高能量的电子传输路径较短，而低能量的电子传输路径较长——利用磁场即可实现电子束纵向拉伸，从而引入电子束能量-位置分布，即能量啁啾（见图1b）。随后，研究团队利用腔长5m的射频腔补偿能量啁啾，通过施加正弦电压、调节电子束与射频电场的相位，实现电子束能谱压窄效果（见图1c、d）。

图1电子束能谱压窄装置示意图。（a）电子束能谱展宽；（b）电子束能量啁啾；（c）电子束去啁啾；（d）能谱压窄

研究结果

研究团队对初始能量约0.257 GeV的电子束进行了能谱压窄演示。在射频电场的相位扫描过程中，发现压窄效果最好时射频电场相位为-23.6°而非0°，这是由于chicane的高阶色散为电子束能量啁啾增加了非线性曲率，而一定程度的相位偏移正好补偿了该非线性效应。

图2和图3分别展示了电子束能量抖动和能谱展宽。启动射频电场后，电子束能量抖动和能谱展宽分别降低至0.048%和0.097%，相比初始值分别降低了72倍和18倍。压窄后，电子中位能量从257 MeV转移到275 MeV，最优时单个电子束脉冲能谱展宽仅为0.068%，峰值谱密度从5 pC/MeV增大至70 pC/MeV。研究结果表明，该技术使得电子束能量抖动与能谱展宽均低于千分之一，显著提高了电子束的稳定性和品质，使其更接近现代射频加速器的性能水平。

研究团队还表示，在几个百分点内改变射频电场相位，可以微调电子束能量，而能谱压窄性能并不会显著变化。若要降低射频功率，可以进一步拉长电子束的纵向尺寸，但其引发的非线性效应可能会降低压窄性能。

图2主动能谱压窄。（a）电子能谱；（b）压窄前后电子平均能谱

图3 电子束能谱展宽。（a）能谱展宽统计；（b）压窄后单个电子束能谱

总结与展望

通过将激光等离子体尾波加速技术和射频加速技术结合，研究团队成功获得了能谱展宽与能量抖动均小于千分之一的稳定电子束，这一突破将对高能物理及先进光源等领域产生巨大影响。该研究将有助于增强人们对激光等离子体尾波加速技术的信心。通过进一步提升受控电子束能量至GeV量级，该技术有望替代传统的射频直线加速器，为自由电子激光器和同步辐射装置等X射线源提供注入电子束，大幅缩小装置所需体积与成本，增加其应用可能性。

科学编辑 | 孙秦

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