上海光机所提出基于尾波场空泡加速的自旋过滤器新方案

近期，中国科学院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室研究团队提出了一种基于尾场空泡加速的自旋过滤器，利用该方案有望实现全光驱动的紧凑高能极化电子源。相关研究成果发表于《应用物理评论》（Physical Review Applied）。

高能极化电子束被广泛应用于高能物理（粒子对撞机）、核物理、材料物理等领域，然而产生这样的电子束一般依赖于庞大、造价高昂的传统加速器。激光尾场加速具有超高的加速梯度，国际上过去十多年在电子能量、品质的提升方面取得了显著进展，但极化粒子产生方面的研究几近于无。

研究团队独立发展了包含自旋效应的粒子模拟方法，开展激光极化粒子加速研究。研究发现，激光尾场电子加速过程中，注入电子产生的磁场使电子自旋发生进动，由于每个电子的注入位置、磁场方向与强度均不相同，自旋进动无法同步，从而使电子束发生退极化现象。进一步研究表明，对于横向预极化的等离子体靶，电子束的自旋进动与其在相空间的位置是相关的，在特定的相空间区域电子的自旋进动受到显著抑制。基于上述研究，研究人员设计了一种X型过滤器，置于加速完成的电子束之后，过滤掉进动显著的电子，留下相空间中高极化率部分。该设计方案可以使得电子束极化率由最初的35%左右提升至80%以上。

此外，研究人员通过大量三维模拟对该自旋滤波器的性能进行了标定，并对该方案在不完美实验条件下的稳定性（robustness）进行了讨论说明。该项研究工作，突破了先前利用尾场加速预极化电子加速的驱动源、等离子体源参数限制。利用该方案产生的高能极化粒子束未来可用于正负电子对撞机的束流源。

图1 激光尾波场加速的结构与电磁场分布（a）与尾场结构中电子自旋指向的演化（b）

相关研究得到国家自然科学基金和中科院先导B项目课题的支持。（强场激光物理国家重点实验室供稿）

原文链接：https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.13.044064