近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)全光驅(qū)動(dòng)的緊湊高能極化電子源。相關(guān)研究成果發(fā)表于《應(yīng)用物理評論》（Physical Review Applied）。

圖1 激光尾波場加速的結(jié)構(gòu)與電磁場分布（a）與尾場結(jié)構(gòu)中電子自旋指向的演化（b）

圖2 自旋濾波器方案示意圖

高能極化電子束被廣泛應(yīng)用于高能物理（粒子對撞機(jī)）、核物理、材料物理等領(lǐng)域，然而產(chǎn)生這樣的電子束一般依賴于龐大、造價(jià)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(jìn)展，但極化粒子產(chǎn)生方面的研究幾近于無。

研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立發(fā)展了包含自旋效應(yīng)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(jìn)動(dòng)，由于每個(gè)電子的注入位置、磁場方向與強(qiáng)度均不相同，自旋進(jìn)動(dòng)無法同步，從而使電子束發(fā)生退極化現(xiàn)象。進(jìn)一步研究表明，對于橫向預(yù)極化的等離子體靶，電子束的自旋進(jìn)動(dòng)與其在相空間的位置是相關(guān)的，在特定的相空間區(qū)域電子的自旋進(jìn)動(dòng)受到顯著抑制。基于上述研究，研究人員設(shè)計(jì)了一種X型過濾器，置于加速完成的電子束之后，過濾掉進(jìn)動(dòng)顯著的電子，留下相空間中高極化率部分。該設(shè)計(jì)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(jìn)行了標(biāo)定，并對該方案在不完美實(shí)驗(yàn)條件下的穩(wěn)定性（robustness）進(jìn)行了討論說明。該項(xiàng)研究工作，突破了先前利用尾場加速預(yù)極化電子加速的驅(qū)動(dòng)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(fù)電子對撞機(jī)的束流源。