大数据分析揭秘激光加速器电子能量不稳定性来源 Physical Review X 10, 031039 (2020)

高能量、高亮度的电子束在基础科学研究和医学领域有着广泛的应用。激光等离子体加速器的概念最早在1979年由加州大学洛杉矶分校的Tajima教授提出，相较于传统的射频加速器而言，激光等离子体加速器更加廉价，并可以制作得更加紧凑。其原理是通过激光与等离子体相互作用产生一个稳定的尾波场（wakefield），从而加速从等离子体背景中注入的电子束。由于利用了等离子体的尾波场，因此激光驱动的电子加速在学术界也被称为激光尾场电子加速（laser wakefield acceleration, LWFA）。

       随着激光技术的快速发展，在2004年，激光加速器已经可以获得数10 MeV准单能的电子束，同年该技术方案获得的电子束也被Nature喻为“梦之束”（dream beam）。2019年，美国伯克利国家实验室的Bella项目组实现了目前最新的突破，通过毛细管实现了8 GeV量级的激光电子束加速。尾场加速的电子束有着广泛的应用（如图1所示），可以作为直接的探测手段在放射科学领域有广泛应用、可以产生二级光子辐射源以及粒子源，在整个物理、材料、医学工业界等都有着巨大的作用。

图1. 尾场加速电子束的应用（Plasma Wakefield Accelerator Research 2019 - 2040: A community-driven UK roadmap compiled by the Plasma Wakefield Accelerator Steering Committee (PWASC)[arXiv:1904.09205], Fig.4）

然而，由于高功率激光器具有重复频率低、输出参数不稳定等因素，造成的激光加速器产生的电子束的稳定性差的问题一直令人诟病。最近，由德国海德堡大学、德国汉堡DESY研究所、欧洲ELI中心以及德国马普所的研究者共同发表在Physical Review X上的文章，通过对驱动激光和电子束参数的进行大数据统计分析，确定了电子能量漂移和抖动的来源。同时基于大数据分析发现，研究者提供了一个参数化的稳定激光加速器性能的方案。

图2. 实验装置排布图（PHYS. REV. X 10, 031039 (2020)，Fig.1）

图3. 激光加速器电子束能量及能量偏差分布图（PHYS. REV. X 10, 031039 (2020)，Fig.2）

由于大数据分析需要极大的样本容量，研究者利用如图2所示的结构示意图和1 Hz高重频48 TW，2 J的激光器，在国际上首次实现了超过24小时无间断运行的激光等离子体加速器，并获得了超过100, 000组有效数据。获得数据的电子峰值能量和能量偏移率的结果如图3所示。通过统计分析，平均的峰值能量为368 MeV（标准差±2.4% ），平均电量25 pC （标准差±11%）以及平均能散半高全宽（FWHM）54 MeV（标准差±15 MeV）。

       研究者利用多套诊断设备，实现了激光加速器中各种参数的实时监测，从而可以分离变量来对不同参数与电子束品质进行定量相关性分析。基于分析结果，研究者构建了一套基于激光参数条件分析加速电子能量漂移的模。该模型的精度可以达到亚百分比量级，在未来可以通过反馈回路和加速器的微调，来复现各种应用场景所需要的电子束品质。

       该研究是激光加速器走向应用的一个重要里程碑，为未来通过激光加速器产生稳定、高品质的电子束有着重要的引导作用。