日本大阪大学：超音速喷嘴所形成气流不稳定性的新研究进展
背景
激光等离子体波加速（Laser wakefield acceleration, LWFA）是一种前沿的粒子加速方法。当高强度短脉冲激光穿过等离子体时，它会在激光脉冲后方产生电子等离子体波。背景电子可以被这些电子波俘获并加速。理论上这样的等离子体波的电场可以提供100 GeV/m的加速电场，比传统的射频（Radio Frequency, RF）腔体产生的加速梯度高出三个数量级。在过去的二十年里，LWFA实验取得了一些非凡的进展。目前的激光等离子体波加速器可以产生能量小于1%的百MeV电子束，电子束发散度可以抑制到3毫米毫弧度。然而，提高电子束的稳定性依旧是全球研究人员面临的重大挑战。影响电子束稳定性的因素主要来自于两个方面：（1）激光系统的不稳定性；（2）等离子体靶中的不稳定性。
近些年，许多实验组，例如日本国家量子科学与技术研究所(National Institutes for Quantum Science and Technology, QST)的强场科学研究组[1]，韩国基础科学研究院(the Institute for Basic Science, IBS)的相对论激光研究中心[2]以及德国慕尼黑大学(Ludwig-Maximilian München Unitversität, LMU)的先进激光应用研究中心[3]等，开始研究激光不稳定性对于电子束的影响。对于等离子体靶的研究重心更加倾向于新的注入机制开发，而对于稳定性的研究在近几年并没有受到很高的关注。
日本大阪大学最新研究了超音速喷嘴所形成气流的不稳定性，成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023 年第6期，并被选为Editors' Pick（Zhen-Zhe Lei, Yan-Jun Gu, Zhan Jin, Shingo Sato, Alexei Zhidkov, Alexandre Rondepierre, Kai Huang, Nobuhiko Nakanii, Izuru Daito, Masakai Kando, Tomonao Hosokai. Supersonic gas jet stabilization in laser–plasma acceleration[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(6): 06000e91）
核心内容
图1 (a)超音速喷嘴的示意图；(b)用于流体模拟的模型示意图；(c)在不同入口微扰下整流腔中的流体速度分布；(d)在不同入口微扰下出口处的气体密度分布
开发中的超音速喷嘴示意图如图1（a）所示， 整个喷嘴通过基座与电磁阀相连接。在基座上增加了一个用于抑制湍流的整流腔。整流腔末端与一个渐缩渐阔喷管相连接。氢气流在喷管末端预期能达到马赫左右的流速。在喷嘴设计过程中，流体模拟被用于检验并优化设计构想。用于流体模拟的模型如图1（b）所示。通过改变储气罐（reservoir）中圆形障碍的位置，可以对喷嘴连接管（connection tube）内的流体加入微扰， 从而改变渐缩渐阔喷管入口处的流体状态。通过分析喷管出口处的流体状态，非线性湍流对于整个喷嘴的影响得以验证。图1（c）和（d）分别展示了模拟下，增加整流腔后喷嘴整流腔中的流体状态以及喷嘴出口处的氢气密度分布。通过流体模拟，作者对超声速气体射流中源自非线性湍流的流体不稳定性进行了探讨。
在RIKEN SPring-8 园区内的激光尾场加速实验显示，通过使用带有整流腔的超音速喷嘴可以有效降低在等离子体中的激波不稳定性。在比较了稳定和不稳定氢气流产生的电子束的指向稳定性后，作者确认了流体不稳定性抑制对电子束稳定性产生的影响。如图2所示，展示了每种喷嘴类型在20次射击内获得的电子指向稳定性结果。使用超音速喷嘴的20次射击结果较为集中（如图2（b）），而使用简单圆锥形喷嘴的20次射击结果则在x和y方向上的标准差都大于10倍（如图2（a））。由于两种情况下照射的激光条件都是相同的，因此可以排除激光系统引起的指向波动。由此电子指向稳定性的提高可以归功于喷嘴设计，即静止室内的耗散过程。
图2 实验中获得的电子束指向分布：(a) 使用简单圆锥形喷嘴；(b) 使用超音速喷嘴
总结
所有的工作都表明，通过在超音速喷嘴中增加静止室可以抑制气体射流中的流体不稳定性。这种新设计可以显著提高激光等离子体波加速实验中的电子束指向稳定性，这对于激光等离子体的应用非常重要。
团队介绍
雷臻哲，大阪大学产业科学研究所博士研究生，主要方向为激光等离子体电子加速。
顾彦珺，大阪大学产业科学研究所，特任副教授。研究方向为激光等离子体粒子加速，实验室天体物理，惯性约束聚变和高能量密度物理。发表SCI收录论文60余篇。
金展，大阪大学产业科学研究所，副教授。研究方向为高功率激光工程，激光和等离子体相互作用，激光加速和高强度太赫兹光源开发和利用。发表SCI收录论文70余篇。
細貝知直，大阪大学产业科学研究所教授，副所长。研究方向为放电等离子体，高功率激光应用，激光等离子体加速，新型光源开发和利用。
[3] v. Grafenstein, K., Foerster, F.M., Haberstroh, F. et al. Sci Rep 13, 11680 (2023).
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