圖1. 2D模擬下各種密度下激光能量轉化為1、10、20MeV光子的效率（板塊（b））。板塊（a）和（c）展示了ne=10nc,時間為300fs以及ne=50nc,時間為250fs時密度和電場的快照，能量超過10MeV的光子發(fā)射用紅色圈表示。這兩種模擬中輻射能量的時間積分按照發(fā)射電子的縱向動量（（d）和（（f））以及相對于激光原始傳播軸夾角（（e）和（g））的函數(shù)列出。

圖2. （a）2D通道模擬中300fs時磁場Bz以及電子密度的快照。（b）樣本電子軌跡（黑色），發(fā)射超過2MeV（黑圈），發(fā)射超過30MeV（白圈）的能量。背景的顏色表示了單個盒子中發(fā)射的能量超過30MeV光子的個數(shù)。

然而，這些優(yōu)點的得到是以光子束的方向性為代價的。傳播在相對論透明區(qū)的激光束是不穩(wěn)定的。當激光脈沖偏離軸向（見圖1（a））時被脈沖加速的高能電子也會發(fā)生偏離。由于這些電子主要沿著他們動量的方向發(fā)射光子，光子束的方向性變得不確定。

磁場（圖2（a））快照的對比揭示了電子電流產生的強磁場的存在，在通道邊緣清晰可見。通道內電子可產生的最大磁場可以估算為：

假定電子密度ne大致為通道電子密度并且R為通道半徑。這一表達式同時假定所有的電子都以相對論速度前向移動，事實上，一些電子相對于通道軸線以一定的角度移動。雖然公式（2）最終過高估計了電子電流以及相應的磁場，但提供了一個數(shù)量級估計，B=0.3B0，這與~0.2 B0的模擬觀測值相當。其中B0≈2×106T，為電磁波的磁場。因此我們可以得到兩個結論。第一，估算表明慢變的磁場是由通道內的電子團產生的。更重要的是等離子體可以維持一個與激光脈沖相當?shù)拇艌觥?br />
強的自生磁場在一定程度上增加了沿通道移動電子所感受到的磁場。重要的是由這一磁場施加的力沒有像在激光場中那樣被電場補償?shù)?。在a0=190時，電子響應時間相對論修正的結果離子的響應時間相當，因此阻礙了強橫向類靜電場的產生。對典型的自生磁場B~0.2B0，可以得到η2≈4 × 10−3與模擬中觀測到的結果相符。這就證實了通道內增強的gamma射線發(fā)射直接與強的自生磁場有關。

綜上所述，研究發(fā)現(xiàn)既是是在以上激光強度下在一定密度區(qū)域內準直的數(shù)MeV的光子束可以高效的產生。再這一區(qū)域內，在等離子體內驅動了準靜態(tài)MT量級的磁場：相對論透明，直接激光加速以及同步發(fā)射。與以往文獻中的密度區(qū)域不同，等離子體密度必須明顯的低于相對論臨界密度。激光脈沖持續(xù)時間和等離子體密度必須選擇恰當以使強磁場區(qū)域足夠的長能夠使前向運動的電子沿著通道多次反彈。對于PW級別的激光脈沖，預先設計的靶材結構在與激光相互作用時內部的通道變?yōu)橄鄬φ撏该?，這一通道可以控制光子束的方向性并且產生數(shù)十TW定向的MeV光子。輻射光子的特性會使一些在成像、醫(yī)學治療、同位素產生以及核物理方面的新奇應用的發(fā)展成為可能。

　　摘譯自：D. J. Stark, Enhanced Multi-MeV Photon Emission by a Laser-Driven Electron Beam in a Self-Generated Magnetic Field. Physical review letters, 2016, 116: 185003.