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利用激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马射线源

2020-09-28

上海交通大学盛政明教授和陈民教授团队提出了一种利用两级激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马射线辐射的新物理方案。该方案有望使得伽马射线辐射源的峰值亮度推向自由电子激光亮度范畴和光子能量拓展至GeV量级,这将为广泛的科学研究与应用带来新的机遇。该工作以“Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator”为题于2020年5月29日在线发表在[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上。

超亮伽马射线源在基础科学、工业、医疗等领域中具有重要的研究意义和广泛的应用价值。目前,高亮度辐射源主要是通过大型同步辐射装置和X射线自由电子激光来产生,获得的峰值亮度范围分别约为1019-24和1027-32 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)。但是,所获得的辐射光子能量范围一般只在keV至百keV。此外,这些大科学装置的高昂造价和超大尺寸限制了其数量和应用范围。

近年来,随着激光技术的快速发展,基于等离子体的激光尾波场加速器(LWFA)受到了广泛的关注和研究。它可以产生比传统射频加速器高约三个数量级的超高加速场梯度,从而使GeV能量电子的加速长度可以缩短到厘米甚至毫米尺度,这使得台面型高能粒子加速器和高亮度辐射源产生成为可能。但是,目前基于LWFA驱动产生的高亮度X/γ射线源的光子能量和亮度都限制在第三代同步辐射源量级,对应的驱动激光脉冲到辐射源的能量转化效率大约只有10-6量级。对于如何根本性地提高辐射光子能量、能量转化效率和峰值亮度仍是一个巨大的科学挑战。


图1:利用两级激光等离子体加速器产生极高亮度GeV伽马辐射源的物理方案。(A)物理机制示意图;(B)三维粒子模拟结果图。

为了解决这一难题,研究团队提出了一种全新的物理方案,基于一束数拍瓦激光驱动两级激光等离子体尾波场加速和辐射机制,如图1所示。在第一级中,利用高强度激光脉冲与一个相对低密度的等离子体作用,产生数GeV能量、几十纳库电量的稠密电子束;随后,激光脉冲驱动着该高能电子束共同进入一个更高密度的第二级等离子体中。

这将触发更多的电子被注入到尾场,从而激发更高强度的准静态电磁场。这会导致光子辐射过程由通常激光尾场加速中的经典Betatron辐射机制转变为以量子电动力学(QED)效应为主导的量子辐射新机制,产生准直的超亮伽马射线辐射,所获得的辐射光子能量可高达GeV量级,具有的峰值亮度可达1027 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW,能量转化效率高达10%以上。

最终,该机制产生的光子数目、能量转化效率、峰值亮度和辐射功率可以比现有的LWFA辐射源高出3-4个数量级。如此高亮度的超强伽马射线辐射源具有独特的研究能力,将为广泛的前沿科学领域提供一个极具潜力的新平台。目前国内外,如欧盟ELI、中国科学院、上海光机所、中国工程物理研究院等单位已经建成或者正在建设数拍瓦级的超高功率激光系统,这为不久的将来在实验上验证该方案提供了可能。

该论文第一作者是上海交通大学博士生朱兴龙,上海交通大学陈民教授和盛政明教授为该工作的共同通讯作者,合作者包括国防科技大学余同普教授、中国人民大学王伟民教授、上海交通大学翁苏明研究员、何峰教授、张杰院士等人。该项工作得到了国家自然科学基金委创新群体和重大项目、中物院挑战计划专题、中科院先导专项等项目的大力支持。

论文链接:https://advances.sciencemag.org/content/6/22/eaaz7240