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光學工程
伽馬射線源生成記

近期,中科院上海光機所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新帶領的研究團隊在超強超短激光驅動的超高亮度伽馬射線源研究方面取得突破性進展。

該團隊利用超強超短激光驅動的級聯尾波場加速,獲得了高性能高能電子束,電子束進一步與激光對撞,從而產生了MeV量級的、超高亮度、準單色性的伽馬射線源。射線源的最高峰值亮度達3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1% BW,與國際上報道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個量級以上。相關研究結果發表于Scientific Report [6, 29518 (2016)]


圖 (a-c) 實驗測量的伽馬射線束斑分布、經過不同衰減片后的束斑分布及背景輻射;(d-f) 分別對應(a-c)的伽馬射線光子空間分布;(h) 射線源及背景在橫向和縱向方向上的強度分布;(i) 重構的伽馬射線源能譜。

高能伽馬射線源在核物理與核光子學、粒子物理、材料科學、醫療診斷、核能應用、空間技術等諸多領域都有著極其重要的應用價值。為此,世界上很多國家包括中國在內都在積極建立伽馬射線源。但基于傳統加速器的伽馬射線源裝置體積龐大,造價昂貴,這大大限制了其發展與應用。

基于相對論電子束與激光對撞的逆康普頓散射為產生高能伽馬射線源提供了一種新的有效途徑。相對論電子束可通過超強超短激光驅動等離子體尾波場這一全新電子加速機制來獲取。其加速梯度相比于傳統電子加速器提高了3個量級以上,能夠極大地降低系統的規模和成本,由此可實現康普頓伽馬射線源裝置的小型化。此外,超強超短激光加速產生的相對論電子束天然具有飛秒尺度脈寬、微米量級束斑尺寸的特性,這使得伽馬射線脈沖具有傳統方法難以獲得的超短脈沖、超高亮度等顯著優點。

近幾年來,上海光機所研究團隊在激光尾波場電子加速方面開展了獨具特色的研究,并取得了許多重要研究成果[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011); Appl. Phys. Lett.103, 243501(2013)]。例如,他們在國際上首次成功實現級聯雙尾波場準單能高能電子加速新方案,獲得了GeV量級準單能電子束。

在本項康普頓伽馬射線源的研制過程中,該研究團隊利用自行研制的高重復頻率200 TW超強超短激光裝置,通過優化級聯尾波場電子加速中的電子注入位相,獲得了峰值能量在150~450 MeV范圍,能散~1 %,電量~50 pC,發散角< 0.5 mrad,脈寬~10 fs的高性能準單能電子束。

他們進而利用等離子體鏡反射驅動激光與該電子束實現自同步精確對撞,產生了峰值能量在0.3-2 MeV范圍可調諧的準單色伽馬射線源。射線源的最高峰值亮度達到 3×1022 photons s-1mm-2 mrad-2 0.1% BW,比傳統伽馬射線源同能區的峰值亮度高出10萬倍,同時單發伽馬光子數達到5×107

審稿人對該結果給予了高度評價,認為“該論文非常全面地表征了一種全光驅動準單色康普頓散射源,并在軟伽馬射線范圍取得了創紀錄的峰值亮度”, “作者們通過全方位的測量、考慮可能存在的背景影響以及詳盡的模擬,給出了非常完整的物理圖像”。該研究成果也被國內各大新聞網站,如新華網、中國科學報、中國科學院網等以首頁形式進行了報道。

注:在這一研究涉及的伽馬射線源的診斷測量中,上海光機所研究團隊與合作單位西北核技術研究所開展了密切的合作。


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