利用兩級雷射等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬射線輻射新方案

2020-08-29 量子之聲

近日，上海交通大學盛政明教授和陳民教授團隊在美國《科學》雜誌子刊[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上以「Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator」為題發表最新研究成果，提出了一種利用兩級雷射等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬射線輻射的新方案。該研究方案有望將伽馬射線峰值亮度推向自由電子雷射亮度範疇、輻射光子能量拓展至GeV量級，由此為科學研究和應用帶來新的機遇。

圖1 基於兩級雷射等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬射線的示意圖。(A)分級加速和輻射示意圖；(B)三維粒子模擬顯示的驅動雷射、等離子體尾場、被加速電子束和伽馬射線輻射的空間分布。

超亮伽馬輻射源是科學技術領域中重要的研究工具，在基礎科學、工業、醫療等領域都具有廣泛的應用。目前，高亮度的輻射源主要是由大型同步輻射裝置和X射線自由電子雷射(XFEL)來產生，它們可以提供峰值亮度範圍分別約為1019-24和1027-32 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)。但是，所獲得的光子能量範圍一般只有keV至百keV，峰值功率大約只有GW量級。此外，這些大科學裝置的高昂造價和超大規模限制了它們的建造數量和應用範圍。

近年來，基於等離子體的雷射尾波場加速器(LWFA)得到了迅速地發展，它可以產生比傳統射頻加速器高出三個數量級的超高加速場梯度，從而使GeV能量電子的加速長度可以縮短到釐米甚至毫米尺度，這使得臺面型高能粒子加速器和超亮輻射源產生成為可能。目前，基於LWFA驅動產生的高能電子，通過其在尾波場中的Betatron運動或在外部電磁場中的Undulator輻射以及與強雷射對撞通過Thomson/Compton散射，可以產生高亮度的X/γ射線脈衝。但是，所獲得的輻射源光子能量一般限制在keV 至MeV範圍內，峰值亮度約為1019-23 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)，對應的驅動雷射到輻射源的能量轉化效率大約只有10-6量級。儘管研究人員付出了很多努力，並提出了大量的方案來增強基於LWFA的高能輻射源，但是如何顯著地提高輻射源的光子能量、能量轉化效率和峰值亮度仍然是一個巨大的挑戰。

在這項研究工作中，研究團隊通過大型三維粒子模擬研究，提出了一個全新的高效方案來產生這種超高亮度伽馬射線脈衝，可同時獲得高達GeV量級的超高光子能量和接近XFEL水平的極高峰值亮度。該方案是基於一束數拍瓦雷射驅動的兩級LWFA加速和輻射機制，如圖1所示。在第一級中，利用高強度雷射脈衝與一個相對低密度的等離子體作用，產生數GeV能量、幾十nC電量的稠密電子束，其能量轉換效率可高達~40%；隨後，該高能稠密電子束隨驅動雷射脈衝共同進入一個更高密度的第二級等離子體中。這將觸發更多的電子被注入到尾場，激發更高強度的準靜態電磁場，從而使得輻射過程從通常雷射尾場加速中的經典Betatron輻射機制向以量子電動力學（QED）效應為主的量子輻射機制轉換，輻射光子的能量可達GeV量級，產生準直的超亮伽馬射線輻射，峰值亮度可高達1027 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW，能量轉換效率高達10%以上。利用該輻射機制獲得的光子數目、能量轉化效率、峰值亮度和輻射功率可以比現有的LWFA輻射源高出3-4個數量級。如此高強度的伽馬射線源具有獨特的能力，有望為廣泛的前沿科學研究和應用提供一個極具潛力的新手段。目前國內外多個研究機構，如歐盟ELI、中國科學院上海光機所、中國工程物理研究院等單位已經建成或者正在建設數拍瓦的超高功率雷射系統，這為不久的將來在實驗上驗證該方案提供了可能。

論文第一作者是上海交通大學博士生朱興龍，通訊作者為陳民教授和盛政明教授，合作者包括國防科技大學餘同普教授、中國人民大學王偉民教授、上海交通大學翁蘇明研究員、何峰教授、張杰院士等人。該項工作得到了國家自然科學基金委創新群體和重大項目、中物院挑戰計劃專題、中科院先導專項等項目的支持。

文章連結：https://advances.sciencemag.org/content/6/22/eaaz7240

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