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光学工程
伽马射线源生成记

近期,中科院上海光机所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新带领的研究团队在超强超短激光驱动的超高亮度伽马射线源研究方面取得突破性进展。

该团队利用超强超短激光驱动的级联尾波场加速,获得了高性能高能电子束,电子束进一步与激光对撞,从而产生了MeV量级的、超高亮度、准单色性的伽马射线源。射线源的最高峰值亮度达3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1% BW,与国际上报道的同类伽马射线源亮度相比高出一个量级以上。相关研究结果发表于Scientific Report [6, 29518 (2016)]


图 (a-c) 实验测量的伽马射线束斑分布、经过不同衰减片后的束斑分布及背景辐射;(d-f) 分别对应(a-c)的伽马射线光子空间分布;(h) 射线源及背景在横向和纵向方向上的强度分布;(i) 重构的伽马射线源能谱。

高能伽马射线源在核物理与核光子学、粒子物理、材料科学、医疗诊断、核能应用、空间技术等诸多领域都有着极其重要的应用价值。为此,世界上很多国家包括中国在内都在积极建立伽马射线源。但基于传统加速器的伽马射线源装置体积庞大,造价昂贵,这大大限制了其发展与应用。

基于相对论电子束与激光对撞的逆康普顿散射为产生高能伽马射线源提供了一种新的有效途径。相对论电子束可通过超强超短激光驱动等离子体尾波场这一全新电子加速机制来获取。其加速梯度相比于传统电子加速器提高了3个量级以上,能够极大地降低系统的规模和成本,由此可实现康普顿伽马射线源装置的小型化。此外,超强超短激光加速产生的相对论电子束天然具有飞秒尺度脉宽、微米量级束斑尺寸的特性,这使得伽马射线脉冲具有传统方法难以获得的超短脉冲、超高亮度等显著优点。

近几年来,上海光机所研究团队在激光尾波场电子加速方面开展了独具特色的研究,并取得了许多重要研究成果[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011); Appl. Phys. Lett.103, 243501(2013)]。例如,他们在国际上首次成功实现级联双尾波场准单能高能电子加速新方案,获得了GeV量级准单能电子束。

在本项康普顿伽马射线源的研制过程中,该研究团队利用自行研制的高重复频率200 TW超强超短激光装置,通过优化级联尾波场电子加速中的电子注入位相,获得了峰值能量在150~450 MeV范围,能散~1 %,电量~50 pC,发散角< 0.5 mrad,脉宽~10 fs的高性能准单能电子束。

他们进而利用等离子体镜反射驱动激光与该电子束实现自同步精确对撞,产生了峰值能量在0.3-2 MeV范围可调谐的准单色伽马射线源。射线源的最高峰值亮度达到 3×1022 photons s-1mm-2 mrad-2 0.1% BW,比传统伽马射线源同能区的峰值亮度高出10万倍,同时单发伽马光子数达到5×107

审稿人对该结果给予了高度评价,认为“该论文非常全面地表征了一种全光驱动准单色康普顿散射源,并在软伽马射线范围取得了创纪录的峰值亮度”, “作者们通过全方位的测量、考虑可能存在的背景影响以及详尽的模拟,给出了非常完整的物理图像”。该研究成果也被国内各大新闻网站,如新华网、中国科学报、中国科学院网等以首页形式进行了报道。

注:在这一研究涉及的伽马射线源的诊断测量中,上海光机所研究团队与合作单位西北核技术研究所开展了密切的合作。


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