上海交通大學(xué)盛政明教授和陳民教授團(tuán)隊(duì)提出了一種利用兩級(jí)激光等離子體加速器產(chǎn)生極高亮度GeV伽馬射線輻射的新物理方案。該方案有望使得伽馬射線輻射源的峰值亮度推向自由電子激光亮度范疇和光子能量拓展至GeV量級(jí)，這將為廣泛的科學(xué)研究與應(yīng)用帶來(lái)新的機(jī)遇。該工作以“Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator”為題于2020年5月29日在線發(fā)表在[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上。

超亮伽馬射線源在基礎(chǔ)科學(xué)、工業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域中具有重要的研究意義和廣泛的應(yīng)用價(jià)值。目前，高亮度輻射源主要是通過(guò)大型同步輻射裝置和X射線自由電子激光來(lái)產(chǎn)生，獲得的峰值亮度范圍分別約為1019-24和1027-32 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)。但是，所獲得的輻射光子能量范圍一般只在keV至百keV。此外，這些大科學(xué)裝置的高昂造價(jià)和超大尺寸限制了其數(shù)量和應(yīng)用范圍。

近年來(lái)，隨著激光技術(shù)的快速發(fā)展，基于等離子體的激光尾波場(chǎng)加速器(LWFA)受到了廣泛的關(guān)注和研究。它可以產(chǎn)生比傳統(tǒng)射頻加速器高約三個(gè)數(shù)量級(jí)的超高加速場(chǎng)梯度，從而使GeV能量電子的加速長(zhǎng)度可以縮短到厘米甚至毫米尺度，這使得臺(tái)面型高能粒子加速器和高亮度輻射源產(chǎn)生成為可能。但是，目前基于LWFA驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高亮度X/γ射線源的光子能量和亮度都限制在第三代同步輻射源量級(jí)，對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)激光脈沖到輻射源的能量轉(zhuǎn)化效率大約只有10-6量級(jí)。對(duì)于如何根本性地提高輻射光子能量、能量轉(zhuǎn)化效率和峰值亮度仍是一個(gè)巨大的科學(xué)挑戰(zhàn)。

圖1：利用兩級(jí)激光等離子體加速器產(chǎn)生極高亮度GeV伽馬輻射源的物理方案。(A)物理機(jī)制示意圖；(B)三維粒子模擬結(jié)果圖。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種全新的物理方案，基于一束數(shù)拍瓦激光驅(qū)動(dòng)兩級(jí)激光等離子體尾波場(chǎng)加速和輻射機(jī)制，如圖1所示。在**級(jí)中，利用高強(qiáng)度激光脈沖與一個(gè)相對(duì)低密度的等離子體作用，產(chǎn)生數(shù)GeV能量、幾十納庫(kù)電量的稠密電子束；隨后，激光脈沖驅(qū)動(dòng)著該高能電子束共同進(jìn)入一個(gè)更高密度的第二級(jí)等離子體中。

這將觸發(fā)更多的電子被注入到尾場(chǎng)，從而激發(fā)更高強(qiáng)度的準(zhǔn)靜態(tài)電磁場(chǎng)。這會(huì)導(dǎo)致光子輻射過(guò)程由通常激光尾場(chǎng)加速中的經(jīng)典Betatron輻射機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)橐粤孔与妱?dòng)力學(xué)(QED)效應(yīng)為主導(dǎo)的量子輻射新機(jī)制，產(chǎn)生準(zhǔn)直的超亮伽馬射線輻射，所獲得的輻射光子能量可高達(dá)GeV量級(jí)，具有的峰值亮度可達(dá)1027 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW，能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)10%以上。

**終，該機(jī)制產(chǎn)生的光子數(shù)目、能量轉(zhuǎn)化效率、峰值亮度和輻射功率可以比現(xiàn)有的LWFA輻射源高出3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。如此高亮度的超強(qiáng)伽馬射線輻射源具有獨(dú)特的研究能力，將為廣泛的前沿科學(xué)領(lǐng)域提供一個(gè)極具潛力的新平臺(tái)。目前國(guó)內(nèi)外，如歐盟ELI、中國(guó)科學(xué)院、上海光機(jī)所、中國(guó)工程物理研究院等單位已經(jīng)建成或者正在建設(shè)數(shù)拍瓦級(jí)的超高功率激光系統(tǒng)，這為不久的將來(lái)在實(shí)驗(yàn)上驗(yàn)證該方案提供了可能。

該論文**作者是上海交通大學(xué)博士生朱興龍，上海交通大學(xué)陳民教授和盛政明教授為該工作的共同通訊作者，合作者包括國(guó)防科技大學(xué)余同普教授、中國(guó)人民大學(xué)王偉民教授、上海交通大學(xué)翁蘇明研究員、何峰教授、張杰院士等人。該項(xiàng)工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新群體和重大項(xiàng)目、中物院挑戰(zhàn)計(jì)劃專題、中科院先導(dǎo)專項(xiàng)等項(xiàng)目的大力支持。

論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/22/eaaz7240

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