近期，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所強(qiáng)場激光物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室徐至展、李儒新帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)，基于超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的超高亮度伽馬γ射線源研究取得突破性進(jìn)展。利用超強(qiáng)超短激光驅(qū)動的級聯(lián)尾波場加速獲得高性能高能電子束與激光對撞產(chǎn)生超高亮度準(zhǔn)單色MeV量級伽馬射線源，其最高峰值亮度達(dá)3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，與國際上報(bào)道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個(gè)量級以上，比傳統(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高了10萬倍。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于《科學(xué)報(bào)告》[Scientific Reports 6, 29518 (2016)]。
基于相對論電子束與激光對撞的逆康普頓散射是目前產(chǎn)生高能伽馬射線源的最有效途徑。高能伽馬射線源在核物理與核光子學(xué)、粒子物理、無損檢測、材料科學(xué)、醫(yī)療診斷、核能、空間技術(shù)等諸多領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值，世界上很多國家包括中國都在積極建立伽馬射線源，但基于傳統(tǒng)加速器的伽馬射線源裝置體積龐大，造價(jià)昂貴，大大限制了其發(fā)展與應(yīng)用。超強(qiáng)超短激光驅(qū)動等離子體尾波場電子加速是一種全新的電子加速機(jī)制，其加速梯度相比于傳統(tǒng)電子加速器提高了3個(gè)量級以上，能夠極大地降低系統(tǒng)的規(guī)模和成本，實(shí)現(xiàn)康普頓伽馬射線源裝置的小型化。此外，超強(qiáng)超短激光加速產(chǎn)生的相對論電子束天然具有飛秒尺度脈寬、微米量級尺寸的特性，使伽馬射線脈沖具有傳統(tǒng)方法難以獲得的超短脈沖、超高亮度等顯著優(yōu)點(diǎn)。
近幾年來，上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)在激光尾波場電子加速方面開展了獨(dú)具特色的研究，國際上首次成功實(shí)現(xiàn)級聯(lián)雙尾波場準(zhǔn)單能高能電子加速新方案，獲得了GeV級準(zhǔn)單能電子束等重要研究成果[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011); Appl. Phys. Lett.103, 243501(2013)]。在本項(xiàng)康普頓g射線源的研制過程中，利用自行研制的高重復(fù)頻率200TW超強(qiáng)超短激光裝置，通過優(yōu)化級聯(lián)尾波場電子加速中的電子注入位相，獲得了峰值能量在200~500 MeV范圍，能散~1%，電量~50pC，發(fā)散角<0.4 mrad，脈寬~10fs的高性能準(zhǔn)單能電子束。并利用等離子體鏡反射驅(qū)動激光與該電子束實(shí)現(xiàn)自同步精確對撞，產(chǎn)生了峰值能量在0.2-2 MeV范圍可調(diào)諧的準(zhǔn)單色伽馬射線源。最高峰值亮度達(dá)到 3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，比傳統(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高10萬倍，同時(shí)單發(fā)伽馬光子數(shù)達(dá)到5×107光子。
這種小型化超高亮度準(zhǔn)單色MeV量級伽馬射線源將在核物理與核光子學(xué)、材料科學(xué)、無損檢測、醫(yī)療診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
該項(xiàng)研究的伽馬射線源的診斷測量與西北核技術(shù)研究所合作完成。
基于相對論電子束與激光對撞的逆康普頓散射是目前產(chǎn)生高能伽馬射線源的最有效途徑。高能伽馬射線源在核物理與核光子學(xué)、粒子物理、無損檢測、材料科學(xué)、醫(yī)療診斷、核能、空間技術(shù)等諸多領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用價(jià)值，世界上很多國家包括中國都在積極建立伽馬射線源，但基于傳統(tǒng)加速器的伽馬射線源裝置體積龐大，造價(jià)昂貴，大大限制了其發(fā)展與應(yīng)用。超強(qiáng)超短激光驅(qū)動等離子體尾波場電子加速是一種全新的電子加速機(jī)制，其加速梯度相比于傳統(tǒng)電子加速器提高了3個(gè)量級以上，能夠極大地降低系統(tǒng)的規(guī)模和成本，實(shí)現(xiàn)康普頓伽馬射線源裝置的小型化。此外，超強(qiáng)超短激光加速產(chǎn)生的相對論電子束天然具有飛秒尺度脈寬、微米量級尺寸的特性，使伽馬射線脈沖具有傳統(tǒng)方法難以獲得的超短脈沖、超高亮度等顯著優(yōu)點(diǎn)。
近幾年來，上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)在激光尾波場電子加速方面開展了獨(dú)具特色的研究，國際上首次成功實(shí)現(xiàn)級聯(lián)雙尾波場準(zhǔn)單能高能電子加速新方案，獲得了GeV級準(zhǔn)單能電子束等重要研究成果[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011); Appl. Phys. Lett.103, 243501(2013)]。在本項(xiàng)康普頓g射線源的研制過程中，利用自行研制的高重復(fù)頻率200TW超強(qiáng)超短激光裝置，通過優(yōu)化級聯(lián)尾波場電子加速中的電子注入位相，獲得了峰值能量在200~500 MeV范圍，能散~1%，電量~50pC，發(fā)散角<0.4 mrad，脈寬~10fs的高性能準(zhǔn)單能電子束。并利用等離子體鏡反射驅(qū)動激光與該電子束實(shí)現(xiàn)自同步精確對撞，產(chǎn)生了峰值能量在0.2-2 MeV范圍可調(diào)諧的準(zhǔn)單色伽馬射線源。最高峰值亮度達(dá)到 3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，比傳統(tǒng)伽馬射線源同能區(qū)的峰值亮度提高10萬倍，同時(shí)單發(fā)伽馬光子數(shù)達(dá)到5×107光子。
這種小型化超高亮度準(zhǔn)單色MeV量級伽馬射線源將在核物理與核光子學(xué)、材料科學(xué)、無損檢測、醫(yī)療診斷等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。
該項(xiàng)研究的伽馬射線源的診斷測量與西北核技術(shù)研究所合作完成。
(a-c) 實(shí)驗(yàn)測量的伽馬射線束斑分布、經(jīng)過不同衰減片后的束斑分布及背景輻射；(d-f) 分別對應(yīng)(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(qiáng)度分布；(i) 重構(gòu)的伽馬射線源能譜。
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