Laser-wakefield acceleratorer har lett till utvecklingen av kompakta, ultrakorta röntgen- eller gammastrålkällor för att ge maximal briljans, liknande konventionella synkrotronkällor. Dock, sådana källor undanhålls av låg effektivitet och begränsas till 10 ^7-8 fotoner per skott i området kiloelektronvolt (KeV) till megaelektronvolt (MeV). I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg, Xing-Long Zhu och ett forskarlag inom fysik och astronomi i Kina och Storbritannien, presenterade ett nytt tillvägagångssätt för att effektivt producera kollimerad, ultraljusa gammastrålar (y). De resulterande fotonenergierna var avstämbara för upp till gigaelektronvolt genom att fokusera en multi-petawatt laserpuls till en tvåstegs wakefieldaccelerator. Den högintensiva lasern tillät dem att effektivt generera en multi-gigaelectron volt elektronstråle med en hög densitet och laddning under det första steget av experimentet. Laser- och elektronstrålarna kom in i en plasmaregion med hög densitet i det andra steget därefter. Med hjälp av numeriska simuleringar, de visade produktionen av mer än 10 ¹² gammastrålefotoner per skott med energiomvandlingseffektivitet över 10 procent för fotoner över 1 megaelektronvolt (MeV) och uppnådde en toppglans över 10 ²⁶ fotoner S ^-1 mm ^-2 mrad ^-2 per 0,1 procent bandbredd vid 1 MeV. Detta forskningsresultat kommer att erbjuda nya vägar inom både grundläggande och tillämpad fysik och ingenjörskonst.

Ljusa källor till högenergigammastrålar är mångsidiga för breda användningsområden, inklusive grundforskning inom astrofysik, partikel- och kärnfysik, samt högupplöst bildbehandling. Forskare kan förbättra sådana applikationer med kompakta gammastrålkällor med låg divergens, kort pulslängd, hög energi, och hög toppbriljans. Även om allmänt använda synkrotroner och röntgenfria elektronlasrar (XFELS) kan leverera röntgenpulser med högsta briljans, de är begränsade till låga fotonenergier. Storleken och kostnaden för sådana forskningsstrukturer kan också begränsa deras vanliga tillämpningar. Forskare har därför snabbt utvecklat kompakta laser-vakefältsacceleratorer (LWFA) under de senaste två decennierna för att erbjuda ett radikalt annorlunda tillvägagångssätt för att driva accelerationen och strålningen av högenergipartiklar i mycket mindre skala. Kontinuerliga framsteg inom området för ultrahögeffektlaserteknik kommer att möjliggöra briljanta högenergi-gammakällor. Även om forskare har gjort avsevärda ansträngningar för att utveckla avancerade fotonkällor, en alternativ metod existerar för närvarande inte för att uppnå toppglansen hos gammastrålkällor jämfört med nivån av XFEL.

Fysiskt schema

I det här arbetet, Zhu et al. introducerade en effektiv strategi för att producera extremt hög briljans gammastrålar med fotonenergier upp till GeV. De utvecklade installationen på en tvåstegs LWFA (laser wakefield accelerator), drivs av en enda multi-PW laserpuls. Under den första etappen, de använde ett plasma med måttligt låg densitet för att producera en multi-GeV elektronstråle med en hög energieffektivitet på ungefär 40 procent. Under det andra steget, de använde ett plasma med relativt hög densitet för att producera gammastrålning i intervallet MeV till GeV med en effektivitet på mer än 10 procent. Det resulterande fotonnumret, energieffektivitet, toppglans och kraft var flera storleksordningar större än någon befintlig LWFA-baserad källa, banar väg för att underlätta gammastrålar med hög briljans inom olika vetenskaps- och teknikområden med fotonenergi i intervallet MeV till GeV.

För att övervinna de befintliga gränserna, Zhu et al. föreslog ett tvåstegsschema som kombinerade fördelarna med effektiv elektronacceleration i en lågdensitets-LWFA och effektiv fotonemission från energiska elektroner i en relativt högdensitets-LWFA. Forskarna använde en plasmakanal för att styra högeffektlasern. Under den första etappen, Zhu et al. självinjicerade plasmaelektronerna, som accelererade i plasmabubblan, exciterad av multi-PW-laserpulsen som fortplantade sig i ett undertät plasma. Den resulterande låga divergensen och multi-GeV elektronstrålen uppnådde en hög stråldensitet nära den kritiska plasmadensiteten (10 ²¹ centimeter ^-3 ) och en laser-till-elektron energiomvandlingseffektivitet på upp till 40 procent. Under det andra tillståndet, laserpulsen fortplantade sig in i plasman med relativt hög densitet och resulterade i en krympt plasmabubbla när densiteten ökade. Det resulterande, stora kvasistatiska elektromagnetiska fält runt elektronstrålen sände ut en kollimerad stråle av gammastrålar med fotonenergier på GeV-nivå.

Eftersom de kvasistatiska elektromagnetiska fälten var tillräckligt höga, både strålningsreaktion och kvanteffekter i systemet spelade en viktig roll under fotonemission. Resultaten indikerade en oöverträffad strålningseffektivitet för gammastrålar med fotoneffektivitet över 1 MeV. Fotonnumret, effektivitet, toppbriljansen och kraften hos de gammastrålar som emitterades var flera storleksordningar högre än den befintliga LWFA-betatronstrålningen och Compton-återspridning (dvs spridning av en foton med en elektron). För att erhålla kollimerade högenergi-gammastrålpulser, laddningen och energin hos den accelererade elektronstrålen och kvasistatiska elektromagnetiska fälten måste vara tillräckligt höga. Zhu et al. skräddarsytt plasmadensiteten med måttligt låg densitet för effektiv acceleration och med relativt hög densitet för effektiv strålning för att bilda en hög densitet, hög laddning, och multi-GeV elektronstråle.

Den maximala högsta briljansen av gammastrålar nådde XFEL-nivån (röntgenfria elektronlasrar) för att göra dem till en lovande, strålningskälla med hög briljans och hög energi för grundläggande forskning och praktiska tillämpningar. Forskarna justerade plasmaparametrarna för att ändra den maximala energin, högsta briljans, och strålningsstyrka hos den emitterade gammastrålningen för att illustrera effekten av plasmadensitet på gammastrålning. Teamet visade signifikant förbättrad plasmagammastrålning med ökad plasmadensitet för att underlätta en betydande mängd elektronenergiöverföring till högenergifotoner. Zhu et al. optimerade det experimentella systemet ytterligare för att förhindra mättnad av strålningskraft och fotonenergi.

Forskarna visade sedan robustheten hos det experimentella gammastrålningsschemat med en serie simuleringar för olika laserintensiteter. Resultaten visade att gammastrålning blev mer effektiv, med ökande laserintensitet. När de minskade laserintensiteten, den ljusa gammastrålningen var fortfarande relativt effektiv. Systemet kan användas i stor utsträckning i laboratorier inom en snar framtid för att bana väg för en ny generation av högeffektiva, ultraljusa GeV gammastrålkällor.

På det här sättet, Xing-Long Zhu och kollegor tog upp de befintliga gränserna för röntgen- och gammastrålningskällor och föreslog ett nytt och robust system. Den nya metoden uppnådde flera storleksordningsökningar i fotontalet, strålningseffektivitet, briljans och kraften hos de utsända gammastrålarna. För att åstadkomma detta, de använde helt optiska tvåstegs LWFA (laser-wakefield acceleratorer) som drivs av multi-PW pulser. Arbetet underlättade kompakt, ultrakorta gammastrålningskällor med oöverträffad hög briljans i GeV-regimen. Arbetet kommer att erbjuda unika möjligheter för en mängd nya tillämpningar inom fotonukleära reaktioner, ljus-materia interaktioner, och som gammastrålningskolliderare.

© 2020 Science X Network