Ekstremt strålende giga-elektron-volt gammastråler fra en to-trins laser-plasma accelerator

Laser-wakefield-acceleratorer har ført til udviklingen af ​​kompakte, ultrakort røntgen- eller gammastrålekilder for at levere maksimal glans, ligner konventionelle synkrotronkilder. Imidlertid, sådanne kilder tilbageholdes af lav effektivitet og begrænses til 10 ^7-8 fotoner pr. skud i området kiloelektronvolt (KeV) til megaelektronvolt (MeV). I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskabens fremskridt, Xing-Long Zhu og et forskerhold i fysik og astronomi i Kina og Storbritannien, præsenteret en ny tilgang til effektivt at producere kollimeret, ultralyse gamma (γ)-stråler. De resulterende fotonenergier kunne indstilles til op til gigaelectron volt ved at fokusere en multi-petawatt laserpuls til en 2-trins wakefield accelerator. Højintensitetslaseren tillod dem effektivt at generere en multi-gigaelektron volt elektronstråle med en høj densitet og ladning i løbet af eksperimentets første fase. Laser- og elektronstrålerne kom ind i et plasmaområde med høj tæthed i det andet trin derefter. Ved hjælp af numeriske simuleringer, de demonstrerede produktionen af ​​mere end 10 ¹² gammastrålefotoner pr. skud med energiomdannelseseffektivitet over 10 procent for fotoner over 1 megaelektronvolt (MeV) og opnåede en topglans over 10 ²⁶ fotoner S ^-1 mm ^-2 mrad ^-2 per 0,1 procent båndbredde ved 1 MeV. Dette forskningsresultat vil tilbyde nye veje inden for både grundlæggende og anvendt fysik og teknik.

Lyse kilder til højenergi-gammastråler er alsidige til brede anvendelsesområder, herunder grundforskning i astrofysik, partikel- og kernefysik, samt billedbehandling i høj opløsning. Forskere kan forbedre sådanne applikationer med kompakte gammastrålekilder med lav divergens, kort pulsvarighed, høj energi, og høj peak glans. Mens udbredte synkrotroner og røntgenfri elektronlasere (XFELS) kan levere røntgenimpulser med maksimal glans, de er begrænset til lave fotonenergier. Størrelsen og omkostningerne ved sådanne forskningsstrukturer kan også begrænse deres almindelige anvendelser. Forskere har derfor hurtigt udviklet kompakte laser-wakefield-acceleratorer (LWFA'er) i de sidste to årtier for at tilbyde en radikalt anderledes tilgang til at drive accelerationen og strålingen af ​​højenergipartikler i en meget mindre skala. Kontinuerlige fremskridt inden for ultrahigh-power laserteknologi vil muliggøre strålende højenergi-gammakilder. Selvom videnskabsmænd har gjort en betydelig indsats for at udvikle avancerede fotonkilder, der findes i øjeblikket ikke en alternativ metode til at opnå maksimal glans af gammastrålekilder sammenlignet med niveauet for XFEL.

Fysisk skema

I dette arbejde, Zhu et al. introduceret en effektiv strategi til at producere gammastråler med ekstrem høj brillans med fotonenergier op til GeV. De udviklede opsætningen på en to-trins LWFA (laser wakefield accelerator), drevet af en enkelt multi-PW laserpuls. I løbet af den første fase, de brugte et plasma med moderat lav densitet til at producere en multi-GeV elektronstråle med en høj energieffektivitet på omkring 40 procent. I løbet af anden fase, de brugte et plasma med relativt høj densitet til at producere gammastråling i MeV til GeV-området med en effektivitet på mere end 10 procent. Det resulterende fotontal, energieffektivitet, peak glans og kraft var adskillige størrelsesordener større end nogen eksisterende LWFA-baserede kilder, baner vejen for at lette gammastråler med høj brillans på tværs af forskellige områder inden for videnskab og teknologi med fotonenergi i området fra MeV til GeV.

For at overvinde de eksisterende grænser, Zhu et al. foreslået et to-trins skema, der kombinerede fordelene ved effektiv elektronacceleration i en lavdensitets LWFA og effektiv fotonemission fra energiske elektroner i en relativt højdensitets LWFA. Forskerne brugte en plasmakanal til at styre højeffektlaseren. I den første fase, Zhu et al. selvinjicerede plasmaelektronerne, som accelererede i plasmaboblen, ophidset af multi-PW laserpulsen, der forplantede sig i et undertæt plasma. Den resulterende lave divergens og multi-GeV elektronstråle opnåede en høj stråletæthed tæt på den kritiske plasmatæthed (10 ²¹ cm ^-3 ) og en laser-til-elektronenergi-konverteringseffektivitet på op til 40 procent. Under den anden tilstand, laserimpulsen forplantede sig ind i plasmaet med relativt høj densitet og resulterede i en krympet plasmaboble, efterhånden som tætheden steg. Det resulterende, store kvasistatiske elektromagnetiske felter omkring elektronstrålen udsendte en kollimeret stråle af gammastråler med fotonenergier på GeV-niveau.

Da de kvasi-statiske elektromagnetiske felter var høje nok, både strålingsreaktion og kvanteeffekter i systemet spillede en vigtig rolle under fotonemission. Resultaterne indikerede en hidtil uset strålingseffektivitet for gammastråler med fotoneffektivitet over 1 MeV. Fotonnummeret, effektivitet, maksimal glans og kraft af de udsendte gammastråler var flere størrelsesordener højere end den eksisterende LWFA betatronstråling og Compton tilbagespredning (dvs. spredning af en foton med en elektron) kilder. For at opnå kollimerede højenergi-gammastråleimpulser, ladningen og energien af ​​den accelererede elektronstråle og kvasistatiske elektromagnetiske felter skulle være høje nok. Zhu et al. skræddersyet plasmatætheden med moderat lav densitet for effektiv acceleration og med relativt høj densitet for effektiv stråling for at danne en høj densitet, høj opladning, og multi-GeV elektronstråle.

Den maksimale spidsglans af gammastråler nåede XFEL-niveauet (røntgenfri elektronlasere) for at gøre dem til en lovende, strålekilde med høj glans og høj energi til grundforskning og praktiske anvendelser. Forskerne indstillede plasmaparametrene for at ændre den maksimale energi, højeste glans, og strålingseffekt af den udsendte gammastråle for at illustrere virkningen af ​​plasmadensitet på gammastråleemission. Holdet viste signifikant forbedret plasmagammastråleemission med øget plasmadensitet for at lette en betydelig mængde elektronenergioverførsel til højenergifotoner. Zhu et al. yderligere optimeret det eksperimentelle system for at forhindre mætning af strålingseffekt og fotonenergi.

Forskerne demonstrerede derefter robustheden af ​​det eksperimentelle gammastrålesystem med en række simuleringer til forskellige laserintensiteter. Resultaterne viste, at gammastråleemissionerne blev mere effektive, med stigende laserintensitet. Når de reducerede laserintensiteten, den lyse gammastråling var stadig relativt effektiv. Ordningen kan bruges bredt i laboratorier i den nærmeste fremtid for at bane vejen for en ny generation af højeffektive, ultra-lyse GeV gammastrålekilder.

På denne måde Xing-Long Zhu og kolleger behandlede de eksisterende grænser for røntgen- og gammastrålekilder og foreslog en ny og robust ordning. Den nye metode opnåede flere størrelsesordener stigning i fotontallet, strålingseffektivitet, glans og kraft af de udsendte gammastråler. For at opnå dette, de brugte helt optiske to-trins LWFA (laser-wakefield acceleratorer) drevet af multi-PW impulser. Arbejdet lettede kompakt, ultrakorte gammastrålekilder med hidtil uset høj brillans i GeV-regimet. Arbejdet vil tilbyde unikke muligheder for en række nye applikationer inden for fotonukleare reaktioner, lys-stof interaktioner, og som gammastrålekollidere.

© 2020 Science X Network