作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 紧凑型明亮γ射线源的概念
(一)两阶段方案示意图
在第一加速阶段，等离子体尾迹由在低密度等离子体通道中传播的多脉宽激光脉冲驱动，其中有效的电子注入和加速导致多千兆电子伏、低发射度、高电荷和高密度电子束
然后，激光脉冲进入密度更高的等离子体区域，该区域充当辐射器，在密度更高的等离子体中，气泡的增强静电场中的密集高能电子产生准直的明亮γ射线
(二)使用三维细胞内粒子模拟的激光驱动等离子体尾波场中γ射线辐射的三维视图
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz7240 激光尾场加速器已经导致了紧凑的超短x光或伽马射线源的发展，以提供峰值亮度，类似于传统的同步辐射源
然而，这样的源由于效率低而被抑制，并且在千电子伏特(KeV)到兆电子伏特(MeV)范围内被限制为每次发射107-8个光子
在一份发表在《科学进展》杂志上的新报告中，邢和一个研究团队在中国和美国研究物理和天文学
K
提出了一种有效产生准直超亮γ射线束的新方法
通过将一个数拍瓦的激光脉冲聚焦到一个2级尾波场加速器中，产生的光子能量可调谐到高达10亿电子伏特
在实验的第一阶段，高强度激光使他们能够有效地产生数十亿电子伏特的高密度和高电荷的电子束
此后，激光束和电子束在第二阶段进入高密度等离子体区
通过数值模拟，他们证明了每次发射产生超过1012个伽马射线光子，1兆电子伏特(MeV)以上的光子的能量转换效率超过10%，并且达到了每0.1兆电子伏特1026个光子的峰值亮度
1兆电子伏时1%带宽
这一研究成果将为基础和应用物理学和工程学提供新的途径
高能伽马射线的明亮来源可用于广泛的应用领域，包括天体物理学、粒子和核物理的基础研究，以及高分辨率成像
研究人员可以利用具有低发散度、短脉冲持续时间、高能量和高峰值亮度的紧凑伽马射线源来改进这种应用
虽然广泛使用的同步加速器和x光自由电子激光器(XFELS)可以提供峰值亮度的x光脉冲，但它们仅限于低光子能量
这种研究机构的规模和成本也限制了它们的常规应用
因此，在过去的二十年里，研究人员迅速开发了紧凑型激光尾波场加速器，以提供一种完全不同的方法来驱动更小规模的高能粒子的加速和辐射
超高功率激光技术领域的不断进步将使高能γ源成为可能
尽管科学家们已经做出了相当大的努力来开发先进的光子源，但目前还没有一种替代方法来实现伽马射线源与XFEL水平相比的峰值亮度
物理方案 在这项工作中，朱等人
引入了一种高效的策略，可以产生光子能量高达千电子伏的极高亮度伽马射线
他们在两级LWFA(激光尾波场加速器)上开发了这个装置，由单个多脉冲激光脉冲驱动
在第一阶段，他们使用一种适度的低密度等离子体来产生一个多千兆电子伏的电子束，其高能效率约为40%
在第二阶段，他们使用密度相对较高的等离子体，以超过10%的效率产生兆电子伏到千兆电子伏范围内的伽马射线辐射
由此产生的光子数、能量效率、峰值亮度和功率比任何现有的基于LWFA的源大几个数量级，为促进光子能量在兆电子伏到千兆电子伏范围内的高亮度伽马射线跨越不同的科学和技术领域铺平了道路
模拟窗口的横向尺寸对γ射线产生的影响
电子密度分布的快照( 为了克服现有的限制，朱等人
提出了一个两阶段方案，该方案结合了低密度LWFA中有效的电子加速和相对高密度LWFA中出现的电子的有效光子发射的优点
科学家们使用等离子体通道来引导高功率激光
在第一阶段，朱等人
自注入等离子体电子，在等离子体泡中加速，由在低密度等离子体中传播的多脉冲激光脉冲激发
由此产生的低发散度和多千兆电子伏电子束获得了接近临界等离子体密度(1021厘米-3)的高束密度和高达40%的激光-电子能量转换效率
在第二状态期间，激光脉冲传播到相对高密度的等离子体中，并随着密度的增加导致等离子体气泡收缩
由此产生的电子束周围的大的准静态电磁场发射出光子能量为千兆电子伏级的准直伽马射线束
激光等离子体加速器辐射器装置及三维粒子模拟结果
背景等离子体的轴上密度分布
在加速和辐射阶段，分别在时间ct = 1000微米和ct = 1700微米显示了电子密度(ne)和激光场(Ey)分布的快照，其中ξ= x CT
光子密度(nγ)和加速场(Ex)分布的相应快照分别在(C)和(E)中给出
给定时刻电子和γ射线的能谱
在(H)中，插图显示了电子和γ射线最大能量的时间演化
γ射线的角谱和角分布
(一)γ射线峰值亮度(光子S1毫米2毫拉德2/0
1%带宽)作为发射光子能量的函数
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aaz7240 极亮伽马射线的发射 由于准静态电磁场足够高，系统中的辐射反应和量子效应在光子发射中起着重要作用
结果表明，光子效率超过1兆电子伏的伽马射线具有前所未有的辐射效率
发射的伽马射线的光子数、效率、峰值亮度和功率比现有的LWFA电子加速器辐射和康普顿背散射(即
e
电子对光子的散射)源
为了获得准直高能γ射线脉冲，加速电子束和准静态电磁场的电荷和能量必须足够高
朱等
调整等离子体密度，使其具有适度的低密度以实现有效加速，并具有相对高的密度以实现有效辐射，从而形成高密度、高电荷和多GeV电子束
强准静态电磁场中的高能光子辐射
在ct = 1500微米和ct = 1600微米时电子密度和自生磁场的分布
(c和d)相应的γ射线光子密度(nγ)和横向电磁场(F⊥)
(E和F)上述两个位置对应的辐射参数(χe)
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aaz7240 伽马射线的最大峰值亮度达到了XFEL (X光自由电子激光器)的水平，使其成为基础研究和实际应用的一种有前途的高亮度和高能辐射源
科学家们调整了等离子体参数，以改变发射的伽马射线的最大能量、峰值亮度和辐射功率，从而说明等离子体密度对伽马射线发射的影响
研究小组显示，随着等离子体密度的增加，等离子体伽马射线发射显著增强，从而促进了大量电子能量向高能光子的转移
朱等
进一步优化实验系统，防止辐射功率和光子能量饱和
随后，科学家们通过一系列不同激光强度的模拟，展示了实验伽马射线辐射方案的稳健性
结果表明，随着激光强度的增加，γ射线发射变得更加有效
当他们降低激光强度时，明亮的伽马射线仍然相对有效
该方案可在不久的将来广泛应用于实验室，为新一代高效、超亮的锗钒伽马射线源铺平道路
等离子体参数对γ射线发射的影响
辐射器长度(Lb)对1兆电子伏峰值亮度、截止能量和γ射线辐射功率的影响
插图显示了加速1千电子伏以上电子的最大能量和总效率
辐射体区域的等离子体密度(n0)对γ射线峰值亮度、截止能量和辐射功率的影响
插图显示了来自驱动激光器的俘获电子(≥1千电子伏)和γ射线(≥1兆电子伏)的能量转换效率
γ射线的截止能量定义为1兆电子伏峰值亮度的105
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aaz7240
通过这种方式，邢和他的同事解决了现有的x光和伽马射线辐射源的限制，并提出了一个新的和稳健的方案
新方法使发射的伽马射线的光子数、辐射效率、亮度和功率提高了几个数量级
为了实现这一点，他们使用了由多脉冲驱动的全光学两级LWFA(激光尾波场加速器)
这项工作促进了紧凑型超短伽马射线源的发展，其在GeV范围内具有前所未有的高亮度
这项工作将为光核反应、光-物质相互作用以及作为伽马射线对撞机的各种新应用提供独特的能力
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