超強超短激光驅動的超高亮度伽馬射線源成功實現

　　近期，中國科學院上海光學精密機械研究所強場激光物理國家重點實驗室徐至展、李儒新帶領的研究團隊，基于超強超短激光驅動的超高亮度伽馬γ射線源研究取得突破性進展。利用超強超短激光驅動的級聯尾波場加速獲得高性能高能電子束與激光對撞產生超高亮度準單色MeV量級伽馬射線源，其最高峰值亮度達3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，與國際上報道的同類伽馬射線源亮度相比高出一個量級以上，比傳統伽馬射線源同能區的峰值亮度提高了10萬倍。相關研究結果發表于《科學報告》[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、粒子物理、無損檢測、材料科學、醫療 診斷、核能、空間技術等諸多領域有著極其重要的應用價值，世界上很多國家包括中國都在積極建立伽馬射線源，但基于傳統加速器的伽馬射線源裝置體積龐大，造 價昂貴，大大限制了其發展與應用。超強超短激光驅動等離子體尾波場電子加速是一種全新的電子加速機制，其加速梯度相比于傳統電子加速器提高了3個量級以上，能夠極大地降低系統的規模和成本，實現康普頓伽馬射線源裝置的小型化。此外，超強超短激光加速產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方法難以獲得的超短脈沖、超高亮度等顯著優點。

　　近幾年來，上海光機所研究團隊在激光尾波場電子加速方面開展了獨具特色的研究，國際上首次成功實現級聯雙尾波場準單能高能電子加速新方案，獲得了GeV級準單能電子束等重要研究成果[Phys. Rev. Lett. 107, 035001 (2011)； Appl. Phys. Lett.103, 243501(2013)]。在本項康普頓γ射線源的研制過程中，利用自行研制的高重復頻率200TW超強超短激光裝置，通過優化級聯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，發散角<0.4 mrad，脈寬~10fs的高性能準單能電子束。并利用等離子體鏡反射驅動激光與該電子束實現自同步精確對撞，產生了峰值能量在0.2-2 MeV范圍可調諧的準單色伽馬射線源。最高峰值亮度達到 3×1022 photons s-1 mm-2 mrad-2 0.1%BW，比傳統伽馬射線源同能區的峰值亮度提高10萬倍，同時單發伽馬光子數達到5×107光子。

　　這種小型化超高亮度準單色MeV量級伽馬射線源將在核物理與核光子學、材料科學、無損檢測、醫療診斷等方面有著廣泛的應用前景。

　　該項研究的伽馬射線源的診斷測量與西北核技術研究所合作完成。

(a-c) 實驗測量的伽馬射線束斑分布、經過不同衰減片后的束斑分布及背景輻射；(d-f) 分別對應(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度分布；(i) 重構的伽馬射線源能譜。