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团簇电子加速激发超亮betatron辐射

2019/08/15 来源:渝中信息港

导读

飞秒脉冲强与靶物质相互作用,产生的超热电子通过K壳层电离辐射等方式产生硬X射线。 由于这种X射线源具有超快的特点,非常适合对物质进行飞秒时间

  飞秒脉冲强与靶物质相互作用,产生的超热电子通过K壳层电离辐射等方式产生硬X射线。 由于这种X射线源具有超快的特点,非常适合对物质进行飞秒时间分辨的动力学探针,加上其微米尺度的源尺寸、极低的成本和比拟甚至高于同步辐射源的源峰值亮度,具有在医学、生物学和材料学等方面极大的应用前景。但是现有的激光X射线源的信噪比低、光子总额少、时间宽度大、空间相干性差等不足,使其在实际应用中受到极大限制。

  中国科学院物理研究所光物理重点实验室激光高能量密度物理研究组陈黎明研究员及所属团队,在激光X射线研究方面取得系列重要进展:首先利用高对比度激光与固体靶相互作用产生了低本底、高转换效率的Ka射线源; 然后为了进一步提高上述各种参数以产生更强,单色性更好的X射线源,采用了高对比度的飞秒脉冲与小尺寸气体团簇相互作用,将光子产额有提高了一个量级,实现了单发脉冲无聚焦X射线成像,所产生的X射线源具有10飞秒量级的时间分辨,比较彻底地克服了前述激光X射线源的不利因素。这些成果极大地推动此领域的发展并确立基于激光的X射线源在超快研究中真正的实际应用价值和地位,学者V. Malka将这些成果归结为 第二代 Ka射线源。

  激光驱动的超快硬X射线光源除了上述内壳层电离产生的K 单色源(发散度较大)外,近年国际上还出现了台面Betatron辐射源(发散度小、宽谱)。它是由超强超短激光在低密度等离子体中激发尾波场,注入离子 空泡 中的电子在被纵向加速的同时会以等离子体尺度为周期进行横向的波荡,从而产生类似同步辐射的Betatron辐射。作为等离子体中电子加速重要的 伴生 过程,该辐射的品质由被加速电子的行为来决定。但目前由于电子加速中能量和电荷量之间,以及电子品质和波荡幅度之间存在着相互制约的矛盾,使Betatron辐射的产额受到极大限制,国际上报道的研究组利用40TW激光产生了5x107/发。该研究团队与上海交大 院士、盛政明教授团队合作开展高度准直的台面Betatron辐射光源的研究。他们在实验中利用仅仅 TW的与气体Ar团簇相互作用,由于团簇的介入激发了通常用PW装置才能驱动的 激光直接加速 (DLA)机制,在获得nC量级大电荷量电子加速的基础上,增大了电子的波荡振幅,成功获得超强的Betatron辐射。单发激光获得能量2.4keV以上的X射线光子数大于2x108/发,且具有很小的空间发散角~10mrad。这个结果将目前报道的Betatron辐射的转换效率提高了40倍,能利用小能量、高重频突破目前辐射源低平均流强的发展瓶颈。

  该研究得到科技部97 A类项目、科技部国家重大仪器专项、86 高技术研究计划以及国家自然科学基金的支持。

  图1.实验从团簇(a)和气体(b)获得的Betatron辐射及能谱(c)

  图2.和气体靶相比,团簇更利于大电荷量的产生(50倍)

  图 .模拟显示和气体靶比较而言团簇中有更多电子介入加速过程

  图4.模拟显示团簇使DLA机制得以激发,电子从横向获得能量和很 荡幅度,利于betatron辐射产额的提升

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