Laser-wakefield-versnellers hebben geleid tot de ontwikkeling van compacte, ultrakorte röntgen- of gammastralingsbronnen voor maximale helderheid, vergelijkbaar met conventionele synchrotronbronnen. Echter, dergelijke bronnen worden achtergehouden door lage efficiënties en beperkt tot 10 ^7-8 fotonen per opname in het bereik van kiloelektronvolt (KeV) tot megaelektronvolt (MeV). In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang, Xing-Long Zhu en een onderzoeksteam in natuurkunde en astronomie in China en het VK, presenteerde een nieuwe aanpak om efficiënt gecollimeerde, ultraheldere gamma (γ)-stralenbundels. De resulterende fotonenergieën waren afstembaar tot gigaelektronvolt door een multi-petawatt laserpuls in een 2-traps wakefield-versneller te concentreren. Dankzij de laser met hoge intensiteit konden ze tijdens de eerste fase van het experiment efficiënt een multi-gigaelektronvolt-elektronenbundel met een hoge dichtheid en lading genereren. De laser- en elektronenbundels kwamen in de tweede fase daarna een plasmagebied met hoge dichtheid binnen. Met behulp van numerieke simulaties, ze demonstreerden de productie van meer dan 10 ¹² gammastraalfotonen per opname met een energieconversie-efficiëntie van meer dan 10 procent voor fotonen van meer dan 1 megaelektronvolt (MeV) en bereikte een piekhelderheid van meer dan 10 ²⁶ fotonen S ^-1 mm ^-2 mrad ^-2 per 0,1 procent bandbreedte bij 1 MeV. Dit onderzoeksresultaat zal nieuwe wegen bieden in zowel fundamentele als toegepaste natuurkunde en techniek.

Heldere bronnen van hoogenergetische gammastraling zijn veelzijdig voor brede toepassingsgebieden, inclusief fundamenteel onderzoek in de astrofysica, deeltjes- en kernfysica, evenals beeldvorming met hoge resolutie. Onderzoekers kunnen dergelijke toepassingen verbeteren met compacte gammastralingsbronnen met een lage divergentie, korte pulsduur, hoge energie, en hoge piekglans. Hoewel veelgebruikte synchrotrons en röntgenvrije-elektronenlasers (XFELS) röntgenpulsen met een maximale helderheid kunnen leveren, ze zijn beperkt tot lage foton-energieën. De omvang en kosten van dergelijke onderzoeksstructuren kunnen ook hun reguliere toepassingen beperken. Onderzoekers hebben daarom in de afgelopen twee decennia snel compacte laser-wakefield-versnellers (LWFA's) ontwikkeld om een ​​radicaal andere benadering te bieden om de versnelling en straling van hoogenergetische deeltjes op een veel kleinere schaal aan te sturen. Voortdurende vooruitgang op het gebied van ultrahigh-power lasertechnologie zal briljante hoogenergetische gammabronnen mogelijk maken. Hoewel wetenschappers aanzienlijke inspanningen hebben geleverd om geavanceerde fotonenbronnen te ontwikkelen, er bestaat momenteel geen alternatieve methode om de maximale helderheid van gammastralingsbronnen te bereiken in vergelijking met het niveau van XFEL.

Fysiek schema

In dit werk, Zhu et al. introduceerde een efficiënte strategie om gammastraling met extreem hoge helderheid te produceren met fotonenergieën tot GeV. Ze ontwikkelden de opstelling op een tweetraps LWFA (laser wakefield accelerator), aangedreven door een enkele multi-PW laserpuls. Tijdens de eerste fase, ze gebruikten een plasma met een matige dichtheid om een ​​multi-GeV-elektronenbundel te produceren met een hoge energie-efficiëntie van ongeveer 40 procent. Tijdens de tweede fase, ze gebruikten een plasma met een relatief hoge dichtheid om gammastraling te produceren in het bereik van MeV tot GeV met een efficiëntie van meer dan 10 procent. Het resulterende fotongetal, energie-efficiëntie, piekbriljantie en kracht waren enkele orden van grootte groter dan alle bestaande op LWFA gebaseerde bronnen, de weg vrijmaken voor het mogelijk maken van zeer briljante gammastraling in diverse wetenschaps- en technologiegebieden met fotonenenergie in het bereik van MeV tot GeV.

Om de bestaande limieten te overwinnen, Zhu et al. stelde een tweetraps schema voor dat de voordelen van efficiënte elektronenversnelling in een LWFA met lage dichtheid en efficiënte fotonemissie van energetische elektronen in een LWFA met relatief hoge dichtheid combineerde. De wetenschappers gebruikten een plasmakanaal om de krachtige laser te geleiden. Tijdens de eerste fase, Zhu et al. zelf de plasma-elektronen geïnjecteerd, die versnelde in de plasmabel, geëxciteerd door de multi-PW laserpuls die zich voortplantte in een onderdens plasma. De resulterende lage divergentie en multi-GeV elektronenbundel bereikte een hoge bundeldichtheid dichtbij de kritische plasmadichtheid (10 ²¹ cm ^-3 ) en een energieconversie-efficiëntie van laser naar elektron tot 40 procent. Tijdens de tweede staat, de laserpuls plantte zich voort in het plasma met relatief hoge dichtheid en resulteerde in een gekrompen plasmabel naarmate de dichtheid toenam. Het resultaat, grote quasi-statische elektromagnetische velden rond de elektronenbundel zenden een gecollimeerde bundel gammastralen uit met foton-energieën op het GeV-niveau.

Aangezien de quasi-statische elektromagnetische velden hoog genoeg waren, zowel stralingsreactie als kwantumeffecten in het systeem speelden een belangrijke rol tijdens fotonenemissie. De resultaten wezen op een ongekende stralingsefficiëntie voor gammastraling met een fotonefficiëntie van meer dan 1 MeV. Het fotongetal, efficiëntie, piekhelderheid en kracht van de uitgezonden gammastralen waren enkele orden van grootte hoger dan de bestaande bronnen van LWFA betatronstraling en Compton-terugverstrooiing (d.w.z. verstrooiing van een foton door een elektron). Om gecollimeerde hoogenergetische gammastralingspulsen te verkrijgen, de lading en energie van de versnelde elektronenbundel en quasi-statische elektromagnetische velden moesten hoog genoeg zijn. Zhu et al. de plasmadichtheid aangepast met een matig lage dichtheid voor efficiënte versnelling en met een relatief hoge dichtheid voor efficiënte straling om een ​​hoge dichtheid te vormen, hoge lading, en multi-GeV elektronenbundel.

De maximale piekhelderheid van gammastraling bereikte het XFEL-niveau (X-ray Free Electron Lasers) om ze een veelbelovend, hoogglans en hoogenergetische stralingsbron voor fundamenteel onderzoek en praktische toepassingen. De wetenschappers stemden de plasmaparameters af om de maximale energie te veranderen, piek schittering, en stralingsvermogen van de uitgezonden gammastraling om het effect van plasmadichtheid op gammastraling te illustreren. Het team toonde een significant verbeterde plasma-gammastralingemissie met verhoogde plasmadichtheid om een ​​aanzienlijke hoeveelheid elektronenenergie-overdracht naar hoogenergetische fotonen te vergemakkelijken. Zhu et al. het experimentele systeem verder geoptimaliseerd om de verzadiging van stralingsvermogen en fotonenergie te voorkomen.

De wetenschappers demonstreerden vervolgens de robuustheid van het experimentele gammastralingsschema met een reeks simulaties voor verschillende laserintensiteiten. De resultaten toonden aan dat de gammastraling efficiënter werd, met toenemende laserintensiteit. Toen ze de laserintensiteit verminderden, de heldere gammastraling was nog relatief efficiënt. Het schema kan in de nabije toekomst op grote schaal worden gebruikt in laboratoria om de weg vrij te maken voor een nieuwe generatie hoogrenderende, ultraheldere GeV-gammastralingsbronnen.

Op deze manier, Xing-Long Zhu en collega's gingen in op de bestaande limieten van röntgen- en gammastralingsbronnen en stelden een nieuw en robuust schema voor. De nieuwe methode bereikte een aantal orden van grootte toename van het fotongetal, stralingsefficiëntie, schittering en kracht van de uitgezonden gammastraling. Om dit te bereiken, ze gebruikten volledig optische tweetraps LWFA (laser-wakefield-versnellers) aangedreven door multi-PW-pulsen. Het werk vergemakkelijkte compact, ultrakorte gammastralingsbronnen met ongekend hoge helderheid in het GeV-regime. Het werk zal unieke mogelijkheden bieden voor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen in fotonucleaire reacties, interacties tussen licht en materie, en als gammastraalversnellers.

© 2020 Wetenschap X Netwerk