利用激光等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬射線源
上海交通大學盛政明教授和陳民教授團隊提出了一種利用兩級激光等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬射線輻射的新物理方案。該方案有望使得伽馬射線輻射源的峰值亮度推向自由電子激光亮度范疇和光子能量拓展至GeV量級，這將為廣泛的科學研究與應用帶來新的機遇。該工作以“Extremely brilliant GeV γ-rays from a two-stage laser-plasma accelerator”為題于2020年5月29日在線發表在[Science Advances 6, eaaz7240 (2020)]上。
超亮伽馬射線源在基礎科學、工業、醫療等領域中具有重要的研究意義和廣泛的應用價值。目前，高亮度輻射源主要是通過大型同步輻射裝置和X射線自由電子激光來產生，獲得的峰值亮度范圍分別約為1019-24和1027-32 (photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW)。但是，所獲得的輻射光子能量范圍一般只在keV至百keV。此外，這些大科學裝置的高昂造價和超大尺寸限制了其數量和應用范圍。
近年來，隨著激光技術的快速發展，基于等離子體的激光尾波場加速器(LWFA)受到了廣泛的關注和研究。它可以產生比傳統射頻加速器高約三個數量級的超高加速場梯度，從而使GeV能量電子的加速長度可以縮短到厘米甚至毫米尺度，這使得臺面型高能粒子加速器和高亮度輻射源產生成為可能。但是，目前基于LWFA驅動產生的高亮度X/γ射線源的光子能量和亮度都限制在第三代同步輻射源量級，對應的驅動激光脈沖到輻射源的能量轉化效率大約只有10-6量級。對于如何根本性地提高輻射光子能量、能量轉化效率和峰值亮度仍是一個巨大的科學挑戰。
圖1：利用兩級激光等離子體加速器產生極高亮度GeV伽馬輻射源的物理方案。(A)物理機制示意圖；(B)三維粒子模擬結果圖。
為了解決這一難題，研究團隊提出了一種全新的物理方案，基于一束數拍瓦激光驅動兩級激光等離子體尾波場加速和輻射機制，如圖1所示。在**級中，利用高強度激光脈沖與一個相對低密度的等離子體作用，產生數GeV能量、幾十納庫電量的稠密電子束；隨后，激光脈沖驅動著該高能電子束共同進入一個更高密度的第二級等離子體中。
這將觸發更多的電子被注入到尾場，從而激發更高強度的準靜態電磁場。這會導致光子輻射過程由通常激光尾場加速中的經典Betatron輻射機制轉變為以量子電動力學(QED)效應為主導的量子輻射新機制，產生準直的超亮伽馬射線輻射，所獲得的輻射光子能量可高達GeV量級，具有的峰值亮度可達1027 photons/s/mm2/mrad2/0.1%BW，能量轉化效率高達10%以上。
**終，該機制產生的光子數目、能量轉化效率、峰值亮度和輻射功率可以比現有的LWFA輻射源高出3-4個數量級。如此高亮度的超強伽馬射線輻射源具有獨特的研究能力，將為廣泛的前沿科學領域提供一個極具潛力的新平臺。目前國內外，如歐盟ELI、中國科學院、上海光機所、中國工程物理研究院等單位已經建成或者正在建設數拍瓦級的超高功率激光系統，這為不久的將來在實驗上驗證該方案提供了可能。
該論文**作者是上海交通大學博士生朱興龍，上海交通大學陳民教授和盛政明教授為該工作的共同通訊作者，合作者包括國防科技大學余同普教授、中國人民大學王偉民教授、上海交通大學翁蘇明研究員、何峰教授、張杰院士等人。該項工作得到了國家自然科學基金委創新群體和重大項目、中物院挑戰計劃專題、中科院先導專項等項目的大力支持。
論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/22/eaaz7240
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