[論文レビュー] Bright 5 - 85 MeV Compton gamma-ray pulses from GeV laser-plasma accelerator and plasma mirror

Joseph M. Shaw, Bernstein, A. C.+20 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、100 µmのガラスプラズマミラーを用いて、GeV級レーザープラズマ加速器の使用済み駆動レーザーパルスを逆方向に反射させ、追従する電子に照射することで、5–85 MeVの光子を生成するコンプトンガンマ線源を提示する。この手法により、0.1%帯域幅あたりのピーク輝度が約10²¹光子/s/mm²/mrad²に達し、1mrad未満の発散角とほぼ100%の信頼性を達成した。これにより、核光子応用に適したチューナブルで準単色性のガンマ線パルスが実現された。

ABSTRACT

We convert a GeV laser-plasma electron accelerator into a compact femtosecond-pulsed $γ$-ray source by inserting a $100 μ$m-thick glass plate $\sim3$ cm after the accelerator exit. With near-unity reliability, and requiring only crude alignment, this glass plasma mirror retro-reflected spent drive laser pulses (photon energy $\hbarω_L = 1.17$ eV) with $>50\%$ efficiency back onto trailing electrons (peak Lorentz factor $1000 < γ_e < 4400$), creating an optical undulator that generated $\sim10^8 γ$-ray photons with sub-mrad divergence, estimated peak brilliance $\sim10^{21}$ photons/s/mm$^2$/mrad$^2$/$0.1\%$ bandwidth and negligible bremsstrahlung background. The $γ$-ray photon energy $E_γ= 4γ_e^2 \hbarω_L$, inferred from the measured $γ_e$ on each shot, peaked from 5 to 85 MeV, spanning a range otherwise available with comparable brilliance only from large-scale GeV-linac-based high-intensity $γ$-ray sources.

研究の動機と目的

• レーザープラズマ加速器を用いたコンパクトで高輝度のフェムト秒パルスコンプトンガンマ線源の開発。
• GeVレーザープラズマ加速器における高パワー・プリパルス支配下のプラズマミラーの反射率を維持する課題の解決。
• 高輝度で低ブレムstrahlungバックグラウンドを有する、チューナブルで準単色性のガンマ線パルス（5–85 MeV範囲）の実現。
• 核光子研究のための大型リニアックベースガンマ線源のスケーラブルな代替手段の提供。
• プラズマミラーがコンプトンバックスキャッタリング用の信頼性が高く、アライメントに強く、光学ウンドゥレーターとして機能できることの実証。

提案手法

• 100 µmの厚さのガラス板を、GeVレーザープラズマ加速器の出口から約3 cm後方に配置し、プラズマミラー（PM）として機能させる。
• PMは、使用済み駆動レーザーパルス（ħωL = 1.17 eV）を50%以上の効率で逆方向に反射させ、ローレンツ因子1000 < γe < 4400の追従電子に照射する。
• この相互作用により、コンプトンバックスキャッタリングを介した光学ウンドゥレーターが形成され、エネルギーEγ = 4γe²ħωLのガンマ線が生成される。
• ガンマ線ビームはピクセル化されたシンチレーターを用いて診断され、電子エネルギーは wolfram ワイヤーのフィducialを用いた磁気スペクトロメトリーで測定される。
• 電子とガンマ線のビーム指向性および発散角の相関関係を分析し、電子ビームの角度および横方向エミッタンスを推定する。
• 光源サイズは20 µmと推定され、プラズマ密度（ne ≈ 5×10¹⁷ cm⁻³）からガンマ線パルス幅は約80 fsと推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高パワーでプリパルスが混入する状態のGeVレーザープラズマ加速器において、プラズマミラーが信頼性高くレーザーパルスを逆方向に反射させ、コンプトンガンマ線生成を可能にするか。
• RQ2 コンパクトなレーザープラズマ加速器において、プラズマミラーを光学ウンドゥレーターとして用いた場合のガンマ線光子エネルギー範囲と輝度はどの程度達成可能か。
• RQ3 ガンマ線ビームパラメータ（エネルギー、発散角、パルス幅）と電子ビーム特性（エネルギー、角度、エミッタンス）との相関関係はいかなるものか。
• RQ4 プラズマミラー技術により、核光子応用に適した準単色性でバックグラウンドが低いガンマ線パルスを生成できるか。
• RQ5 ガンマ線ビームプロファイルが、発射角度や横方向エミッタンスといった電子ビームパラメータの診断にどの程度有効に利用できるか。

主な発見

• プラズマミラーは50%以上の反射率を達成し、ほぼ100%の信頼性でレーザーパルスを逆方向に反射させ、安定したガンマ線生成を可能にした。
• ガンマ線光子エネルギーは5–85 MeVの範囲で変調可能であり、電子エネルギー（0.5–2.2 GeV）の調整により制御可能で、ピーク輝度は約10²¹光子/s/mm²/mrad²/0.1%帯域幅と推定された。
• ガンマ線ビームの半頂角発散角は1±0.3 mradであり、エネルギースケール全域でスペクトルFWHM（全幅半最大）は15±11 MeVであった。
• FWHM内（0.1%帯域幅）のガンマ線光子数は1ショットあたり0.3×10⁷から173×10⁷の範囲にあり、ピークは173×10⁷光子に達した。
• 電子ビーム発散角（θe）とガンマ線ビーム発散角（θγ）の間に強い相関（R² = 0.94）が観測され、θγ = 1.26θe + 0.4 mradの関係式が得られた。
• ガンマ線ビームプロファイルを用いることで、従来の2スクリーン電子診断法よりも精度の高い電子ビーム発射角度および横方向エミッタンスの直接診断が可能となった。