[논문 리뷰] Bright 5 - 85 MeV Compton gamma-ray pulses from GeV laser-plasma accelerator and plasma mirror

Joseph M. Shaw, Bernstein, A. C.외 20명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 24.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 100 µm 두께의 유리 플라즈마 미러를 사용하여 기존의 GeV 레이저-플라즈마 가속기의 잔여 드라이브 레이저 펄스를 반사시켜 뒤따르는 전자의 뒤로 향하는 방식으로 5–85 MeV의 광자를 생성하는 컴프턴 감마선 소스를 개발한다. 이 방법은 피크 브릴랑스 약 10²¹ 광자/s/mm²/mrad²/0.1% 대역폭, 1mrad 미만의 분산 및 거의 100%의 신뢰성으로 구현되며, 핵광학 응용을 위한 조절 가능하고 준단색성 감마선 펄스를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 레이저-플라즈마 가속기를 이용해 소형 고브릴랑스 피코초 펄스 감마선 소스를 개발하기.
• 고출력, 프리펄스에 의해 영향을 받는 GeV 레이저-플라즈마 가속기에서 플라즈마 미러의 반사도를 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기.
• 높은 브릴랑스와 낮은 브레멘스트랄루링 배경을 갖는 5–85 MeV 범위에서 조절 가능하고 준단색성 감마선 펄스를 제공하기.
• 핵광학 연구를 위한 대규모 라인액 기반 감마선 소스에 대한 확장 가능한 대안을 제공하기.
• 플라즈마 미러가 컴프턴 역산산의 신뢰할 수 있고 정렬에 민감하지 않은 광학 유니폴라로 기능할 수 있음을 입증하기.

제안 방법

• 100 µm 두께의 유리 판을 GeV 레이저-플라즈마 가속기 출구에서 약 3 cm 뒤에 놓아 플라즈마 미러(PL)로 기능시킴.
• PL은 잔여 드라이브 레이저 펄스(ħωL = 1.17 eV)를 >50% 효율로 반사하여 레이저 인덕션에 의해 가속된 전자(1000 < γe < 4400)에 작용함.
• 상호작용은 컴프턴 역산산을 통해 광학 유니폴라를 형성하고, 감마선 에너지 Eγ = 4γe²ħωL를 생성함.
• 감마선 비드는 픽셀 기반의 scintillator를 사용하여 진단하고, 텅스텐 와이어 피드백 기반 자기 스펙트로미터를 통해 전자 에너지를 측정함.
• 전자와 감마선의 비드 방향성과 분산성을 연관시켜 전자 비드 각도 및 횡방향 에미턴스를 유추함.
• 소스 크기는 약 20 µm로 추정되며, 플라즈마 밀도(ne ≈ 5×10¹⁷ cm⁻³)로부터 감마선 펄스 지속시간은 약 80 fs로 유추됨.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고출력, 프리펄스에 의해 오염된 레이저 펄스를 GeV 레이저-플라즈마 가속기에서 신뢰성 있게 반사할 수 있는 플라즈마 미러를 사용하여 컴프턴 감마선 생성이 가능한가?
• RQ2 소형 레이저-플라즈마 가속기에서 플라즈마 미러를 광학 유니폴라로 사용할 경우, 도달 가능한 감마선 광자 에너지 범위와 브릴랑스는 무엇인가?
• RQ3 감마선 비드 매개변수(에너지, 분산, 펄스 지속시간)는 전자 비드 특성(에너지, 각도, 에미턴스)과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 플라즈마 미러 기술이 핵광학 응용에 적합한 준단색성, 낮은 배경의 감마선 펄스를 생성할 수 있는가?
• RQ5 감마선 비드 프로파일이 전자 비드의 발사 각도 및 횡방향 에미턴스를 진단하는 데 얼마나 유용한가?

주요 결과

• 플라즈마 미러는 >50%의 반사도를 확보하였고, 거의 100%의 신뢰성으로 레이저 펄스를 반사하여 일관된 감마선 생성이 가능함.
• 감마선 광자 에너지는 5에서 85 MeV 사이로 전자 에너지(0.5–2.2 GeV) 조절에 의해 조절 가능했으며, 피크 브릴랑스는 약 ~10²¹ 광자/s/mm²/mrad²/0.1% 대역폭로 추정됨.
• 감마선 비드의 반원추 분산은 1±0.3 mrad였고, 스펙트럼의 FWHM는 에너지 조절 범위 전반에서 15±11 MeV였음.
• FWHM 내 감마선 광자 수(0.1% 대역폭 기준)는 0.3×10⁷에서 173×10⁷까지 변동하였으며, 최고 피크는 173×10⁷ 광자였음.
• 전자 비드 분산(θe)과 감마선 비드 분산(θγ) 사이에 강한 상관관계(R² = 0.94)가 관측되었으며, θγ = 1.26θe + 0.4 mrad로 기술됨.
• 감마선 비드 프로파일을 통해 전자 비드의 발사 각도 및 횡방향 에미턴스를 직접 진단할 수 있었으며, 기존의 이중 스크린 전자 진단 기법보다 더 정확한 대안을 제공함.