[论文解读] 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 4

一句话总结

该论文展示了一种紧凑的飞秒脉冲康普顿伽马射线源，通过使用100 µm厚的玻璃等离子体镜面，将GeV量级激光等离子体加速器的耗尽驱动激光脉冲反向反射至后续电子，实现了5–85 MeV光子的产生。该方法实现了约10²¹光子/s/mm²/mrad²/0.1%带宽的峰值亮度，发散角小于1 mrad，可靠性接近100%，可实现可调谐、准单色的伽马射线脉冲，适用于核光子学应用。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于激光等离子体加速器的紧凑、高亮度、飞秒脉冲康普顿伽马射线源。
• 解决在高功率、预脉冲主导的GeV激光等离子体加速器中维持等离子体镜面反射率的挑战。
• 实现在5–85 MeV能量范围内高亮度、低轫致辐射背景的可调谐、准单色伽马射线脉冲。
• 为核光子学研究提供一种可扩展的大型直线加速器基伽马射线源的替代方案。
• 证明等离子体镜面可作为可靠、对准容错的光学波荡器，用于康普顿反向散射。

提出的方法

• 在GeV激光等离子体加速器出口约3 cm处放置一块100 µm厚的玻璃板，用作等离子体镜面（PM）。
• PM将耗尽的驱动激光脉冲（ħωL = 1.17 eV）以超过50%的效率反向反射至洛伦兹因子1000 < γe < 4400的后续电子上。
• 通过康普顿反向散射产生光学波荡器，生成能量为Eγ = 4γe²ħωL的伽马射线。
• 利用像素化闪烁体诊断伽马射线束，电子能量通过钨丝标记的磁谱仪测量。
• 将电子与伽马射线的光束指向和发散角相关联，以推断电子束角度和横向发射度。
• 源尺寸估计为20 µm，伽马射线脉冲持续时间通过等离子体密度（ne ≈ 5×10¹⁷ cm⁻³）推断为约80 fs。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GeV激光等离子体加速器中，等离子体镜面能否可靠地反向反射高功率、受预脉冲污染的激光脉冲，以实现康普顿伽马射线的产生？
• RQ2 当使用等离子体镜面作为光学波荡器时，在紧凑型激光等离子体加速器中，可实现的伽马射线光子能量范围和亮度是多少？
• RQ3 伽马射线束参数（能量、发散角、脉冲持续时间）与电子束特性（能量、角度、发射度）之间有何关联？
• RQ4 等离子体镜面技术能否产生适合核光子学应用的准单色、低背景伽马射线脉冲？
• RQ5 伽马射线束轮廓在多大程度上可用于诊断电子束参数，如发射角度和横向发射度？

主要发现

• 等离子体镜面实现了超过50%的反射率，并以接近100%的可靠性反向反射激光脉冲，实现了稳定的伽马射线产生。
• 伽马射线光子能量范围为5至85 MeV，可通过电子能量（0.5–2.2 GeV）调节，峰值亮度估计为~10²¹光子/s/mm²/mrad²/0.1%带宽。
• 伽马射线束的半锥形发散角为1±0.3 mrad，光谱半高全宽（FWHM）在调谐范围内为15±11 MeV。
• 在FWHM（0.1%带宽）内的伽马射线光子数为每发次0.3×10⁷至173×10⁷，峰值最高达173×10⁷光子。
• 观察到电子束发散角（θe）与伽马射线束发散角（θγ）之间存在强相关性（R² = 0.94），关系为θγ = 1.26θe + 0.4 mrad。
• 伽马射线束轮廓可直接用于诊断电子束发射角度和横向发射度，为传统双屏电子诊断方法提供了更精确的替代方案。