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高能量密度物理研究新进展:台面式超亮Betatron辐射

日期:2013-06-03 阅读:1139

飞秒脉冲强激光与物质相互作用,产生的X射线源具有超快的特点,非常适合对物质结构进行飞秒时间分辨的动力学探测,加上其微米尺度的源尺寸、较低的成本、与同步辐射光源可比的峰值亮度,在医学、生物学和材料学等方面展现极大的应用前景。产生超快X射线的机制之一是强激光产生的超热电子通过K壳层电离辐射。但是这种X射线源由于信噪比低、光子总额少、空间相干性差等不足,使其在实际应用中受到极大限制。
近年来,强激光驱动台面Betatron辐射X光源产生引起了人们的极大关注。该辐射通常是由超短强激光脉冲在等离子体中激发尾波场加速电子,在电子加速过程伴生的Betatron振荡(一种感应横向振荡)过程产生的。它具有发散度小、频谱宽等特点。目前由于电子加速中能量和电荷量之间,以及电子品质和波荡幅度之间存在着相互制约的矛盾,使Betatron辐射的光子产额受到极大限制,国际上报道最好的结果是利用40TW激光产生了5x10^7/发 [见:Nature Physics 6, 989 (2010)]。最近上海交大物理与天文系激光等离子体实验室张杰院士、盛政明教授、Nasr Hafz特别研究员团队与中科院物理研究所光物理实验室陈黎明研究员的团队合作,开展高度准直的台面Betatron辐射光源的研究。他们在实验中利用仅仅3TW的飞秒激光与气体Ar团簇相互作用,成功获得超强的Betatron辐射,其中单发激光获得能量2.4keV以上的X射线光子数大于2x10^8/发,且具有很小的空间发散角~10mrad。这个结果将目前报道最好的Betatron辐射的转换效率提高了约40倍。他们发现由于团簇的介入激发了通常用PW激光才能驱动的“激光直接加速”机制,在获得nC量级大电荷量电子加速的基础上,极大地增大了电子的横向波荡振幅。这项工作表明,人们可以利用小能量、高重频激光器来克服目前基于超短激光脉冲的X辐射源低平均流强这个瓶颈问题。
这项工作近期在线发表在Scientific Reports (http://www.nature.com/srep/2013/130529/srep01912/full/srep01912.html)。该项研究得到科技部973A类项目、863高技术研究计划以及国家自然科学基金的支持。
 

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