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拍瓦強激光在固體細(xì)絲靶面驅(qū)動的超高亮度高能伽瑪輻射研究獲進(jìn)展 最近，王偉民、盛政明、李玉同、張杰等人利用該程序?qū)娂す饷}沖與橫向尺度在激光波長量級的固體細(xì)絲相互作用進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)即使驅(qū)動激光在拍瓦量級，就能產(chǎn)生顯著的QED效應(yīng)。當(dāng)強激光與細(xì)絲靶作用時，一方面在細(xì)絲靶表面把電子加速至GeV量級，另一方面在靶表面激發(fā)出了很強的準(zhǔn)靜態(tài)橫向電磁場，后者在絲表面驅(qū)動高能電子做橫向振蕩，并產(chǎn)生類同步輻射。固體細(xì)絲靶的高密度使得激光脈沖沿靶表面引導(dǎo)和加速電子，產(chǎn)生數(shù)目非常高的準(zhǔn)直GeV電子束，其單脈沖電量可以達(dá)到10nC量級，而氣體靶尾場加速器的電量僅在100pC量級。同時固體細(xì)絲靶的高密度使得激光在靶表面形成的準(zhǔn)靜態(tài)橫向電磁場非常強，可以達(dá)到1014V/m量級，在電子靜止坐標(biāo)系下，該有效振蕩場接近Schwinger臨界場強ESh=1.32×1018V/m（此場強可以在真空中直接激發(fā)出正負(fù)電子對），在此條件下電子振蕩引起的同步輻射已經(jīng)進(jìn)入了QED領(lǐng)域，因而能夠非常高效地產(chǎn)生準(zhǔn)直性良好的高能量、高亮度伽瑪射線。三維QED-PIC模擬表明，伽瑪射線的亮度僅次于大型X射線自由電子激光裝置（XFEL），但其光子能量高達(dá)幾十MeV到幾百MeV（比XFEL高3個數(shù)量級），從激光到伽瑪射線的轉(zhuǎn)換效率可以接近10%。與通常的強激光與固體靶作用產(chǎn)生高能伽瑪射線相比，本方案不僅大大降低了對驅(qū)動激光功率的要求，而且大幅提高伽瑪射線的準(zhǔn)直性、大幅降低其橫向尺寸，因此伽瑪射線的亮度得到極大提升。這種高能伽瑪射線在放射治療、原子核光學(xué)、實驗室天體物理、伽瑪光子對撞機等具有誘人的應(yīng)用前景。該工作近期發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上【PNAS 115, 9911 (2018)】。  圖1. A為絲靶方案的示意圖：一束拍瓦激光脈沖沿著亞波長細(xì)絲傳輸時，產(chǎn)生的高能電子束沿著絲靶表面或激光傳播方向傳輸，同時在靶表面產(chǎn)生了很強的靜電場和靜磁場，此電場力和磁場力相互競爭導(dǎo)致電子束垂直于靶表面振蕩，從而輻射出高能伽瑪光子；隨著激光脈沖逐漸接近其焦平面（此平面與絲靶前端有一定的距離，以充分地引導(dǎo)和加速電子束），電子束能量逐漸增加、其發(fā)散角逐漸減小，因此產(chǎn)生的伽瑪光子數(shù)目和能量逐漸提高、光子發(fā)散角逐漸減小。B圖給出了大型X射線自由電子激光裝置(XFEL)，大型的同步輻射裝置，基于激光尾場加速器的betatron或康普頓散射，以及此絲靶方案中產(chǎn)生的伽瑪/X射線光子能量和亮度值。  圖2. 三維KLAPS粒子模擬結(jié)果。A為激光電場的空間分布（單位mcω/e）：激光與細(xì)絲靶相互作用時形成了中空的場結(jié)構(gòu)；B為產(chǎn)生的伽瑪光子數(shù)密度的空間分布（單位為等離子體臨界密度nc）；C為伽瑪光子的角分布：從絲靶中產(chǎn)生的伽瑪光子主要沿著靶表面或激光傳播方向，而一般的平面靶中產(chǎn)生的伽瑪光子的發(fā)散角很大；D為伽瑪光子能譜。 以上研究得到科技部重點研發(fā)計劃（2018YFA0404801）、挑戰(zhàn)計劃（TZ2016005）、國家自然科學(xué)基金委（11775302, 11721091, 11775144, 11655002, 11520101003）、中科院先導(dǎo)科技專項（XDB16010200, XDB07030300）、教育部IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心的資助。 文章鏈接：1 2 關(guān)鍵詞： 激光
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