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基于激光偶极子波中受控电磁级联的超亮GeV光源
信息来源:信息管理中心 发布时间:2017年12月28日 【 】 【打印】 【关闭

  高强度激光装置的一个目标就是提供高通量γ射线源,电磁级联可以实现这个目的,但因为场强和粒子能量的局限,限制了GeV能量光子的有效产生。我们展示了如何通过级联与反常辐射俘获之间受控的相互作用来产生准直的GeV光子源,利用3D QED PIC 模拟及解析估计,表明这个方案在峰值功率为10PW的装置上是可行的。 

  

1.反常辐射俘获和光子发射示意图。左上图展示了如何用一系列离轴抛物面镜(黄色)和12路激光脉冲(暗红)产生偶极子波。左下图展示了水平面的偶极子波的场结构(关于z轴对称分布),还展示了一个电子轨道,展示了能量高于3GeV的光子和其辐射。 

  由于强激光技术的发展,可通过强激光加速粒子和在单一光学周期内激发辐射来产生新的高通量射线源,最有可能的方案是利用激光脉冲碰撞形成的驻波,但由于电子在高能量区域会被排开,加上辐射损失而达不到最大能量增益。我们目标是找到更好的产生光子源的方法,通过利用偶极子波中正负电子对的反常辐射俘获(ART),其中偶极子波可通过调控激光形成,ART俘获粒子后,可使粒子在适合获得最大能量的时空区域振荡,并由于显著的量子效应,每一次振荡都有很大可能将其很大一部分获得的能量以单光子的形式辐射出去。 

  但是,根据平面驻波中的单粒子运动分析,需要约60PW的功率来触发ART,而且在达到这么高功率之前,产生的高能量光子有很大部分会衰变成正负电子对,从而形成正负电子等离子体,不仅限制了场强的增长,而且会使ART终止。通过模拟这些过程,我们发现当功率达到10PW级时,新的物理现象出现,级联和ART实际上互相诱发和加强,可通过匹配激光脉冲强度和脉宽来控制级联过程,有希望实现独特有效的准直GeV超亮光源。 

  ART过程的动力学 

  ART过程中的粒子运动如图1所示,是准周期的,且包含两个完全不同部分,在其半周期内,电场没有改变符号,被捕获的粒子将会加速,在开始辐射之前会获得约amc2的动能(a≈800P1/2是功率为PPW)的偶极子波电场强度),这一过程称为加速相。随着磁场增加,粒子失去大部分能量,有可能辐射出光子能量达amc2,然后开始轮转;这个过程称为转折相,其会持续到下一次加速相的电场开始让粒子返回的时候。由于量子电动力学辐射的概率特性,有可能有些粒子不会有效失去能量,从而会被拉回来,这样将会脱离被捕获态。 

  ARTCascade的相互作用 

  本研究的关键结果是粒子对的产生会与ART互相支持,共同降低激发其相互作用的最低能量要求。根据文献16中对ART的分析,对于平面驻波中的单粒子来说,主要的辐射反应会导致其沿着电场方向同相地振荡,伴随着朝着电场腹部的净能量迁移,当对应的有效能量Ps,pmin=60PW时,能量迁移机制开始主导电场节点的吸引(通常的辐射俘获),然而,在偶极子波中电磁场集中在中心,沿着这个方向迅速降低,因此除了朝着中心的径向迁移,要俘获的话,要求限制这个振荡在z方向,但是,这个吸引点对应于磁场的节点,因此不能有效的降低粒子能量,粒子将会逃离,但是,Cascade可以补偿逃离的粒子,从而可以降低捕获粒子所需的能量Pc,dminARTcascade有利的原因是:将粒子带到电场腹部,从而粒子可得到最大能量。同时cascade会产生新的粒子,而且,这主要发生在吸引点附近,进一步增强粒子朝着这点的再分配。这样有效捕获可以在较低能量下持续,计算得到Pc,dmin=10PW,这个值与数值结果符合得很好。 

  脉宽与Cascade的调控 

  使用3D PIC程序PICADOR模拟了偶极子波中的级联过程,计算了半周期上的粒子数增长率,当时间尺度超过半周期后,粒子数以指数形式增长,只依赖于P。计算了电子对产生速率。 

  尽管大量的级联过程,仍产生并发射出了大量高能量光子,有三个原因:1,在加速相,粒子几乎直线形运动,减少了辐射损失。2,辐射间隔很长,在加速到最大能量前,粒子没有任何辐射损失的可能性很大。3,辐射出的光子有很大几率逃离,而不会衰变成电子对。 

  光源特性 

  用模拟提供一个具体的光源例子。用总能量是40PW12路激光脉冲形成偶极子波,每一激光脉宽是15fs,与靶的粒子数密度匹配,脉冲在1/30周期会随机的引入π/15失相。模拟表明光源会产生109个光子,能量高于2GeV、准直性好(<5度)、脉宽为3fs,亮度达7.4×1026ρhs-1mrad-2mm-2,辉度为9×1024ρhs-1mrad-2mm-2/0.1%BW  

摘译自:A. Gonoskov et al. Ultrabright GeV Photon Source via Controlled Electromagnetic Cascades in Laser-Dipole Waves. PHYSICAL REVIEW X 7, 041003 (2017) 


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