Concetto di sorgente luminosa compatta di raggi . (A) Schema dello schema a due stadi. Nella prima fase di accelerazione, una scia di plasma è guidata da un impulso laser multi-PW che si propaga in un canale di plasma poco denso, dove l'iniezione e l'accelerazione di elettroni efficienti si traducono in un multi-GeV, bassa emissione, ad alta carica, e fascio di elettroni ad alta densità. L'impulso laser entra quindi in una regione di plasma ad alta densità che funge da radiatore, dove i raggi luminosi collimati sono prodotti dagli elettroni densi ad alta energia nei campi elettrostatici potenziati della bolla nel plasma più denso. (B) Vista tridimensionale (3D) della radiazione di raggi in un campo di scia al plasma guidato da laser utilizzando una simulazione PIC (particella in cella) 3D. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz7240
Gli acceleratori laser-wakefield hanno portato allo sviluppo di compatti, sorgenti di raggi X o gamma ultracorte per fornire la massima brillantezza, simili alle sorgenti di sincrotrone convenzionali. Però, tali sorgenti sono trattenute da basse efficienze e limitate a 10 7-8 fotoni per scatto nell'intervallo da kiloelettronvolt (KeV) a megaelettronvolt (MeV). In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici, Xing-Long Zhu e un gruppo di ricerca in fisica e astronomia in Cina e nel Regno Unito, presentato un nuovo approccio per produrre in modo efficiente collimati, fasci di raggi gamma (γ) ultraluminosi. Le energie dei fotoni risultanti erano sintonizzabili fino a gigaelettronvolt focalizzando un impulso laser multi-petawatt in un acceleratore wakefield a 2 stadi. Il laser ad alta intensità ha permesso loro di generare in modo efficiente un fascio di elettroni multigigaelettronvolt con un'alta densità e carica durante la prima fase dell'esperimento. I raggi laser ed elettronici sono entrati in una regione di plasma ad alta densità nel secondo stadio successivo. Utilizzando simulazioni numeriche, hanno dimostrato la produzione di più di 10 12 fotoni di raggi gamma per scatto con efficienza di conversione dell'energia superiore al 10% per fotoni superiori a 1 megaelettronvolt (MeV) e raggiunto un picco di brillantezza superiore a 10 26 fotoni S -1 mm -2 mrad -2 per 0,1 percento di larghezza di banda a 1 MeV. Questo risultato della ricerca offrirà nuove strade nella fisica e nell'ingegneria sia fondamentali che applicate.
Le sorgenti luminose di raggi gamma ad alta energia sono versatili per ampie aree di applicazioni, compresa la ricerca fondamentale in astrofisica, fisica delle particelle e nucleare, così come immagini ad alta risoluzione. I ricercatori possono migliorare tali applicazioni con sorgenti di raggi gamma compatte con bassa divergenza, breve durata dell'impulso, alta energia, e brillantezza di picco elevata. Mentre i sincrotroni ampiamente utilizzati e i laser a elettroni liberi a raggi X (XFELS) possono fornire impulsi a raggi X con brillantezza di picco, sono limitati a basse energie fotoniche. Le dimensioni e il costo di tali strutture di ricerca possono anche limitare le loro normali applicazioni. I ricercatori hanno quindi sviluppato rapidamente acceleratori laser-wakefield compatti (LWFA) negli ultimi due decenni per offrire un approccio radicalmente diverso per guidare l'accelerazione e la radiazione di particelle ad alta energia su scala molto più piccola. I continui progressi nel campo della tecnologia laser ad altissima potenza consentiranno sorgenti gamma brillanti ad alta energia. Sebbene gli scienziati abbiano compiuto notevoli sforzi per sviluppare sorgenti fotoniche avanzate, attualmente non esiste un metodo alternativo per ottenere il picco di brillantezza delle sorgenti di raggi gamma rispetto al livello di XFEL.
Schema fisico
In questo lavoro, Zhu et al. ha introdotto una strategia efficiente per produrre raggi gamma ad altissima brillantezza con energie fotoniche fino a GeV. Hanno sviluppato il setup su un LWFA (laser wakefield accelerator) a due stadi, guidato da un singolo impulso laser multi-PW. Durante la prima fase, hanno usato un plasma a densità moderatamente bassa per produrre un fascio di elettroni multi-GeV con un'efficienza energetica di circa il 40%. Durante la seconda fase, hanno usato un plasma a densità relativamente alta per produrre radiazioni di raggi gamma nell'intervallo da MeV a GeV con un'efficienza superiore al 10 percento. Il numero di fotoni risultante, efficienza energetica, brillantezza e potenza di picco erano diversi ordini di grandezza maggiori di qualsiasi fonte esistente basata su LWFA, aprendo la strada per facilitare i raggi gamma ad alta brillantezza in diversi campi della scienza e della tecnologia con l'energia dei fotoni nell'intervallo da MeV a GeV.
Effetto delle dimensioni trasversali della finestra di simulazione sulla generazione di raggi . (UN, B) Istantanee delle distribuzioni della densità elettronica (
Per superare i limiti esistenti, Zhu et al. ha proposto uno schema a due stadi che combinasse i vantaggi di un'efficiente accelerazione degli elettroni in un LWFA a bassa densità e un'efficiente emissione di fotoni da elettroni energetici in un LWFA a densità relativamente alta. Gli scienziati hanno utilizzato un canale al plasma per guidare il laser ad alta potenza. Durante la prima fase, Zhu et al. autoiniettato gli elettroni del plasma, che ha accelerato nella bolla di plasma, eccitato dall'impulso laser multi-PW che si è propagato in un plasma poco denso. La risultante bassa divergenza e il fascio di elettroni multi-GeV ha raggiunto un'elevata densità del fascio vicino alla densità critica del plasma (10 21 cm -3 ) e un'efficienza di conversione dell'energia da laser a elettrone fino al 40%. Durante il secondo stato, l'impulso laser si è propagato nel plasma relativamente ad alta densità e ha provocato una bolla di plasma rimpicciolita all'aumentare della densità. Il risultato, grandi campi elettromagnetici quasi statici attorno al fascio di elettroni emettevano un fascio collimato di raggi gamma con energie fotoniche a livello di GeV.
La configurazione dell'acceleratore-radiatore laser-plasma e i risultati della simulazione PIC 3D. (A) Profilo di densità in asse del plasma di sfondo. (B e D) Le istantanee delle distribuzioni della densità elettronica (ne) e del campo laser (Ey) sono mostrate al tempo ct =1000 μm e ct =1700 μm, rispettivamente, nelle fasi di accelerazione e radiazione, dove ξ =x − ct. Le istantanee corrispondenti delle distribuzioni della densità di fotoni (nγ) e del campo in accelerazione (Ex) sono presentate in (C) e (E), rispettivamente. Gli spettri energetici degli elettroni (F) e dei raggi (H) in determinati momenti. In (H), l'inserto mostra l'evoluzione temporale dell'energia massima di elettroni e raggi . (G) Spettro angolare e distribuzione angolare dei raggi . (I) Brillantezza di picco di raggi (fotoni s-1 mm-2 mrad-2 per 0,1% BW) in funzione dell'energia del fotone emesso. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz7240 
Poiché i campi elettromagnetici quasi statici erano sufficientemente elevati, sia la reazione alla radiazione che gli effetti quantistici nel sistema hanno giocato un ruolo importante durante l'emissione di fotoni. I risultati hanno indicato un'efficienza di radiazione senza precedenti per i raggi gamma con efficienza dei fotoni superiore a 1 MeV. Il numero di fotoni, efficienza, la brillantezza di picco e la potenza dei raggi gamma emessi erano diversi ordini di grandezza superiori alle sorgenti di radiazione betatrone LWFA esistenti e di retrodiffusione Compton (cioè diffusione di un fotone da parte di un elettrone). Per ottenere impulsi di raggi gamma ad alta energia collimati, la carica e l'energia del fascio di elettroni accelerato e dei campi elettromagnetici quasi statici dovevano essere sufficientemente elevati. Zhu et al. adattato la densità del plasma con una densità moderatamente bassa per un'accelerazione efficiente e con una densità relativamente alta per una radiazione efficiente per formare un'alta densità, carica elevata, e fascio di elettroni multi-GeV.
Radiazione di fotoni ad alta energia in intensi campi elettromagnetici quasi statici. (A e B) Distribuzioni della densità elettronica (ne) e del campo magnetico autogenerato (BS) a ct =1500 μm e ct =1600 μm, rispettivamente. (C e D) Corrispondente densità di fotoni di raggi (nγ) e campo elettromagnetico trasversale (F⊥). (E e F) Parametro di radiazione corrispondente (χe) nelle due posizioni sopra menzionate. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz7240
La massima brillantezza di picco dei raggi gamma ha raggiunto il livello XFEL (laser a elettroni liberi a raggi X) per renderli un promettente, sorgente di radiazioni ad alta brillantezza e ad alta energia per la ricerca fondamentale e applicazioni pratiche. Gli scienziati hanno sintonizzato i parametri del plasma per modificare l'energia massima, brillantezza massima, e potenza di radiazione del raggio gamma emesso per illustrare l'effetto della densità del plasma sull'emissione di raggi gamma. Il team ha mostrato un'emissione di raggi gamma al plasma notevolmente migliorata con una maggiore densità del plasma per facilitare una notevole quantità di trasferimento di energia di elettroni a fotoni ad alta energia. Zhu et al. ottimizzato ulteriormente il sistema sperimentale per prevenire la saturazione della potenza della radiazione e dell'energia dei fotoni.
Gli scienziati hanno quindi dimostrato la robustezza dello schema sperimentale di radiazione di raggi gamma con una serie di simulazioni per diverse intensità laser. I risultati hanno mostrato che le emissioni di raggi gamma diventano più efficienti, all'aumentare dell'intensità del laser. Quando hanno ridotto l'intensità del laser, la brillante radiazione gamma era ancora relativamente efficiente. Lo schema può essere ampiamente utilizzato nei laboratori nel prossimo futuro per aprire la strada a una nuova generazione di dispositivi ad alta efficienza, sorgenti di raggi gamma GeV ultra brillanti.
Effetto dei parametri del plasma sull'emissione di raggi . (A) Effetto della lunghezza del radiatore (Lb) sulla brillantezza di picco a 1 MeV, energia di taglio, e potenza di radiazione dei raggi . L'inserto mostra l'energia massima e l'efficienza totale degli elettroni in accelerazione sopra 1 GeV. (B) Effetto della densità del plasma (n0) nella regione del radiatore sulla brillantezza del picco dei raggi , energia di taglio, e potere di radiazione. Il riquadro mostra l'efficienza di conversione dell'energia degli elettroni intrappolati (≥1 GeV) e dei raggi (≥1 MeV) dal laser drive. L'energia di taglio dei raggi è definita a 10−5 del picco di brillantezza a 1 MeV. Credito:progressi scientifici, doi:10.1126/sciadv.aaz7240.
In questo modo, Xing-Long Zhu e colleghi hanno affrontato i limiti esistenti delle sorgenti di radiazioni di raggi X e gamma e hanno proposto uno schema nuovo e robusto. Il nuovo metodo ha ottenuto diversi ordini di grandezza di aumento del numero di fotoni, efficienza di radiazione, brillantezza e potenza dei raggi gamma emessi. Per realizzare questo, hanno usato LWFA (acceleratori laser-wakefield) completamente ottici a due stadi guidati da impulsi multi-PW. Il lavoro facilitato compatto, sorgenti di raggi gamma ultracorti con brillantezza senza precedenti nel regime GeV. Il lavoro offrirà capacità uniche per una varietà di nuove applicazioni nelle reazioni fotonucleari, interazioni luce-materia, e come collisori di raggi gamma.
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