基于全光逆康普顿散射的涡旋γ射线源

Gamma rays with orbital angular momentum（OAM） are expected to play an important role in solving major fundamental physical problems such as the "proton spin crisis". Concerning scientific problem about OAM gamma rays generation, we plan to produce OAM gamma rays experimentally by means of the all-optical inverse Compton scattering between a relativistic planar electron beam and a twisted laser pulse. Only one laser beam will be needed in the whole experimental process. First the laser beam drives the wake-field to accelerate the electrons; and then is reflected by the spiral plasma mirror into a relativistic vortex beam; finally, interact with the electron beam by inverse Compton scattering. This is a simple, efficient and low-cost vortex gamma ray generation scheme that is expected to produce OAM gamma rays for the first time experimentally.

携带轨道角动量的伽马射线有望在解决如“质子自旋危机”等重大基础物理问题中发挥重要作用，针对目前在实验上仍然无法有效地产生涡旋伽马射线的问题，我们提出了利用相对论平面电子束与涡旋激光相互作用的全光逆康普顿散射实验方案。整个实验过程只需一束激光，首先激光驱动尾波场加速电子，然后激光被螺旋等离子体镜反射转换为具有轨道角动量的相对论涡旋激光，再与加速出的电子发生逆康普顿散射，产生携带轨道角动量的γ射线。这将是一种简单、高效、低成本的涡旋伽马射线产生方式，有望首次在实验里产生轨道角动量伽马射线。

本项目围绕“基于全光逆康普顿散射的涡旋X/γ射线源”的研究目标，开展了利用高功率飞秒激光驱动产生携带轨道角动量的X/γ射线源的理论和实验两方面的研究，取得的主要研究进展有：（1）理论研究了LWFA的高能电子与相对论LG激光通过非线性汤姆逊散射产生涡旋伽马射线的过程，最终获得了4.3 × 10^7 个/shot、辐射峰值亮度估计为 1 × 10^22 photons/s/mm^2/mrad^2 /0.1% BW at 1 MeV的涡旋伽马射线，其可用于原子核激发、天体物理学和角动量相关核物理学的研究；（2）提出了一种产生携带角动量X射线的新方法，即使用圆偏振强激光驱动激光尾波场加速电子，在电离注入机制下，会产生圆偏振的Betatron X射线辐射，理论研究中获得了临界能量1 keV，亮度 1.8 x 10^20 photons/s/mm^2/mrad^2 /0.1% BW的圆偏振X射线；（3）发明了一种可编程控制电子指向的方法，实现了对LWFA电子束指向微弧度级的控制，解决本项目中激光焦斑与等离子体镜空间重合的技术难题；（4）在20TW激光装置上建立了研究LWFA和ICS的实验平台，稳定产生了1.2×10^7 /shot的百KeV级的涡旋X射线 ，X射线的转换效率达到了线性汤姆逊散射的理论极限。此外，在项目实施期间，项目负责人参建了综合极端条件实验装置（SECUF）中的高功率激光驱动X射线实验平台，这是世界上首个专属激光驱动X射线用户装置，目前已通过验收，正式进入运行阶段，该装置中的PW激光加速平台和双束光实验平台可以为本项目的继续研究提供实验条件。