能量可调的新型超快康普顿X/γ光源研究

Femtosecond or attosecond X-ray source is an ideal probe for exploring microscopic structure of matter. However, due to the absence of energy tunable X-ray source on such ultrashort timescales currently, the related research work suffers some restrictions and challenges. In virtue of significant progress on tabletop accelerator-the laser wakefield accelerator with such high acceleration gradient (10-100GV/m), ultra-short pulse (less than 10fs), energy tunability and so on, we propose to develop a high-quality radiation source, i.e. energy-tunable ultrafast Compton X/γ-ray source based on laser wakefield accelerator. Based on our preliminary studies (see Nucl. Instr. and Meth. A 660, 108 (2011)，Appl. Phys. B 101, 761 (2010)), nonlinear Compton effects will be analyzed, the related numerical simulation program will be developed; then utilizing the typical experimental results for laser wakefield acceleration, under different laser-electron interaction schemes, the capability of ultrafast Compton X/γ-ray source such as ultra-short pulse, high peak brightness, energy tunalibity will be studied and analyzed in detail. This will lay a foundation for future Compton X/γ-ray source experiment based on laser wakefield acceleration. These studies can probably pave a way toward suitable femtosecond X-ray source for understanding of the structure of matter at the atomic and electronic spin scale, such as electronic spin motion, making and breaking of chemical bonds and the rearrangement of atoms.

飞秒或阿秒X射线源是探测物质微观结构的理想探针。但由于缺乏一个如此短时间尺度的能量可调的X射线源，顺利开展此领域的前沿研究受到约束和挑战。本项目以具有超高加速梯度（10-100GV/m）、超短脉冲（≤10fs）和电子能量可调等特点的激光尾波场加速器的迅猛发展为契机，提出利用激光尾波场加速器驱动产生一个高品质的新型辐射源-能量可调的飞秒（阿秒）康普顿X/γ光源，在课题组前期研究Nucl. Instr. and Meth. A 660, 108 (2011)，Appl. Phys. B 101, 761 (2010)的基础上，理论分析强激光-电子非线性康普顿效应，开发相应的数值模拟程序；借鉴激光加速器领域的典型成果，在不同的激光入射角下对光源的时间结构、能量可调性、通量等关键参数进行系统研究，为相关实验提供理论依据。这些研究有可能找到一个合适的飞秒X射线源用于精确观测原子、电子尺度的超快结构。

飞秒或阿秒X射线源是原子和电子运动的时间尺度上探测物质微观结构的理想探针。但由于缺乏一个如此短时间尺度的能量可调的X射线源，顺利开展此领域的前沿研究受到约束和挑战。本项目以具有超高加速梯度（10-100GV/m）、超短脉冲（≤10fs）和电子能量可调等特点的激光尾波场加速器的迅猛发展为契机，提出了利用激光等离子体加速器驱动产生一个高品质的新型辐射源-能量可调的飞秒（阿秒）康普顿 X/γ 光源。首先，理论分析圆极化激光-电子的非线性康普顿过程，自主开发相应的蒙卡模拟程序，研究弱光场（a0≤1）和强光场（a0>1）下的非线性康普顿散射以及散射光子和电子的能谱和角分布特点，讨论非线性康普顿散射概率随激光场强的标度律；其次，提出一种产生极短脉冲（阿秒）X射线源的新物理方案，即利用激光有质动力加速的极短脉冲（阿秒）电子束与激光汤姆逊散射来获得一个能量可调的阿秒X射线脉冲。已有研究表明，超强激光和固体丝状靶相互作用可产生百阿秒、数十MeV的电子束，基于此细致分析上述短脉冲电子束驱动产生的阿秒X射线脉冲，其流强可达10^6光子/秒，脉冲长度≤200 阿秒，辐射能量为3–300 keV，以及峰值亮度高达5×10^{20} 光子/(s•mm^2•mrad^2•0.1% bandwidth)；最后，模拟研究GeV激光尾波场加速电子束驱动的康普顿伽玛光源，计算表明10 pC、10 fs的GeV激光尾波场加速电子束可以驱动产生能量高于20 MeV、流强高达10^8 光子/秒的飞秒伽玛束流，其峰值亮度高达10^{21}光子/(s•mm^2•mrad^2•0.1% bandwidth)。本项目研究为飞秒、阿秒超快辐射源的实验产生及其在超快结构动力学、特殊核物质（材料）检测、核结构以及光核物理等领域的前沿应用提供良好的理论依据和技术支撑。.本项目取得以下成果：在前期研究基础上自主升级开发一套考虑非线性康普顿效应的蒙特卡罗模拟C++程序；在Appl. Rev. Letts.等国际有重要影响力的杂志上发表学术论文3篇，含SCI收录2篇；正在培养硕士研究生2名。研究工作完全达到预期目标，论文指标超额完成。