超短超强激光驱动的高亮度Betatron辐射光源

Concerning scientific problems about limited acceleration gradient and long pulse duration in large size synchrotron radiation sources, we plan to produce highly collimated, peak brightness reaches 10^24 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW and high energy (10-100keV) table-top betatron radiation source, by using ultrashort intense laser-driven plasma wake-field with ultra-high acceleration gradient (GV/cm) and micro-meter plasma undulators. This new radiation source is fit for the ultrafast application requirement in biological and material sciences. But now, even there are some progress in gas-based-acceleration radiation, it is unstable and the total flux is low. These disadvantages are ascribe to low density of gas and the instability of laser propagation in gas plasmas. We plan to enhance the betatron radiation by using laser-driven cluster acceleration. There are many unique advantages in radiation stimulation during the betatron oscillation in laser-cluster interactions: stable and controllable plasma channel, effectively injection and acceleration to generate nC order high charge and GeV energy energetic electron beam, large oscillation amplitude of electron. These unique characters are benefit for improving the quality of betatron radiation. Finally, we plan to explore the new concept of laser-driven X-ray free electron lasers (XFEL).

针对目前大型同步辐射光源加速梯度较小、时间尺度较长等科学问题，利用超短超强激光驱动的等离子体尾波加速极高的加速梯度（GV/cm）和微米量级的伴生“等离子体波荡器”，产生高度准直、具有飞秒时间分辨、峰值亮度达10^24 phs/s/mm2/mrad2/0.1%BW的高能（10-100keV）台面Betatron辐射光源，以满足生物和材料科学等领域的超快应用需求。目前基于“气体”电子加速产生的辐射源虽有发展，但稳定性差、总流强低。这是由于气体的低密度和激光传输的不稳定性决定的。计划利用200TW超短脉冲与团簇进行电子加速来增强Betatron辐射，相互作用中激发的通道电子回旋共振在辐射激发中具有独特的优点：稳定可控的等离子体通道；高效的注入和加速将产生nC量级大电荷量的GeV高能电子；电子运动具有大的波荡振幅。这些特质都利于提升Betatron辐射的品质。最后在此基础上探索新的XFEL方案。

大型同步辐射光源的加速梯度较小、尺寸巨大，有限的机时不能满足巨大的用户需求；而且由于X射线脉冲较长，也不能满足一些超快过程研究的需求。超短超强激光驱动的等离子体尾波加速，可以产生准直、飞秒时间分辨、高能（10-100keV）、高亮度的台面化Betatron X射线源。然而之前的研究主要是基于“自注入”的电子加速来产生Betatron辐射，但稳定性差、总流强低，限制了其实际应用。针对于此，本项目的主要研究内容是提高激光驱动的Betatron台面同步辐射源的品质，主要包括提高辐射的光子能量、产额、亮度和稳定性；同时探索新的XFEL产生方案。..本项目团队对激光驱动的Betatron辐射源进行了详细的研究，突破了制约电子加速、Betatron辐射品质提升的关键瓶颈，取得了一系列重要进展；在改善Betatron辐射源的稳定性、提高辐射光子的产额和能量、激光能量向X射线转换效率等方面取得了一系列国际领先的重大突破；此外探索并获得了辅助外加瞬态强磁场产生全光XFEL的途径；并在国际上首先实现了超低剂量的X射线“鬼成像”。主要成果有：..电子加速方面：获得了最小归一化发射度的电子束并解释其产生机制。国际上首次通过电离注入稳定获得准单能的电子束。首次提出“波荡注入”新机制，在实验上同时获得了最高能量1.4GeV的电子束和300MeV的单能电子束。首次利用固体靶实现准单能电子加速，电荷量达创纪录的100nC量级，高于其他方式量级以上。..Betatron辐射方面：利用团簇这种新的加速介质，将辐射效率提升了40倍，并可降低Betatron辐射的产生阈值以利于其广泛应用，完成了项目的主要内容。利用 “波荡注入”机制在实验上获得了能量keV到100keV、光子数接近109的Betatron辐射，并采用此方法得到了定向γ射线强辐射。首次利用电离注入稳定地实现高效率Betatron振荡，提升了硬X射线辐射的效率，并获得了定向γ光源。提出了利用PW激光和微米丝靶作用激发QED效应，获得了GeV能量的超亮γ射线辐射。..新辐射方法探索和应用创新：探索了辅助外加瞬态强磁场产生全光XFEL的途径，获得了准单色、能量可调的X射线输出。国际上首次实现了超低剂量X射线“鬼成像”，具有极高的医学应用价值。