Concepto de fuente de rayos γ brillante compacta. (A) Esquema del esquema de dos etapas. En la primera etapa de aceleración, una estela de plasma es impulsada por un pulso láser multi-PW que se propaga en un canal de plasma subdenso, donde la inyección y aceleración eficiente de electrones dan como resultado un multi-GeV, baja emisión carga alta y haz de electrones de alta densidad. Luego, el pulso láser ingresa a una región de plasma de mayor densidad que actúa como un radiador, donde los rayos γ brillantes colimados son producidos por los electrones densos de alta energía en los campos electrostáticos mejorados de la burbuja en el plasma más denso. (B) Vista tridimensional (3D) de la radiación de rayos γ en un campo de despertador de plasma impulsado por láser utilizando una simulación 3D de partículas en la celda (PIC). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240
Los aceleradores láser-wakefield han llevado al desarrollo de compactos, fuentes de rayos X o rayos gamma ultracortos para ofrecer un brillo máximo, similar a las fuentes de sincrotrón convencionales. Sin embargo, tales fuentes se retienen por bajas eficiencias y se limitan a 10 7-8 fotones por disparo en el rango de kiloelectrones voltios (KeV) a megaelectrones voltios (MeV). En un nuevo informe ahora publicado en Avances científicos, Xing-Long Zhu y un equipo de investigación en física y astronomía en China y el Reino Unido, presentó un nuevo enfoque para producir eficientemente colimados, rayos ultrabrillantes de rayos gamma (γ). Las energías de los fotones resultantes se podían sintonizar hasta gigaelectrones voltios al enfocar un pulso láser de varios petavatios en un acelerador de campo de activación de 2 etapas. El láser de alta intensidad les permitió generar de manera eficiente un haz de electrones de voltios de varios gigaelectrones con una alta densidad y carga durante la primera etapa del experimento. Los rayos láser y de electrones entraron en una región de plasma de alta densidad en la segunda etapa a partir de entonces. Usando simulaciones numéricas, demostraron la producción de más de 10 12 fotones de rayos gamma por disparo con una eficiencia de conversión de energía superior al 10 por ciento para fotones superiores a 1 megaelectrón voltio (MeV) y lograron un brillo máximo por encima de 10 26 fotones S -1 mm -2 mrad -2 por 0,1 por ciento de ancho de banda a 1 MeV. El resultado de esta investigación ofrecerá nuevas vías en física e ingeniería tanto fundamental como aplicada.
Las fuentes brillantes de rayos gamma de alta energía son versátiles para amplias áreas de aplicaciones, incluida la investigación fundamental en astrofísica, física nuclear y de partículas, así como imágenes de alta resolución. Los investigadores pueden mejorar estas aplicaciones con fuentes de rayos gamma compactas con baja divergencia, corta duración del pulso, energia alta, y brillo de pico alto. Si bien los sincrotrones y los láseres de electrones libres de rayos X (XFELS) ampliamente utilizados pueden emitir pulsos de rayos X con brillo máximo, están limitados a energías de fotones bajas. El tamaño y el costo de tales estructuras de investigación también pueden limitar sus aplicaciones regulares. Por lo tanto, los investigadores han desarrollado rápidamente aceleradores láser-wakefield compactos (LWFA) en las últimas dos décadas para ofrecer un enfoque radicalmente diferente para impulsar la aceleración y radiación de partículas de alta energía a una escala mucho más pequeña. Los continuos avances en el campo de la tecnología láser de ultra alta potencia permitirán fuentes gamma brillantes de alta energía. Aunque los científicos han realizado esfuerzos considerables para desarrollar fuentes de fotones avanzadas, Actualmente no existe un método alternativo para lograr el brillo máximo de las fuentes de rayos gamma en comparación con el nivel de XFEL.
Esquema físico
En este trabajo, Zhu y col. introdujo una estrategia eficiente para producir rayos gamma de brillo extremadamente alto con energías de fotones de hasta GeV. Desarrollaron la configuración en un LWFA de dos etapas (acelerador de campo de activación láser), impulsado por un solo pulso láser multi-PW. Durante la primera etapa, utilizaron un plasma de densidad moderadamente baja para producir un haz de electrones de varios GeV con una alta eficiencia energética de aproximadamente el 40 por ciento. Durante la segunda etapa, utilizaron un plasma de densidad relativamente alta para producir radiación de rayos gamma en el rango de MeV a GeV con una eficiencia de más del 10 por ciento. El número de fotones resultante, eficiencia energética, el brillo y el poder máximos eran varios órdenes de magnitud mayores que cualquier fuente existente basada en LWFA, allanando el camino para facilitar los rayos gamma de alto brillo en diversos campos de la ciencia y la tecnología con energía fotónica en el rango de MeV a GeV.
Efecto de las dimensiones transversales de la ventana de simulación sobre la generación de rayos γ. (A, B) Instantáneas de distribuciones de la densidad electrónica (
Para superar los límites existentes, Zhu y col. propuso un esquema de dos etapas que combinaba las ventajas de la aceleración de electrones eficiente en un LWFA de baja densidad y la emisión eficiente de fotones de electrones energéticos en un LWFA de densidad relativamente alta. Los científicos utilizaron un canal de plasma para guiar el láser de alta potencia. Durante la primera etapa, Zhu y col. autoinyectado los electrones de plasma, que se aceleró en la burbuja de plasma, excitado por el pulso láser multi-PW que se propaga en un plasma subdenso. El haz de electrones de baja divergencia y multi-GeV resultante logró una alta densidad de haz cercana a la densidad crítica del plasma (10 21 cm -3 ) y una eficiencia de conversión de energía de láser a electrón de hasta el 40 por ciento. Durante el segundo estado, el pulso de láser se propagó al plasma de densidad relativamente alta y dio como resultado una burbuja de plasma encogida a medida que aumentaba la densidad. La resultante, Los grandes campos electromagnéticos cuasiestáticos alrededor del haz de electrones emitieron un haz colimado de rayos gamma con energías fotónicas al nivel de GeV.
La configuración del radiador-acelerador de plasma láser y los resultados de la simulación PIC 3D. (A) Perfil de densidad en el eje del plasma de fondo. (B y D) Las instantáneas de las distribuciones de la densidad electrónica (ne) y el campo láser (Ey) se muestran en el momento ct =1000 μm y ct =1700 μm, respectivamente, en las etapas de aceleración y radiación, donde ξ =x - ct. Las instantáneas correspondientes de las distribuciones de la densidad de fotones (nγ) y el campo de aceleración (Ex) se presentan en (C) y (E), respectivamente. Los espectros de energía de los electrones (F) y los rayos γ (H) en momentos determinados. En (H), el recuadro muestra la evolución temporal de la energía máxima de electrones y rayos γ. (G) Espectro angular y distribución angular de rayos γ. (I) Pico de brillo de rayos γ (fotones s − 1 mm − 2 mrad − 2 por 0.1% BW) en función de la energía del fotón emitido. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240 
Dado que los campos electromagnéticos cuasiestáticos eran lo suficientemente altos, Tanto la reacción de radiación como los efectos cuánticos en el sistema jugaron un papel importante durante la emisión de fotones. Los resultados indicaron una eficiencia de radiación sin precedentes para los rayos gamma con una eficiencia de fotones superior a 1 MeV. El número de fotones, eficiencia, el brillo máximo y la potencia de los rayos gamma emitidos fueron varios órdenes de magnitudes más altos que la radiación betatrón LWFA existente y las fuentes de retrodispersión de Compton (es decir, la dispersión de un fotón por un electrón). Para obtener pulsos de rayos gamma colimados de alta energía, la carga y la energía del haz de electrones acelerado y los campos electromagnéticos cuasiestáticos tenían que ser lo suficientemente altas. Zhu y col. adaptó la densidad del plasma con una densidad moderadamente baja para una aceleración eficiente y con una densidad relativamente alta para que la radiación eficiente forme una alta densidad, carga alta, y haz de electrones multi-GeV.
Radiación de fotones de alta energía en campos electromagnéticos cuasiestáticos intensos. (A y B) Distribuciones de la densidad electrónica (ne) y el campo magnético autogenerado (BS) en ct =1500 μm y ct =1600 μm, respectivamente. (C y D) Densidad de fotones de rayos γ (nγ) y campo electromagnético transversal (F⊥) correspondientes. (E y F) Parámetro de radiación correspondiente (χe) en las dos posiciones mencionadas anteriormente. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240
El pico máximo de brillo de los rayos gamma alcanzó el nivel XFEL (láseres de electrones libres de rayos X) para convertirlos en un prometedor, fuente de radiación de alto brillo y alta energía para investigación fundamental y aplicaciones prácticas. Los científicos ajustaron los parámetros del plasma para cambiar la energía máxima, brillo máximo, y potencia de radiación de los rayos gamma emitidos para ilustrar el efecto de la densidad del plasma sobre la emisión de rayos gamma. El equipo mostró una emisión de rayos gamma de plasma significativamente mejorada con una mayor densidad de plasma para facilitar una cantidad sustancial de transferencia de energía de electrones a fotones de alta energía. Zhu y col. optimizó aún más el sistema experimental para evitar la saturación de la potencia de radiación y la energía de los fotones.
Luego, los científicos demostraron la solidez del esquema de radiación de rayos gamma experimental con una serie de simulaciones para diversas intensidades de láser. Los resultados mostraron que las emisiones de rayos gamma se vuelven más eficientes, con aumento de la intensidad del láser. Cuando redujeron la intensidad del láser, la brillante radiación gamma seguía siendo relativamente eficiente. El esquema puede ser ampliamente utilizado en laboratorios en un futuro cercano para allanar el camino para una nueva generación de alta eficiencia, fuentes de rayos gamma GeV ultrabrillantes.
Efecto de los parámetros plasmáticos sobre la emisión de rayos γ. (A) Efecto de la longitud del radiador (Lb) sobre el brillo máximo a 1 MeV, energía de corte, y potencia de radiación de los rayos γ. El recuadro muestra la energía máxima y la eficiencia total de la aceleración de electrones por encima de 1 GeV. (B) Efecto de la densidad del plasma (n0) en la región del radiador sobre el brillo máximo de los rayos γ, energía de corte, y potencia de radiación. El recuadro muestra la eficiencia de conversión de energía de los electrones atrapados (≥1 GeV) y los rayos γ (≥1 MeV) del láser impulsor. La energía de corte de los rayos γ se define a 10−5 del brillo máximo a 1 MeV. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240.
De este modo, Xing-Long Zhu y sus colegas abordaron los límites existentes de las fuentes de radiación de rayos X y rayos gamma y propusieron un esquema nuevo y sólido. El nuevo método logró un aumento de varios órdenes de magnitud en el número de fotones, eficiencia de radiación, brillo y poder de los rayos gamma emitidos. Para lograr esto, utilizaron LWFA (aceleradores láser-wakefield) totalmente ópticos de dos etapas impulsados por pulsos de múltiples PW. El trabajo facilitado compacto, fuentes de rayos gamma ultracortos con un brillo sin precedentes en el régimen de GeV. El trabajo ofrecerá capacidades únicas para una variedad de nuevas aplicaciones en reacciones fotonucleares, interacciones luz-materia, y como colisionadores de rayos gamma.
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