清华汤姆逊散射X射线源初步实验研究

汤姆逊散射X射线源利用高亮度的相对论电子束与超短TW级激光相互作用,能产生能量可调、脉冲长度短（～100飞秒量级）的准单色高能X射线,在超快物理过程研究和医学领域具有广泛的应用前景。清华大学工程物理系加速器实验室正在积极筹建基于光阴极微波电子枪和飞秒强激光的汤姆逊散射实验平台,并利用实验室现有的16MeV返波行波加速器和Nd:YAG纳秒调Q激光系统进行了初步实验研究。在解决实验中出现的电磁干扰和韧致辐射X射线本底干扰等问题后,在实验中测量到了脉宽为6纳秒、脉冲光子产额为1.7x 10^4 的散射光子信号。在本文中将对实验装置和结果进行详细介绍。     

汤姆逊散射X射线源初步实验中电子束参数测量及其对X射线性能影响的研究

为了准确计算和分析汤姆逊散射X射线源初步实验中产生的X射线参数, 对实验中所用的16MeV返波行波加速器产生的电子束参数进行了测量. 并通过模拟程序计算和分析了在该参数下初步实验中产生的X射线的参数.     

全光汤姆逊散射X光源数值模拟

 使用蒙特卡罗数值模拟程序研究了不同电子束和激光强度下,尾场电子束与超短脉冲激光发生汤姆逊散射获得的X光子能谱、角分布等,初步探索了180°散射下高质量X射线光源所需要的电子束与激光强度。数值模拟结果显示,为了尽量提高光子产额并抑制非线性效应,激光归一化强度应为1的量级。为了获得方向性和单色性好、亮度高的X射线脉冲,需要较高的电子能量和较小的电子能散,电子束脉冲尽量短,且发散角尽量小。     

建立激光同步辐射源的初步探讨

 进行了基于正对以及离轴几何条件下，电子与激光束间Compton / Thomson散射的激光同步辐射源的初步探讨。运用现有的直线加速器技术以及高功率、高重复频率激光器技术可以为构建超短脉冲的高亮度、准单色、可调谐的X和γ射线源开辟一条新途径。     

一种紧凑型激光同步辐射光源的初步设计及应用前景

 激光与相对论电子束的康普顿散射可产生高亮度、超短脉冲、辐射波长可调、峰值亮度高的准单色、极化X射线。这是一种新型的激光同步辐射光源，以其造价低、小型紧凑等特点受到人们的重视，成为当前研究的热点。介绍了激光同步辐射光源的性质和特点，对利用北京大学超导加速器装置的电子束产生激光同步辐射进行了初步计算和设计，该波段X射线显示出了诱人的应用前景。     

超短电子脉冲在聚焦强激光场中的三维有质动力散射

采用三维测试粒子模拟(test-padicle simulation)的方法，研究了聚焦的飞秒脉冲强激光与超短电子束进行有质动力的散射过程.详细讨论了超短电子束经过不同激光延迟下有质动力散射的空间分布特征和能谱特征.提出了通过测量电子束的空间分布和能谱分布实现对超短脉冲电子束的脉冲宽度测量的方法. 关键词： 有质动力散射 聚焦的飞激光 飞秒电子束     

激光与相对论电子束相互作用中阿秒X射线脉冲的产生

本文对激光与相对论电子束相互作用产生的阿秒X射线脉冲进行了研究.阿秒X射线脉冲是由于激光被相对论运动的电子束经过汤姆孙后向散射产生的.讨论了等离子体参数对产生的阿秒X射线的影响.发现其波长随着入射激光的频率的增加或电子束的速度增加而减小.选择合适的参数还可以获得"水窗"波段的X射线.还讨论了相对论电子束的密度与其前沿的密度梯度的大小对所产生X射线的转化效率的影响. 关键词： 阿秒X射线脉冲 汤姆孙后向散射 超强激光 相对论电子束     

软X射线激光汤姆逊散射实验尝试

汤姆逊散射是诊断高温稠密等离子体状态参数的重要方法之一, 受到广泛的关注. 但是目前用于进行汤姆逊散射的探针光波长多局限于可见光或紫外光, 能够诊断的区域电子密度远低于驱动激光的临界密度. 相比较而言, 以软X射线激光作为探针, 有希望诊断更高密度区域的等离子体. 利用“神光Ⅱ”高功率激光装置产生的类氖锗软X射线激光作为探针, 开展了软X射线激光汤姆逊散射实验的尝试. 根据散射的条件, 分别进行了非相干散射和相干散射的实验, 但均未能获得明显的散射谱. 理论分析表明, 主要原因可能是实验中作为探针的类氖锗软 X射线激光的聚焦功率密度不够, 通过优化实验条件, 有希望在今后的研究中获得相干汤姆逊散射的结果. 关键词： 等离子体诊断 软X 射线激光 汤姆逊散射     

任意椭圆偏振激光场非线性汤姆逊散射的一般表述与X射线产生的优化条件

基于相对论条件的电动力学,解析求解了任意椭圆偏振条件下激光场的非线性汤姆逊散射的一般表示.利用解析结果得到了背向非线性汤姆逊散射高次谐波的极值条件.结果表明对于基频背向汤姆逊散射,在相同条件下,圆偏振激光具有最大值而线偏振是最小值,如果激光偏振态从圆偏振连续的过渡到线偏振,背向汤姆逊散射的角功率随之单调递减.这一效应对高强度入射激光尤为重要,当 a² >5时,圆偏振情形的贡献几乎是线偏振的2倍.这对基于汤姆逊散射机制的X射线源实验研究具有重要参考意义. 关键词： 非线性汤姆逊散射 偏振度 极值     

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility,SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。     

基于激光尾场加速的自反射式全光汤姆孙散射的参数优化

基于激光尾场加速的全光汤姆孙散射能够提供高质量X射线束并大大减小装置的尺寸.与分光式相比,自反射式的构架可以降低实验的时空同步难度,但是由于激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程耦合, X射线优化难度大,目前缺乏参数优化的相关报道.本文用数值模拟修正解析理论的方法,定量分析了激光尾场电子加速和汤姆孙散射过程中激光和电子束的焦斑、脉宽、能量等参数变化情况,并给出了激光在等离子体镜上的反射率,从而实现了用解析公式计算而非数值模拟跟踪参数变化,在保证精度的同时节约了计算时间.另外,利用修正后的公式优化了给定激光条件下的自反射式全光汤姆孙散射X射线,通过改变等离子体密度和等离子体镜位置这两个参数给出了最优X射线亮度和光子产额,该方法为将来结合人工智能优化控制全光汤姆孙散射光源提供了理论基础.     

Preliminary experiment of the Thomson scattering X-ray source at Tsinghua University

The X-ray source based on Thomson scattering of ultrashort laser pulse with a relativistic electron beam is a means of generating a tunable, narrow bandwidth and ultrashort pulse of hard X-rays. Such a sub-picosecond hard X-ray source is proposed at Tsinghua University, and a preliminary experiment with a 16 MeV Backward Traveling electron linac and a 1.5 J, 6 ns Q-switched Nd:YAG laser is carried out first. A 6 ns pulse X-ray with a peak energy of 4.6 keV and an intensity of 1.7×104 per pulse is generated successfully in the experiment. The experimental setup, result and discussion are reported in this paper.     

激光电子散射中的最大可能增益

借鉴自由电子激光(FEL)发展之初Madey对自由电子激光器中受激辐射引起的增益的讨论,通过在激光场中的量子电动力学(QED)的模型中引入激光电子系统初态态密度以及由不确定的系统初态到确定光子末态的跃迁速率,推导了激光电子正碰过程中受激辐射至单一电磁模式产生的最大可能增益。采用成功得到X射线或$\gamma $射线光子的三个激光电子Compton背散射实验的实验参数计算了激光电子散射过程中的最大可能增益,与第一台X射线自由电子激光(XFEL)中的最大可能增益作比较,进而对激光电子散射作为激光光源的可行性进行评估。计算结果表明,现有的能够得到X射线光子或$\gamma $射线光子的激光电子散射实验中的最大可能增益远低于第一台XFEL中的。本工作未能找到合适的激光电子参数以获得比第一台XFEL中更高的最大可能增益,但是在入射电磁波位于射频波段范围内找到了能够实现较高增益的参数组合。     

Traveling-wave Thomson scattering and optical undulators for high-yield EUV and X-ray sources

We present a novel high-yield Thomson scattering geometry that takes advantage of compact electron bunches, as available in advanced, low-emittance linear accelerators or laser wakefield accelerators. In order to avoid the restrictions on the X-ray photon yield imposed by the Rayleigh limit, we use ultrashort, pulse-front tilted laser pulses in a side-scattering geometry. Such a traveling-wave setup allows an overlap of electron and laser beams, even after propagating over distances much longer than the Rayleigh length. Experimental designs are discussed and optimized for different scattering angles. Specifically, to minimize group delay dispersion at large scattering angles >10°, we propose the use of varied-line spacing (VLS) gratings for spatio-temporal laser pulse shaping. Compared to head-on (180°) Thomson scattering, interaction lengths are in the centimeter to meter range and photon numbers for ultrashort X-ray pulses can increase by several orders of magnitudes.     

Experiment of X-ray Generations Using Laser-Compton Scattering at LINAC of SINAP

Laser Compton scattering(LCS) can generate X-rays or y-rays with high brightness and easy controlled polarization by applying high-peak-power laser pulses to relativistic electron bunches.One of the most promising approaches to short pulsed X-ray sources is the laser synchrotron source.It is based on LCS between picoseconds relativistic electron bunches and picoseconds laser pulses.A project of Shanghai laser electron gamma source with LCS method has been proposed on Shanghai synchrotron radiation facility.Before that,a prototype has been developed in the beamline of the linear accelerator at the Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences.The LCS experiment was carried out by using the 107 MeV,5 Hz,1 ns,0.1 nC electron bunches from the linear accelerator and the 18 ns,10 MW peak power,Nd:YAG laser pulses.In this communication,we describe the details and report the first results of this experiment.     

全光汤姆孙散射

随着激光和加速器技术的发展,激光场强度和粒子能量也有所提升,在高场强和高电子能量的条件下,电子与光子的汤姆孙散射过程将达到高度非线性状态,在这种状态下会发生多光子效应,即单个电子同时与多个光子相互作用并辐射一个高能光子,此过程通常称为多光子汤姆孙散射.当场强和粒子能量变得更高时,需要引入量子电动力学理论来解决极端光场物理中的动理学过程.近期,全球多台数拍瓦激光装置逐渐投入使用,激光等离子体相互作用中的此类效应会变得极其显著.而全光汤姆孙散射成为目前研究极端光场物理最佳的实验方案,因此,系统地研究全光多光子汤姆孙散射是本领域未来十年极其重要的方向.本文对近年来全光汤姆孙散射实验从单光子、低阶多光子到高阶多光子的研究进展进行了综述,并对其未来的发展方向进行了展望.另外,伴随着散射过程产生的准直高亮X/伽马射线,有望发展成为具有重要应用价值的紧凑型超亮高能光源.     

碳、氮原子内壳层光电离X射线激光的理论探讨

提出了分析碳、氮原子内壳层光电离X射线激光的解析模型,对C原子K壳层光电离X射线激光的增益进行了理论计算。采用随时间线性增加的X射线抽运速率推导出了激光增益系数随抽运速率的上升速率、原子浓度以衣时间变化的解析表达式,给出了峰值时间和峰值增益。在理论上定量地分析了产生X射线激光所需的激光条件和最佳参数的选取,数值模拟与理论计算的结果是一致的。另外,对N原子K壳层光电离X射线激光作了类似的分析。