利用BEPC建造极化γ射线光源

介绍利用北京正负电子对撞机的强流高亮度电子束与偏振强激光的康普顿背散射产生高能、高亮度、单色、极化γ射线束的特性和它的应用.     

相对论皮秒激光在低密度等离子体中直接加速的电子束的横向分布特征研究

相对论皮秒激光与低密度等离子体作用可以通过"激光直接加速"机制获得超有质动力定标率的高能电子,且电荷量可以达到百n C级,在伽马射线产生、正电子产生等方面具有重要应用.然而激光直接加速电子束相比激光尾场加速电子束具有更大的发散角,同时实验观测的横向束分布也不均匀,但是其中的物理机制研究较少.本文通过二维粒子模拟证明,相对论皮秒激光在低密度等离子体中驱动的激光直接加速中,高能电子束会在激光偏振方向分叉,而且电子能量越高这种现象越明显.文章通过细致的理论分析解释了这种高能电子横向分布产生"分叉"结构的内在原因.在激光直接加速的过程中,电子在纵向获得加速的时候,它在激光偏振方向(横向) betatron振荡的动能也会随之增加,当电子的能量足够高时,二者呈线性关系,因此高能电子的横向速度的振幅近似相等,这种相等的振幅最终导致了高能电子束在激光偏振方向的分叉.     

极强激光场驱动超亮伽马辐射和正负电子对产生的研究进展

高功率超短超强激光脉冲的诞生开启了相对论非线性光学、高强场物理、新型激光聚变、实验室天体物理等前沿领域.近年来,随着数拍瓦级乃至更高峰值功率激光装置的建成,超强激光与等离子体相互作用进入到一个全新的高强场范畴.这种极强激光场与等离子体相互作用蕴含着丰富的物理过程,除了经典的波与粒子作用、相对论效应、有质动力效应等非线性物理过程外,量子电动力学(QED)效应变得格外重要,例如辐射阻尼效应、正负电子对产生、强伽马射线辐射、QED级联、真空极化等.本文主要介绍我们近年来在极端强激光场与等离子体相互作用中激发的QED效应以及伴随的超亮强伽马射线辐射和稠密正负电子对产生等方面的研究进展.     

超强激光与固体靶作用驱动量子电动力学级联和稠密正电子产生的研究进展

极端超短超强激光脉冲的诞生将光与物质的相互作用推进到由辐射阻尼效应和量子电动力学（QED）效应占主导的高度非线性物理范畴。强场QED效应蕴含了丰富的物理过程包括辐射阻尼、高能伽马辐射、正负电子对产生、QED级联、真空极化等,是高能量密度物理和强场物理研究领域的前沿热点。QED级联是解释致密天体辐射和伽马射线暴形成的重要物理机制,其产生的稠密正电子源在高能物理、材料无损探测、癌症诊断等领域亦有重要的应用前景。介绍了QED级联过程及其理论模型,讨论了固体靶中的QED级联发展及其诱导的非线性物理效应,并回顾了固体靶中稠密正电子产生的主要研究成果。     

电子在激光驻波场中运动产生的太赫兹及X射线辐射研究

采用单电子模型和经典辐射理论分别对低能和高能电子在线偏振激光驻波场中的运动和辐射过程进行了研究. 结果表明: 垂直于激光电场方向入射的低速电子在激光驻波场中随着光强的增大, 逐渐从一维近周期运动演变为二维折叠运动, 并产生强的微米量级波长的太赫兹辐射; 高能电子垂直或者平行于激光电场方向入射到激光驻波场中, 都会产生波长在几个纳米的高频辐射; 低能电子与激光驻波场作用中, 激光强度影响着电子的运动形式、辐射频率以及辐射强度; 高能电子入射时, 激光强度影响了电子高频辐射的强度, 电子初始能量影响着辐射的频率; 电子能量越高, 产生的辐射频率越大. 研究表明可以由激光加速电子的方式得到不同能量的电子束, 并利用电子束在激光驻波场的辐射使之成为太赫兹和X射线波段的小型辐射源. 研究结果可以为实验研究和利用激光驻波场中的电子辐射提供依据.     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

强激光-固体靶相互作用中高能质子的研究进展

本文介绍了强激光与固体靶相互作用产生高能质子研究中的一些重要物理问题和目前面临的挑战.回顾了强激光与固体靶相互作用中高能质子研究的历史和发展状况;简要叙述了国内外关于高能质子研究的最新进展;总结、评述了高能质子研究过程中关于高能质子的起源和加速机制等问题存在的争议以及需要进一步研究的相关问题.     

锥形激光等离子体中Compton 散射对电子的加速

应用相对论性电子与光子非弹性碰撞模型和经典相对论电动力学理论,结合锥形飞秒强激光等离子体中的光场特性和静电场能,分析、计算了入射的高能电子束与等离子体中的光子发生多光子非线性Compton散射时对电子的加速效应,发现等离子体中的光场会引起电子加速能量的振荡;等离子体中的静电场降低电子的加速效应。用高能电子束与锥形飞秒强激光等离子体中的光子发生双光子非线性Compton散射,是加速电子最为理想的情况。     

极化电子源的原理及实验研究

简单介绍了极化电子束的获得,即极化电子源,讨论了对电子束极化度的测量,极化电子与原子散射,以及极化电子束在固物理、生物物理、核物理与粒子物理中的应用． The getting of polarized electrons was briefly introduced, that is the source of polarized electrons. The measurement of polarization in future, the application of polarized electrons in atomic and molecular physics, condensed physics, biological physics, nuclear and particle physics were discussed.     

激光加速电子束放射照相的模拟研究

激光加速产生高能量电子束具有源尺寸小、准单能、脉宽窄等特征.通过蒙特卡罗程序模拟研究了高能电子束的放射照相.模拟了200 MeV准直电子束照射台阶靶、厚铁靶,11 MeV点源电子束照射惯性约束聚变模型靶,以及70 MeV点源电子束在激光等离子体磁场下的偏转.结果表明激光加速电子束在探伤厚材料内部、确认薄材料界面、测量电磁场等诊断中具有高时空分辨、灵敏等能力.     

BEPC Compton散射极化仪的理论研究

简要介绍了圆偏振激光在极化电子束上的Ｃｏｍｐｔｏｎ散射理论,研究了北京正负电子对撞机（ＢＥＰＣ）极化仪的测量原理,并根据ＢＥＰＣ极化仪的实验参数计算了散射的能谱、空间分布和强度．The theory of Compton scattering of polarized photons on polarized electrons, and the principle of Beijing Electron Positron Collider (BEPC) Compton polarimeter are shortly discussed. The energy spectrum, vertical distributions and the intensity of Compton scattering under particular conditions are also calculated.     

JLab 及其物理研究

 高能轻子与核子的相互作用是研究强子物理的主要手段。美国JLab(Thomas Jefferson NationalAccelerator Facility)实验室以其CEBAF(ContinueElectron Beam Accelerator Facility)加速器提供的优良性能的电子束(高的能量分辨率、小的束斑、大的流强和高达85%的极化度)和三个实验厅中建有的高精度谱仪成为世界上研究强子物理的重要基地。     

强激光与等离子体相互作用中沿靶表面发射的高能超热电子

在强激光与等离子体相互作用研究中，文章作者从实验上首次观测到沿靶面方向发射的高能超热电子束．该电子束只有在等离子体电子密度标长较短的条件下才会出现。数值模拟表明，靶表面电磁场的约束作用是产生这束电子的主要原因。这一结果有助于加深对激光惯性约束聚变快点火实验中的锥靶物理过程的理解，并有潜在的应用前景。     

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.     

超强激光驱动的辐射反作用力效应与极化粒子加速

光强超过10~(22) W/cm~2的极端超强激光将光与物质的相互作用推进到辐射主导区域,激发高能伽马光子辐射,产生明显的辐射反作用力效应.辐射反作用力可以显著影响强场中带电粒子的动力学行为,并从根本上改变了极端强场区域的激光等离子体相互作用规律.如何理解和验证辐射反作用力效应是强场物理研究的核心内容之一.本文结合该方向的国内外研究进展,论述了辐射反作用力的经典形式与强场量子电动力学的理论计算与模拟方法,详细讨论了单粒子在强场中的反射、量子随机辐射、自旋-辐射耦合等效应,介绍了激光等离子体相互作用中的电子冷却、辐射俘获、高效伽马辐射等机制,并给出了目前辐射反作用力效应的实验验证方法与进展.针对自旋在强场量子电动力学方面的效应,介绍了激光加速产生极化粒子源的方法.     

石榴石型偏振调节器温度效应研究

采用磁控溅射法制备了石榴石型偏振调节器并研究了温度对其的影响.利用斯托克斯偏振仪和CCD,研究激光透过石榴石及石榴石型偏振调节器的偏振极化性质和光斑变化.实验结果表明:在25～75℃温度范围内,激光穿过不同材料时,斯托克斯参量变化趋势不同;但是因方位角不改变,激光的偏振度、线偏振度、圆偏振度基本不变.     

非均匀磁场约束条件下的电子束空气等离子体特性

为了揭示大气环境电子束等离子体的性质,基于蒙特卡罗程序包Geant4建立了一个包含电离、激发以及轫致辐射等物理过程的计算模型,用于模拟非均匀磁场约束条件下高能强流稳态电子束的输运特性、以及大气环境等离子体的性质。结果表明:非均匀磁场可以有效控制电子束在空气中的输运轨迹,显著降低电子束的发散;随着电子束在空气中行程的增加,电子束能谱开始展宽并向低能区移动;输运装置出口能量损失比电子束射程末端高2个量级,且随着电子束输运距离的增加,等离子体密度降低;等离子体密度的高低与电子束能量直接相关。     

基于同步辐射加速器的康普顿背散射γ光源性质及其应用研究

本文介绍了利用康普顿背散射 (BCS)产生γ射线的原理 ,并以SSRF储存环电子运行参数为例 ,给出了利用BCS方法产生MeV量级γ射线束的计算结果 ,预期该光子束具有高强度、高极化度、单色性、方向性好等优点。同时对国际上已运行和拟建的高能和低能γ束线站的装置和性能作了简要介绍 ,并分别探讨了高能和低能准单色极化γ射线在核物理和核天体物理研究中广泛的应用前景。文中对基于正对以及离轴几何条件下 ,采用直线加速器加速的电子同短脉冲强激光发生Compton/Thomson散射的激光同步辐射源作了初步探讨 ,这一方法为我们构建超短脉冲的高亮度、准单色、可调谐的X γ射线源开辟了一条新途径。     

电子束激发原子对金属蒸发的影响

在原子蒸气激光同位素分离工程(AVLIS)中,金属受电子束的加热而熔化,并向真空蒸发,蒸气原子通过电子束的过程中,可能与电子发生非弹性碰撞,被激发到高能级.在膨胀的过程中,高能级的原子通过与原子的非弹性碰撞消激发,将原子内的电子能量转换为蒸气的平动能.为了分析电子束与原子作用对蒸气的密度、速度和温度等物理特性的影响,采样直接模拟蒙特卡罗法(DSMC)模拟钆原子蒸发过程.模拟结果表明,电子束与原子的作用使得原子蒸气的速度增加,密度减小,温度升高 关键词： 金属蒸发 AVLIS DSMC 电子枪     

相对传播的双脉冲激光与薄膜靶作用产生的强单色谐波

研究了相对传播的双脉冲激光与薄膜靶的作用,观察到很强的谐波产生.其物理图像是:圆偏振高对比度强激光脉冲作用于薄膜靶,由光压推动产生的高密度等离子体靶向前运动,同时由于电荷分离场的作用,使得离子束和电子束在纵向上都有好的聚束,从而产生以相对论速度向前运动的等离子体镜;反向入射一个探测光到已被加速的等离子体镜上,由多普勒频移产生强的单色N次谐波,探测光脉冲被"压缩"至原来的1/N.还讨论了激光和等离子体参数对等离子体镜的运动和谐波级次的影响,以及相对论运动等离子体镜的稳定性对谐波的影响.