佟 帥，楊 志，舒曉芳，劉世炳

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院, 北京 100124)

激光尾場(chǎng)中Betatron振蕩產(chǎn)生X射線的研究進(jìn)展

佟 帥，楊 志，舒曉芳，劉世炳

(北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院, 北京 100124)

增強(qiáng)激光尾場(chǎng)中betatron振蕩產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度的新方法已成為目前研究的熱點(diǎn)。在剖析激光尾場(chǎng)電子加速 (LWFA)中產(chǎn)生X 射線的研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，探索了增強(qiáng)betatron X射線強(qiáng)度的方法，介紹了激光尾場(chǎng)中betatron振蕩產(chǎn)生X射線的研究進(jìn)展。

激光尾場(chǎng)；空泡；betatron X射線；研究進(jìn)展

自X射線輻射被發(fā)現(xiàn)的一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，因其良好的穿透性，已經(jīng)被人們成功地應(yīng)用在醫(yī)療和工業(yè)方面，如用來(lái)幫助人們進(jìn)行醫(yī)學(xué)診斷和治療，用于工業(yè)上的非破壞性材料的檢查。與此同時(shí)，X射線已經(jīng)在廣泛的科學(xué)研究中成為探索物質(zhì)性質(zhì)的最有效工具之一，科學(xué)家們將其應(yīng)用于地質(zhì)地理學(xué)、生物學(xué)及化學(xué)等研究領(lǐng)域[1]。也正是伴隨這些科學(xué)研究的推進(jìn)，人們對(duì)于X射線的性能要求也越來(lái)越高。歷代的X射線輻射源的發(fā)展都追求更高亮度、更短波長(zhǎng)和更短脈沖寬度的輻射。其中，基于激光和等離子體相互作用下的新型高強(qiáng)度X光源已成為近年的研究熱點(diǎn)[2]。

1 X射線產(chǎn)生的研究現(xiàn)狀及問題分析

目前已有的X射線源包括X射線管、碰撞電離源、極紫外(XUV)高次諧波源以及同步輻射源。其中，同步輻射源已經(jīng)得到了良好的科學(xué)研究應(yīng)用，尤其是在生物和凝聚態(tài)物質(zhì)等研究領(lǐng)域[1]。

傳統(tǒng)的同步輻射光源由于存在體積龐大、成本高昂、輻射的電磁波脈寬較長(zhǎng)以及很難用于亞皮秒量級(jí)的泵浦探針等不足，能解決以上問題的小型X射線源受到人們的期待。目前，盡管X射線源在能量轉(zhuǎn)換效率、脈寬等方面都有了大幅度的提升[3,4]，但是除了高次諧波[5]、湯姆遜散射[6]、betatron[7]輻射產(chǎn)生的X射線，大多數(shù)的硬X射線源都是在空間上均勻分布的。由于高次諧波和湯姆遜散射通常產(chǎn)生的光子數(shù)通量很低，而相對(duì)論量級(jí)能量的激光脈沖在低密度等離子體內(nèi)的傳輸過程中可以產(chǎn)生準(zhǔn)直性很好的飛秒脈寬X射線，人們開始將目光轉(zhuǎn)向于更加簡(jiǎn)潔的激光臺(tái)面粒子加速器來(lái)產(chǎn)生 betatron 輻射[8]。

Betatron X射線源是基于飛秒激光與等離子體產(chǎn)生的X 射線源[7]，它來(lái)自激光尾波場(chǎng)加速產(chǎn)生的電子束團(tuán)，因此具有源尺寸小、飛秒量級(jí)脈寬等特點(diǎn)，且它的飛秒泵浦探針能力不容忽視，所以具有應(yīng)用于材料科學(xué)和生物科學(xué)的良好前景[9,10]。Betatron輻射過程類似于同步輻射過程，如圖1所示[11]。

圖1 同步輻射源與激光尾場(chǎng)中betatron振蕩輻射源原理對(duì)比圖[11]

2 Betatron振蕩產(chǎn)生X射線的研究進(jìn)展

近代的第三代同步輻射源的原理是將高能電子引入周期性磁場(chǎng)分布的扭擺器或振蕩器中，產(chǎn)生高亮度的定向輻射。而betatron振蕩發(fā)生于強(qiáng)激光在次密度等離子體中傳輸，由此形成空泡(或等離子體通道)，空泡中的電子被排開引起電荷分離[3]，形成的電荷分離場(chǎng)使通道中的電子受到回復(fù)力的作用，電子在等離子體通道中的振蕩頻率與等離子體波的頻率成正比，這種電荷分離場(chǎng)在作用上等效于外加一個(gè)振蕩器或扭擺器，使電子在其中振蕩，進(jìn)行扭擺運(yùn)動(dòng)并定向地輸出同步輻射。因此，betatron X 射線的特性主要取決于被加速的電子的特性，包括電子的能量、電子束的電量、以及電子在尾波結(jié)構(gòu)中的波蕩振幅。然而，當(dāng)我們使用氣體靶時(shí)，想要同時(shí)得到高的電子能量和大的電子電量通常是相互矛盾的。例如，低密度的等離子體可以提供比較長(zhǎng)的加速距離因而得到較高的電子能量，但是同樣因?yàn)槠涞兔芏龋鴮?dǎo)致了注入的電子較少，加速得到的電子束的電量較低。為了增加 betatron X射線的強(qiáng)度，我們可以嘗試通過運(yùn)用非對(duì)稱傾斜波來(lái)提高注入電子的波蕩振幅[12]，但這種方法往往會(huì)影響激光尾波場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，降低最終的電子能量。因此，提高激光尾場(chǎng)中betatron振蕩的強(qiáng)度，由此來(lái)增強(qiáng)x射線強(qiáng)度的方法已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。各國(guó)的科研人員也在近幾年在此領(lǐng)域做了大量的理論模擬與實(shí)驗(yàn)研究。

2002年， Pukhov和Meyer-ter-Vehn[13]利用粒子模擬方法，提出激光尾場(chǎng)電子加速機(jī)制——空泡機(jī)制，并使用12J、33fs的激光脈沖與密度為1019cm-3的等離子體相互作用，在該機(jī)制下產(chǎn)生了電子束為3×1010、能量為300MeV的電子束。

圖2 激光尾場(chǎng)電子加速空泡機(jī)制示意圖[13]

2004年，Kiselev 和 Pukhov[14]首次提出在激光尾場(chǎng)電子加速空泡機(jī)制中產(chǎn)生X射線的理論，并通過外部注入28.5Gev電子束到空泡內(nèi)經(jīng)過振蕩的方法得到γ射線輻射。幾乎同一時(shí)間， Rousse和Phuoc[15]提出了激光尾場(chǎng)電子加速后生成高能電子束通過離子通道輻射出KeV的X射線，如圖3所示。

圖3 高能電子束通過離子通道產(chǎn)生X射線的原理圖[15]

2008年，Karoly和 Shen[16]通過模擬方法解釋激光尾場(chǎng)電子加速空泡機(jī)制中的Betateon振蕩原理，利用粒子模擬方法得到加速電子betatron振蕩的軌跡，如圖4所示。

圖4 運(yùn)用離子模擬軟件得到的空泡內(nèi)加速電子betatron振蕩的軌跡[16]

此后，激光尾場(chǎng)空泡機(jī)制中betatron振蕩產(chǎn)生X射線的研究一直以理論模擬研究為主。2009年， Wu和Xie[17]通過理論模擬的方法對(duì)激光尾場(chǎng)空泡機(jī)制中電子加速軌跡和betatron振蕩進(jìn)行研究，得出增加空泡側(cè)面邊緣電子數(shù)的方法可進(jìn)一步增加加速電子數(shù)量的結(jié)論。2011年，Joana和Samuel[18]通過模擬的方法驗(yàn)證利用激光尾場(chǎng)電子加速空泡機(jī)制的betatron振蕩可以成為產(chǎn)生低散射、高亮度X射線的實(shí)驗(yàn)手段。之后，人們也對(duì)激光尾場(chǎng)betatron X射線的相關(guān)物理參數(shù)進(jìn)行了模擬計(jì)算與估算。2012年， Schnell[19]利用激光尾場(chǎng)betatron振蕩產(chǎn)生的X射線對(duì)尾場(chǎng)加速產(chǎn)生的電子束的半徑進(jìn)行了測(cè)量和估算。2013年，楊祖華[20]對(duì)空泡機(jī)制betatron振蕩產(chǎn)生的X射線輻射進(jìn)行數(shù)值模擬，估算了輻射譜的臨界能量與發(fā)散角。

隨著超短超強(qiáng)激光脈沖技術(shù)的飛速發(fā)展，激光脈沖寬度為飛秒量級(jí)，脈沖能量在焦耳至數(shù)十焦耳之間，因此激光的脈沖功率可以達(dá)到數(shù)十太瓦甚至拍瓦量級(jí)，其聚焦之后的功率密度可以高達(dá)1018-1023W/cm2。因此，激光尾場(chǎng)betatron振蕩產(chǎn)生X射線的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究也得到了極大進(jìn)展。2010年，倫敦理工學(xué)院 Kneip[21]的研究團(tuán)隊(duì)利用激光尾場(chǎng)電子加速betatron振蕩原理產(chǎn)生了臺(tái)面源的高亮度空間相干X射線源，其亮度是之前等離子體扭擺器產(chǎn)生的X射線的1000倍。2011年，該團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用激光尾場(chǎng)加速電子加速中betatron振蕩產(chǎn)生的X射線對(duì)生物標(biāo)本進(jìn)行相襯成像[22]。2013年，陳黎明教授的團(tuán)隊(duì)[23]根據(jù)激光尾場(chǎng)betatron振蕩原理，利用僅僅3TW的飛秒激光與氣體Ar團(tuán)簇相互作用，成功獲得超強(qiáng)的betatron輻射，其中單發(fā)激光獲得能量2.4keV以上的X射線光子數(shù)大于2×108/發(fā)，空間發(fā)散角～10mrad。這個(gè)結(jié)果將目前報(bào)道最好的betatron輻射的轉(zhuǎn)換效率提高了約40倍。

3 結(jié)語(yǔ)

通過超短超強(qiáng)脈沖激光與靶物質(zhì)相互作用，以提高電子的波蕩振幅，從而增強(qiáng)高亮度X射線已成為研究的熱點(diǎn)，通過在對(duì)空泡機(jī)制betatron振蕩產(chǎn)生X射線的原理進(jìn)行理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)粒子模擬以尋求增加betatron X射線強(qiáng)度的方法是未來(lái)尋求增強(qiáng)激光尾場(chǎng)中betatron振蕩產(chǎn)生X射線強(qiáng)度的新方法的重要手段。

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(責(zé)任編校：晴川)

Research Progress in X-ray Generated by Betatron Oscillation in Laser Wakefield

TONG Shuai, YANG Zhi, SHU Xiaofang, LIU Shibing

(Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Enhancing the intensity of X-ray generated by betaron oscillation in the laser wakefield has been a hotpot of current researches. Based on the analysis of present research condition of generating X-ray in the laser wakefield electron acceleration (LWFA), this essay explores an approach for enhancing the intensity of betaron X-ray in the laser wakefield, and introduces related research process.

laser wakefieled; bubble; betatron X-ray; research progress

2015-05-27

佟帥(1987-)，男，北京人，北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院碩士生.研究方向：激光尾場(chǎng)電子加速.

O539

A

1008-4681(2015)05-0011-03