基于类betatron振荡的高亮飞秒伽马射线源研究

Betatron resonance based bright femtosecond gamma ray emission is one of the most extensively discussed topics in the field of laser-plasma community. Taking account of the radiation damping effect and the polarization of the radiation in the particle-in-cell simulation code, we first study the interaction of an intense laser pulse with plasma targets, and analyse the betatronlike oscillation of electrons during the laser micro-target interaction. By creating a reasonable model,we discuss the conditions for the resonance and reveal the underlying mechanism of the gamma ray emission. Then, we study the electron bubble acceleration driven by a circularly polarized laser pulse and analyse the betatronlike oscillation of electrons in the bubble to obtain the features of the radiation. By optimizing the laser and plasma parameters, we acheive femtosecond tunable gamma ray emission. The research may provide a reference for future experiments with possible schemes and models.

基于betatron振荡的高亮飞秒伽马射线源研究是激光等离子体领域的前沿研究热点。本项目首先针对相对论激光条件下的激光等离子体相互作用动力学问题展开理论分析和大规模数值模拟研究，在考虑辐射阻尼效应和辐射的极化特性的基础上，分析激光固体微型靶相互作用中的类betatron振荡现象，探索产生类batatron共振的物理条件并建立合理有效的物理模型，揭示电子共振的内在机理，阐明高亮飞秒伽马射线的激励机制。开展圆极化激光驱动电子空泡加速的理论和模拟研究，获得电子类betatron振荡的动力学特征和辐射特性参数，通过优化激光和等离子体参数实现可调谐飞秒伽马射线源的产生，为将来开展相关辐射源实验提供技术方案和理论参考。

基于激光等离子体的高亮度飞秒伽玛射线源是当前等离子体领域的研究热点。在该项目的资助下，我们针对相对论激光条件下的激光等离子体相互作用动力学开展了理论分析和大规模数值模拟研究，主要包括：（1）在粒子模拟程序中考虑了辐射阻尼、光子的极化特性以及极高强度激光条件下的量子辐射，实现了程序的并行化并用于后续研究；（2）提出了通过拉盖尔高斯激光与导线靶以及雨滴靶作用产生准单能、高准直、大电荷量和高轨道角动量的阿秒电子脉冲串的新方案，通过非线性Compton散射实现了阿秒伽玛脉冲束的产生；（3）开展了圆极化激光驱动电子空泡加速研究，获得了电子类betatron辐射的特性参数，并通过激光和靶参数的优化，实现了可调谐伽玛射线源。经过四年研究，我们完成了预期研究任务，达到了研究目标。.截止2018年底，项目实际发表SCI论文23篇，EI论文2篇。有一篇论文以课题组为第一作者单位发表在《自然∙通讯》，并被遴选为等离子体领域的亮点论文。该论文目前被引达44次，进入ESI前10%。以该成果为代表的正电子研究成功入选2015-2017年度中国辐射物理领域“十大科技创新进展”。.依托该项目，余同普成功获批2016年度国家自然科学基金优秀青年基金，并相继获湖南省“杰出青年基金” （2017）、“湖湘青年英才”计划（2017）和霍英东青年基金（2018）等。该项目的成果为后续开展强场量子电动力学研究打下了坚实基础，在项目系列研究成果的基础上，余同普结合ELI-NP和SULF等大科学装置提出了强场QED研究的新思路，顺利获批2018年度国家自然科学基金面上项目和校预研重点项目各一项。在上海交通大学牵头下，课题组还顺利获批国家重点研发计划子课题一项。此外，依托该项目培养毕业了多名研究生，其中博士3名，硕士6名；邹德滨的博士学位论文获全军优秀博士毕业论文，王伟权和胡理想的硕士毕业论文获得湖南省优秀硕士毕业论文，朱兴龙毕业论文获全军优秀硕士毕业论文。