高能激光驱动的X射线成像与X射线衍射实验技术探索

Ultrafast dynamic diagnosis in Compression Science has great significence in field of material science and national defense. It puts forward strict requirements for the X-ray radiation source diagnostic system as high photon energy, high resolution, single shot diagnosis and so on. The synchrotron radiation light source is difficult to fully meet all these requirements. Laser driver wakefield accelerator have extremely high accelerating gradient (GV/cm) and micrometer size "plasma undulator", which can produce micro-source size, highly collimated, femtosecond time-resolving high-energy (> 100 kev) table-top Betatron radiation light source, which can meet the application requirements of the dynamic diagnosis. However, at present, laser-driven radiation source based on self-injection electron acceleration possess disadvantages of low stability, low yield and low X-ray photon energy. We plan to use the 100 TW ultra-short pulse driven "ionization injection" electron acceleration mechanisms to strengthen the Betatron radiation. It can shorten the time of the electron injection, and the accelerated electrons can be experice phase rotation point as soon as possible and involve in resonance with laser E-field, to produce large amounts of high-energy radiation Betatron. We also plan to construct time-resolving ultrafast dynamic detection system, and carry on the X-ray imaging/diffraction study of the sample.

压缩科学中的超快动力学诊断在材料、国防等领域具有重大的创新意义，其对X射线辐射源诊断系统提出了高能、高分辨、单发诊断等严格的要求，但目前同步辐射等光源还难以全面地满足这些需求。本申请计划利用激光驱动尾波加速极高的加速梯度（GV/cm）和微米量级的“等离子体波荡器”，产生微米源尺寸、高度准直、飞秒时间分辨的高能（>100keV）台面Betatron辐射光源，可满足上述动力学诊断的应用需求。然而目前基于“自注入”激光电子加速驱动的betatron辐射源的参数稳定性差、单发产额低、高能X射线产生困难。我们计划利用百TW超短脉冲的“电离注入”加速机制来增强Betatron辐射。由于这种方式可缩短电子注入的时间，被加速的电子可以尽快进入失相共振从而产生大量高能的Betatron辐射。并计划在此基础上建立时间分辨超快诊断装置，开展晶体样品的成像、衍射等动力学诊断。

超短超强激光驱动的等离子体尾波加速，可以产生准直、飞秒时间分辨、高能、高亮度的台面化Betatron X射线源，为材料科学、能源、国防等领域的物质瞬态结构和超快动力学过程的创新研究提供了前所未有的实验手段。Betatron辐射源的品质取决于被加速电子的参数，其中最重要的参数是电子的能量、电荷量、波荡幅度和振荡频率。基于“自注入”的电子加速来产生的Betatron辐射，稳定性差、能量较低，限制了其应用。针对于此，本项目的主要研究内容是利用相对论高对比度飞秒激光，通过调节相互作用条件，高效激发电离注入、加速和共振过程，产生高能、大电荷量的电子束；通过电子与激光脉冲高效的共振，获得大的波荡振幅和振荡频次，极大地提高Betatron辐射的光子能量、产额、亮度和稳定性。在此基础上开展对样品的成像等应用研究。..本项目研究团队对基于离化注入的电子加速和Betatron辐射源进行了详细的研究，同时对比了其他注入机制和加速方式产生的电子束和betatron辐射。在增加电子束电荷量，改善Betatron辐射源的稳定性，提高辐射光子的能量、产额等方面取得了较大突破。利用X射线源对岩石等样品进行了成像。主要成果有：..电子加速方面：通过离化注入获得了稳定性、发散角非常稳定的准单能电子束，并解释其产生机制。利用“波荡注入”注入，在实验上获得了电流强度20kA的高能电子束。首次利用固体靶实现准单能电子加速，电荷量达创纪录的100nC量级，高于其他方式量级以上。..Betatron辐射方面：首次利用电离注入稳定地实现高效率Betatron振荡，提升了硬X射线辐射的效率；利用双二束脉冲方案获得了定向的γ光源；完成了项目中betaron辐射品质提升的主要内容。利用 “波荡注入”机制获得了临界能量1.2MeV的高亮γ射线源。..X射线辐射源应用方面：利用X射线源对岩石样品等进行了高分辨成像，建立了亚皮秒量级同步、延时精度的激光泵浦-X射线探测系统。