基于尾场加速的逆康普顿散射伽马光源研究

The method generating gamma ray by the inverse Compton scattering based on the laser wakefield acceleration (LWFA) and plasma mirror are receiving more and more attention. However, the reflected laser has low intensity and large spot size, which brings three shortcomings. First, the photon density of laser is small which leads to low luminance of gamma ray. Then, the Compton scattering is in the linear regime due to the lower laser intensity to produce low-energy gamma photons. Last, only a small part of photons located in the laser center contribute to collision and the coefficient of laser utilization is small. The project desires to find a new way of enlarging laser intensity and lessening laser spot size. The enlargement of laser intensity leads to larger photon density of reflected laser, which enhances the brightness of gamma ray. The Compton scattering is in the nonlinear scheme when the reflected laser intensity is increased which enlarges the energy of gamma ray. On the other hand, lessening the reflected laser spot size to match the radius of the accelerated electron beam can improve the efficiency of Compton scattering and the coefficient of laser utilization. In addition, we want to propose a new method to enhancing the reflected laser intensity to meet the requirements of the quantum electrodynamics (QED) and finally find a way of investigating the new physical effects of QED in strong field with a single laser pulse of 10PW.

基于尾场电子加速和等离子体镜反射，通过康普顿散射辐射伽马束的方法，正在被更多的关注。但，基于激光器功率和尾场加速参数限制，反射激光强度低，半径大。这带来了三个缺点：一，对撞激光光子数密度低，获得的伽马光子数密度低。二，对撞激光强度低，散射大多在线性机制下进行，辐射的伽马光子能量低。三，只有激光中心很小范围光子参与碰撞，激光利用率低。本项目欲探究增强反射激光强度，缩小半径的新方法。通过激光强度增加，增加反射激光的光子数密度，从而提高伽马辐射束的亮度。通过光强的增加，还可以使伽马光子的散射过程进入到非线性机制，增加伽马束的能量。另一方面缩小反射激光焦斑使之与加速电子束横向尺寸匹配，有利于提高散射效率和激光利用率。此外，我们还将探究将反射激光的强度提高到接近量子电动力学（QED）区域的方法，使康普顿散射进入非微扰区域，最终希望提出在单束10PW的激光条件下进行强场QED物理效应研究的新方法。

得益于激光技术的发展，激光等离子体相互作用产生的辐射光源因其高亮度，高准直性，紧凑性等优点能够很好的应用于各个领域。利用激光等离子体相互作用产生高品质辐射光源的机制主要是汤姆逊散射或康普顿散射。在这两种机制中，需要高能电子与光子对撞，辐射出高能光子。实现这种机制一般需要两束相向传播的激光，一束激光产生高能电子束，另一束与之相向传播的激光与高能电子束对撞。实验上，这需要在微米量级实现两束激光的高度对准重合。为解决这一困难，科研人员又相继提出采用一束激光来实现电子加速和对撞。具体做法为:一束激光驱动尾场加速电子，加速后通过固体靶将此激光反射，与高能电子对撞。缺点为：固体靶极大的吸收了反射激光的能量，降低了散射效率；反射激光半径远大于高能电子束半径，降低了激光利用率；受尾场加速影响，反射激光强度普遍较小，限制了辐射光源能量。项目利用凹面聚焦等离子体镜代替平面等离子体来有效解决这一问题，以基于尾场加速的康普顿散射为研究内容，全面研究了以下内容并取得了相应研究结果。（1）研究了汤姆逊、康普顿散射的电子能量、光子能量等参数效应，获得了康普顿散射过程中的正负电子对的产生阈值。（2）基于尾场加速中的一束激光和凹面聚焦等离子体镜获得了高能电子束，并实现了高能电子束与反射激光光子的有效对撞。获得了高品质的γ辐射源，提高了对撞效率和激光的利用效率。（3）基于凹面镜的强聚焦效应，将现有的实验室激光参数聚焦到1023W/cm2甚至更高的光强，产生了正负电子对，研究了辐射反作用力等强场QED物理过程。（4）调节反射靶的形态，使对撞激光形状高度匹配高能电子束形状，进一步延长作用时间，提高康普顿散射效率。