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美国和捷克科学家正在研究用高功率激光产生伽马射线

时间：2022-07-08 16:16:10 来源： OFweek激光网

近期，美国国家科学基金会(NSF)和捷克科学基金会(GACR)宣布，他们资助了一个由美国加州大学圣地亚哥分校和捷克ELI Beamlines的科学家组成的新合作项目。该团队的目标是利用ELI Beamlines的拍瓦级（multi-petawatt）激光设备的能力，在地球实验室环境中实现密集伽马射线光束的高效产生。

在上述合作项目中，研究人员们将美国加州大学圣地亚哥分校的理论专业知识，ELI beam的实验专业知识，以及美国通用原子公司的目标制造和工程专业知识结合在一起，从而带来了一次开创性的研究。

安装在ELI Beamlines的P3等离子体物理平台，图片来源：ELI Beamlines

据悉，项目的概念是由Arefiev在加州大学圣地亚哥分校的研究小组提出的，该研究小组专门研究光与物质的强相互作用下的超级计算机模拟。据悉，它的方法利用了“相对论透明性”（relativistic transparency）效应，当等离子体中的电子被高能激光加速到接近光速时这种效应就会发生，从而在激光照射下先前不透明的稠密等离子体会变得透明。于是，当激光通过等离子体传播时，就会产生极强的磁场。在这个过程中，相对论性电子在磁场中不断振荡，反过来引导了伽玛射线的发射输出，其发射主要是朝着激光传播的同一方向。

美国和捷克科学家正在研究用高功率激光产生伽马射线

图：由高强度激光束(红色和蓝色)照射的稠密等离子体(绿色)的高能伽玛射线发射(黄色箭头)的超级计算机模拟。激光从左向右传播，发射的光子朝同一个方向飞行。平滑的蓝色和红色区域代表等离子体产生的强磁场，而振荡区域对应激光磁场。（图片来源：ELI Beamlines）

经过这样一番操作，研究人员们就能够利用激光产生以往只存在于极端天体(如中子星)中的磁场，而“磁场”中充满了由光子碰撞产生的电子和正电子。

而让这一实验走向成功的一大关键，则是研究中采用的极端光基础设施(“ELI ERIC”)。“ELI ERIC”是首个致力于高功率和高强度激光器应用的国际多站点激光研究基础设施，它主要是基于ELI Beamlines(捷克)和ELI ALPS(匈牙利)的专业和互补设备，能够提供充分的测试条件，证明在实验室中高功率激光器可以产生伽马射线这一理论。

据介绍，ELI Beamlines的P3(Plasma Physics Platform)激光器装置达到了非常高的对靶强度（on-target intensity），成为了实验成功的一大关键。此外，这一激光器装置能够每秒进行多次光束发射输出。

设备性能方面，为了满足高重复频率的要求，这些激光器中有三种采用了二极管泵浦固态激光器(DPSSL)用于泵浦宽带放大器的新兴技术。第四种是千焦激光器，它将使用先进的闪光灯技术和主动冷却增益介质。在L1和L2系统中，短脉冲的放大是基于OPCPA(光参量啁啾脉冲放大)，L3 HAPLS系统使用掺钛蓝宝石放大器，L4系统则利用OPCPA前置放大器提供多焦耳源脉冲，在掺钕玻璃中进一步放大到千焦（kJ）水平。这些激光系统提供了在kHz重复频率下具有高对比度的TW级超短激光脉冲，重复频率为10Hz的PW激光脉冲和10PW功率的千焦纳秒激光脉冲。

难得的是，这些实验将首次提供使用高能激光器产生伽玛射线的统计相关研究。研究人员希望这项工作将为二次高能光子源开辟道路，不仅可以用于基础物理研究，还可以用于一系列重要的工业应用——如材料科学、核废料成像、核燃料分析等。此外，这一突破还能实现对激光-目标相互作用的统计研究。

据悉，这个大约100万美元的项目由美国国家科学基金会(NSF)和GACR共同资助，由加州大学圣地亚哥分校的Alexey Arefiev教授领导。据悉，复配部署的目标开发将由Mario Manuel博士领导的通用原子公司进行，而初级实验将由Florian Condamine博士和Stefan Weber博士领导的团队在ELI Beamlines实验室进行。

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