Conceito de fonte compacta de raios γ brilhantes. (A) Esquema do esquema de dois estágios. No primeiro estágio de aceleração, uma esteira de plasma é conduzida por um pulso de laser multi-PW propagando-se em um canal de plasma pouco denso, onde injeção e aceleração de elétrons eficientes resultam em um multi-GeV, baixa emissividade, alta carga, e feixe de elétrons de alta densidade. O pulso de laser então entra em uma região de plasma de alta densidade que atua como um radiador, onde raios γ brilhantes colimados são produzidos pelos elétrons densos de alta energia nos campos eletrostáticos aprimorados da bolha no plasma mais denso. (B) Vista tridimensional (3D) da radiação de raios γ em campo de plasma acionado por laser usando uma simulação 3D de partículas na célula (PIC). Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240
Os aceleradores de wakefield a laser levaram ao desenvolvimento de sistemas compactos, fontes ultracurtas de raios-X ou raios gama para fornecer brilho de pico, semelhantes às fontes síncrotron convencionais. Contudo, tais fontes são retidas por baixas eficiências e limitadas a 10 7-8 fótons por tiro na faixa de volt de quiloelétron (KeV) a volt de megaelétron (MeV). Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência, Xing-Long Zhu e uma equipe de pesquisa em física e astronomia na China e no Reino Unido, apresentou uma nova abordagem para produzir colimados de forma eficiente, feixes ultrabright de raios gama (γ). As energias de fótons resultantes eram ajustáveis para até gigaelétrons volts, focalizando um pulso de laser multipetawatt em um acelerador de wakefield de 2 estágios. O laser de alta intensidade permitiu que eles gerassem com eficiência um feixe de elétrons volt multigigaelétron com alta densidade e carga durante o primeiro estágio do experimento. O laser e os feixes de elétrons entraram em uma região de plasma de alta densidade no segundo estágio posterior. Usando simulações numéricas, eles demonstraram a produção de mais de 10 12 fótons de raios gama por tiro com eficiência de conversão de energia acima de 10 por cento para fótons acima de 1 megaelétron volt (MeV) e alcançou um pico de brilho acima de 10 26 fótons S -1 milímetros -2 mrad -2 por 0,1 por cento de largura de banda a 1 MeV. O resultado desta pesquisa oferecerá novos caminhos em física e engenharia fundamental e aplicada.
Fontes brilhantes de raios gama de alta energia são versáteis para amplas áreas de aplicações, incluindo pesquisa fundamental em astrofísica, partícula e física nuclear, bem como imagens de alta resolução. Os pesquisadores podem melhorar essas aplicações com fontes compactas de raios gama com baixa divergência, curta duração do pulso, energia alta, e alto brilho de pico. Embora os síncrotrons amplamente usados e os lasers de elétrons livres de raios-X (XFELS) possam fornecer pulsos de raios-X com brilho de pico, eles são limitados a baixas energias de fótons. O tamanho e o custo dessas estruturas de pesquisa também podem limitar suas aplicações regulares. Os pesquisadores, portanto, desenvolveram rapidamente aceleradores compactos de laser-wakefield (LWFAs) nas últimas duas décadas para oferecer uma abordagem radicalmente diferente para conduzir a aceleração e radiação de partículas de alta energia em uma escala muito menor. Avanços contínuos no campo da tecnologia de laser de ultra-alta potência permitirão fontes de gama de alta energia brilhantes. Embora os cientistas tenham feito esforços consideráveis para desenvolver fontes avançadas de fótons, um método alternativo não existe atualmente para atingir o brilho de pico de fontes de raios gama em comparação com o nível de XFEL.
Esquema Físico
Nesse trabalho, Zhu et al. introduziu uma estratégia eficiente para produzir raios gama de brilho extremamente alto com energias de fótons de até GeV. Eles desenvolveram a configuração em um LWFA (acelerador laser wakefield) de dois estágios, impulsionado por um único pulso de laser multi-PW. Durante a primeira fase, eles usaram um plasma de densidade moderadamente baixa para produzir um feixe de elétrons multi-GeV com uma alta eficiência energética de aproximadamente 40%. Durante a segunda fase, eles usaram um plasma de densidade relativamente alta para produzir radiação de raios gama na faixa de MeV a GeV com uma eficiência de mais de 10 por cento. O número do fóton resultante, eficiência energética, o brilho e a potência de pico foram várias ordens de magnitude maiores do que quaisquer fontes baseadas em LWFA existentes, pavimentando o caminho para facilitar os raios gama de alto brilho em diversos campos da ciência e da tecnologia com energia de fótons na faixa de MeV a GeV.
Efeito das dimensões transversais da janela de simulação na geração de raios γ. (UMA, B) Instantâneos de distribuições da densidade de elétrons (
Para superar os limites existentes, Zhu et al. propôs um esquema de dois estágios que combinava as vantagens da aceleração eficiente de elétrons em um LWFA de baixa densidade e a emissão eficiente de fótons de elétrons energéticos em um LWFA de densidade relativamente alta. Os cientistas usaram um canal de plasma para guiar o laser de alta potência. Durante a primeira fase, Zhu et al. auto-injetou os elétrons do plasma, que acelerou na bolha de plasma, animado pelo pulso de laser multi-PW que se propagou em um plasma pouco denso. A divergência baixa resultante e o feixe de elétrons multi-GeV alcançaram uma alta densidade de feixe próxima à densidade crítica de plasma (10 21 cm -3 ) e uma eficiência de conversão de energia de laser em elétrons de até 40 por cento. Durante o segundo estado, o pulso de laser propagou-se para o plasma de densidade relativamente alta e resultou em uma bolha de plasma encolhida conforme a densidade aumentava. O resultado, grandes campos eletromagnéticos quase estáticos ao redor do feixe de elétrons emitiram um feixe colimado de raios gama com energias de fótons no nível GeV.
A configuração do acelerador-radiador de plasma a laser e os resultados da simulação 3D PIC. (A) Perfil de densidade no eixo do plasma de fundo. (B e D) Instantâneos de distribuições da densidade de elétrons (ne) e campo de laser (Ey) são mostrados no tempo ct =1000 μm e ct =1700 μm, respectivamente, nas fases de aceleração e radiação, onde ξ =x - ct. Instantâneos correspondentes de distribuições de densidade de fótons (nγ) e campo de aceleração (Ex) são apresentados em (C) e (E), respectivamente. Os espectros de energia dos elétrons (F) e raios γ (H) em determinados momentos. Em (H), o detalhe mostra a evolução temporal da energia máxima dos elétrons e raios γ. (G) Espectro angular e distribuição angular de raios γ. (I) Brilho de pico de raios γ (fótons s − 1 mm − 2 mrad − 2 por 0,1% de peso corporal) como uma função da energia do fóton emitido. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240 
Uma vez que os campos eletromagnéticos quase estáticos eram altos o suficiente, tanto a reação de radiação quanto os efeitos quânticos no sistema desempenharam um papel importante durante a emissão de fótons. Os resultados indicaram uma eficiência de radiação sem precedentes para raios gama com eficiência de fótons acima de 1 MeV. O número do fóton, eficiência, o brilho de pico e a potência dos raios gama emitidos eram várias ordens de magnitudes maiores do que a radiação de betatron LWFA existente e fontes de retroespalhamento Compton (isto é, espalhamento de um fóton por um elétron). Para obter pulsos de raios gama de alta energia colimados, a carga e a energia do feixe de elétrons acelerado e dos campos eletromagnéticos quase estáticos tinham que ser altas o suficiente. Zhu et al. adaptou a densidade do plasma com densidade moderadamente baixa para aceleração eficiente e com densidade relativamente alta para radiação eficiente para formar uma alta densidade, carga alta, e feixe de elétrons multi-GeV.
Radiação de fótons de alta energia em campos eletromagnéticos quase estáticos intensos. (A e B) Distribuições da densidade de elétrons (ne) e campo magnético autogerado (BS) em ct =1500 μm e ct =1600 μm, respectivamente. (C e D) Densidade de fótons de raios γ (nγ) e campo eletromagnético transversal (F⊥) correspondentes. (E e F) Parâmetro de radiação correspondente (χe) nas duas posições mencionadas acima. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240
O brilho máximo de pico de raios gama atingiu o nível XFEL (lasers de elétrons livres de raios-X) para torná-los promissores, fonte de radiação de alto brilho e alta energia para pesquisas fundamentais e aplicações práticas. Os cientistas ajustaram os parâmetros do plasma para alterar a energia máxima, brilho máximo, e potência de radiação do raio gama emitido para ilustrar o efeito da densidade do plasma na emissão de raios gama. A equipe mostrou emissão de raios gama de plasma significativamente melhorada com densidade de plasma aumentada para facilitar uma quantidade substancial de transferência de energia de elétrons para fótons de alta energia. Zhu et al. otimizou ainda mais o sistema experimental para evitar a saturação do poder da radiação e da energia do fóton.
Os cientistas então demonstraram a robustez do esquema experimental de radiação de raios gama com uma série de simulações para intensidades de laser variadas. Os resultados mostraram que as emissões de raios gama se tornaram mais eficientes, com o aumento da intensidade do laser. Quando eles reduziram a intensidade do laser, a brilhante radiação gama ainda era relativamente eficiente. O esquema pode ser amplamente utilizado em laboratórios em um futuro próximo para abrir caminho para uma nova geração de alta eficiência, fontes de raios gama GeV ultrabrilhantes.
Efeito dos parâmetros do plasma na emissão de raios γ. (A) Efeito do comprimento do radiador (Lb) no brilho do pico a 1 MeV, energia de corte, e poder de radiação dos raios γ. A inserção mostra a energia máxima e a eficiência total de elétrons em aceleração acima de 1 GeV. (B) Efeito da densidade do plasma (n0) na região do radiador sobre o brilho do pico de raios γ, energia de corte, e potência de radiação. A inserção mostra a eficiência de conversão de energia de elétrons presos (≥1 GeV) e raios γ (≥1 MeV) do laser drive. A energia de corte dos raios γ é definida em 10−5 do brilho de pico em 1 MeV. Crédito:Science Advances, doi:10.1126 / sciadv.aaz7240.
Desta maneira, Xing-Long Zhu e seus colegas abordaram os limites existentes das fontes de radiação de raios-X e gama e propuseram um novo e robusto esquema. O novo método alcançou várias ordens de aumento de magnitude no número de fótons, eficiência de radiação, brilho e poder dos raios gama emitidos. Para conseguir isso, eles usaram LWFA (aceleradores laser-wakefield) totalmente ópticos de dois estágios acionados por pulsos multi-PW. O trabalho facilitado compacto, fontes ultracurtas de raios gama com alto brilho sem precedentes no regime GeV. O trabalho oferecerá recursos exclusivos para uma variedade de novas aplicações em reações fotonucleares, interações luz-matéria, e como aceleradores de raios gama.
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