ELI-NP的现状和亮点

发布时间: 2020-04-20 10:11:49   作者:本站编辑   来源: Matter Radiat. Extremes   浏览次数:

 2011-2012年,随着欧盟委员会批准将价值约8.5亿欧元的结构基金用于建设极端光设施(ELI),使得一个能超越目前最先进的超短超强激光器技术的新时代可能就此出现。ELI项目包括在捷克共和国,匈牙利和罗马尼亚建造的三大分支。这个具有挑战性的提议是基于最近的技术进步,使得超强激光场中的强度将很快达到高达1023W·cm-2。这一巨大的技术进步是由MourouStrickland发明的啁啾脉冲放大技术带来的。罗马尼亚正在布加勒斯特附近的马古雷主办用于核物理的ELIELI-NP)分支。目前在建的新装置旨在为广大国家,欧洲,和国际科学界提供服务。它的任务覆盖两个领域的前沿科学研究。第一种是与核物理,强场量子电动力学和相关真空效应相关的激光驱动实验。第二个研究领域是基于康普顿散射的高亮度高强度γ射线,且Eγ≤19.5MeV,这代表了激光和加速器技术的结合。这个系统可进行选定同位素的核结构和相关核反应的研究,例如,以前所未有的分辨率和精确度研究天体物理学。除了基本的主题外,大量具有重大社会影响的应用也会被开发出来。该项目于20131月开始实施,由ELI-NP /Horia Hulubei国家物理与核工程研究所(IFIN-HH)牵头。实验将于2020年初开始。

1.简介

现代高功率激光系统的时代由StricklandMourou1986年开发了啁啾脉冲放大这一突破性的技术而开启。他们因此获得了2018年诺贝尔物理学奖。在极端光设施核物理分支(ELI-NP)实验室,目前正部署可以提供最高聚焦激光强度的装置,其特征是脉宽数十飞秒的拍瓦光脉冲。利用这些最高的人造强度,将产生粒子和γ光子,其特征具有目前无法达到的质量参数,比如与感应辐射的能量和时间分布相关的相干性,亮度和光谱特征。如此强度的光束与核物理相关,允许我们探索新的领域,从而扩展基于传统加速器技术的研究。ELI-NP的目标是为全球科学界提供高功率激光系统(HPLS)的旗舰。HPLS将由两个独立的激光臂段组成,每个可提供10 PW (1016 W)的最大功率。

2.ELI-NP装置2018/19年现状

A. ELI-NPHPLSVEGA系统概述

HPLS的设计目标是为了给2010年出版的ELI白皮书中提出的科学案列提供服务,从而推进全世界高强度激光等离子体研究的边界。为了进行这样的研究,HPLS的光束将在真空中传输至专用实验靶区内的大型定制实验腔中。目前总共有9个靶区完成建造,并被命名为E1E9。激光系统由THALES集团安装,其是位于巴黎和罗马尼亚的世界领先的激光器技术供应者。HPLS的最终测试将从201912月开始。HPLS由三条独立的高功率光路组成,其额定峰值功率分别为100TW1PW10PW。三条光路都采用双臂结构,并由中央激光源供光。为了达到这一高功率,采用了光参量啁啾脉冲放大(OPCPA)前端,其依赖于最先进的TiSa晶体和专用的脉冲压缩器。由两个独立的激光臂产生的两个最强激光脉冲的相干叠加将产生大于20PW的功率。ELI-NP内整个实验区布局如图1所示。

1. ELI-NPHPLSVEGA系统及相关目标区域的示意图概述。两个激光臂用红色表示。靶区E1E4E5E6E7显示出当前正在建造的靶室的3D CAD设计。与VEGA系统相关的目标区域E3E8E9的位置在图中也有指出。E9区域位于新安装的附件中,该附件位于主建筑左侧蓝色标注的位置。E2靶区将在未来用于与VEGA系统相关的实验

B. ELI-NP的靶区

1 位于ELI-NP的三路HPLS光路的运行参数

ELI-NPHPLS的核心参数,在所有三个光路间是共享的,如表II所示,且HPLS系统通过它们的额定功率PHPLS进行区分。表III给出了与HPLS相关的五个目标领域的完整概述,并包含了对科学动机以及相关探测器系统选择的简要总结。此外还给出了激光核心参数,如聚焦镜的f数,90%焦斑强度的直径df90,相关瑞利长度ZR,以及无量纲激光参数a0的最大可达到值。如E5,即将安装短焦距和长焦距透镜,其fsfl可在表III中查到。

2 ELI-NP的三种HPLS

2ELI-NP三种HPLS的总结,包括相关的靶站区域、物理动机总结、探测设备的选择,以及特定的激光参数。所列的探测器设备将在第三节的表V(有源探测器)VI(无源探测器)中明确说明。

3.ELI-NPHPLS的首次实验

高功率激光器系统是加速器技术新时代的黎明,目前的工作集中在开拓加速器新的领域,在前所未有的峰值功率下有效地将激光能量传输至粒子或γ/X射线束中。随着技术进步,可达到的最大峰值功率I0变得越来越高,关于核现象,粒子和γ射线源产生,量子电动力学(QED),以及具有社会影响的潜在应用等科学研究的新方法正在开发中。在ELI-NP,两个实验区E1E6完全用于这一研究,两者都能使用功率高达10PW的激光光束。在其完成安装之前,与上述研究相关的初步测试将在E51 PW光路上进行。

4.VEGA上首次实验的亮点

ELI-NP将建造一路γ射线系统,称为VEGA,可提供19.5MeV能量的γ射线,并具有>95%的高线偏振。准单色性γ射线的产生是基于康普顿散射的逆过程,其中激光脉冲在相对论电子束上散射。位于ELI-NPVEGA系统将成为最先进的γ射线传输装置之一,其光子谱密度和带宽比当前技术可允许的要好几个数量级。

 

2. 额定峰值强度范围I0作为安装在E1E4E5E6E7靶区的聚焦镜f数的函数,这些区域与ELI-NPHPLS光束有关。实线描述了理想情况下的衍射极限,其中I0为其最大值

3 ELIADE阵列的3D CAD视图,其中HPGe探测器显示为灰色。支撑框架显示为蓝色。框架内的空隙可加装用于指定实验的LaBr3Ce)探测器。导入光的管道显示为粉色

5.基于激光的产物和伽马光子束的表征

ELI-NP将为未来探索高能量高强度γ辐照诱发物理打开新的实验途径。借助位于ELI-NPHPLS,有两种方法可用于产生迄今为止实验强度最高的高能γ射线。首先,我们能利用已经安装并演示完毕的LINAC提供的相对论电子束推动初始激光脉冲的康普顿散射逆过程。位于ELI-NPVEGA系统可依靠这一机制产生谱密度数量级达104s-1eV-1γ射线,最大能量Eγ可达19.5MeV。另一种方法是使用轫致辐射过程,该过程是由强烈的相对论性电子束撞击作为辐射体的高Z原子核而产生的。一套LINAC可以为这一过程提供电子束,或者使用一种可推动LWFA过程的基于等离子体的加速器。例如,在ELI-NPE7区进行的同分异构体产生及光激发实验(PPex)使用了由LWFA产生的电子来通过韧致辐射产生γ射线。能量在GDR区间(15 - 30兆电子伏)的γ射线可用于研究在各种医学应用以及天体物理现象中的核相互作用。

6.结论

我们已经开始了用于核物理的极限光设施(ELI-NP)的部署,激光系统的第一次实验将在2020年初进行。ELI-NP的装置的独特性和原创性在于其具有超高强度的高功率激光系统,以及高亮度的γ射线系统,可为全世界的核物理学家提供服务。综上所述,系统的主要特点如下:

1.高功率激光系统(HPLS)由两束10PW光路组成,每单臂传输的激光能量ELP=150-225J,激光脉冲宽度τLP=15-22.5fs,波长范围λ0=814-825nm。这使最大焦斑强度I0可达1023Wcm-2激光系统也可以提供100太瓦和1帕瓦的较低功率。ELI-NPHPLS的灵活性得到了五个不同实验靶区的进一步支持,每个区域都有其定制的靶室。大于10 PW的激光功率已经在2019年春季进行了演示。

2. ELI-NP的可变能量伽马射线(VEGA)系统可以输出最高达19.5MeV的单色γ射线,该射线可经提取并定向导入实验靶区,这些靶区配备了12种不同的探测系统,具有不同的功能和尺寸。其基本的性能参数为光子密度约104s-1eV-1,且具有大于95%的高线偏振度。

3. 气体、固体和等离子体中的各种极端状态将利用上述光束来产生,并以此来研究核物理和等离子体物理学的新领域。该系统的灵活性允许将上述光束进行任意组合来设计独特的原始实验,如非线性量子电动力学(QED),真空双折射,相对论诱导透明(RIT),核共振荧光(NRF),光激活,光核反应和光裂变等。

ELI-NP是一个国际性用户装置,其主要任务是允许用户进入学术和工业用户群。使用HPLSVEGA系统进行的实验有望诞生创新且独特的新实验。ELI-NP小组目前由300多名科学家和技术支撑人员组成,他们将为外部用户进行相关流程的指导。部分技术设计报告(TDR)将在调试实验中得到反映,这是由ELI-NP的国际科学咨询委员会(ISAB)批准的。总而言之,从2020年开始,ELI-NP有望带来新的发现并导致研究中新学科的出现,如核光子学和创新应用,这可能会产生巨大的社会影响。

编译自:Current status and highlights of the ELI-NP. research program. K. A. Tanaka1,a),  K. M. Spohr1,  D. L. Balabanski, et al. Matter Radiat. Extremes 5, 024402(2020)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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