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采用超短激光尾场加速源的单枪数keV-X射线测量研究

发布时间: 2020-03-20 17:13:10   作者:本站编辑   来源: PHYSICAL REVIEW LETTERS   浏览次数:

高能量密度物质中的极端条件在实验室中极难研究。需要采用如X射线探针才能观测稠密样品的内部,而且由于现象稍纵即逝,任何测量均需在极短的时间尺度内完成。由于这些困难,许多高能量密度的属性仍然未知。理解这些性质极为重要,例如对于直接或者间接驱动聚变实验,以及理解大型天体,包括地球本身的内部结构和演化等。X射线散射技术对获取信息非常有效,但对离子温度或结构等分析则非常有限。X射线散射截面非常低,因此需要极高亮度光源,如自由电子激光。

X射线吸收测量可用于理解原子尺度的电子和离子动力学。在超快时间尺度内开展x射线吸收测量会促进基础概念的研究,从高能量密度或其它超快现象中。然而对HED实验单次测量非常重要,因为许多样品需要大驱动能量或复杂的靶设计,这使得高重频存在问题。其重要性也在于数keV的能量对高Z材料内壳层激发,或者大体积物质也可诊断。

美国国家点火装置或Omega激光装置均研发了拓展X射线吸收精细结构测量法,这些源需要数百焦耳的背光能量,持续时间超过100ps。一般而言,同步辐射装置缺少超短脉冲的持续时间,而激光等离子体方法则亮度太低并且噪声过大。X射线自由电子激光具有相应流强和脉宽,但本身是单能的。增加的带宽技术被广泛研究,然而他们缺乏平坦的宽谱,这使得测量变得困难。

1 实验示意图

一种可行的解决手段开展x射线吸收测量是采用激光尾场加速器,这是当前唯一可实现的宽带飞秒级x射线源,而且其在高能量密度领域的应用已经变为热点。然而目前为止,流强仍需多发次积累才能获得吸收谱,或者将光子能量限制在低能。

本工作在Gemini激光上开展,如图1所示为实验示意图,驱动激光采用f/40抛物镜聚焦至气体池中,激光脉冲宽度约为47fs,包含约9焦耳能量,对应a值为1.5。随着激光脉冲通过气体驱动尾场,原子中的电子被电离,并被激光有质动力排空,在其尾部制造离子腔。腔内的强电场随后将电子加速至GeV能量,仅仅在几厘米的长度。研究采用两级的方案,电子在第一级通过电离方式注入,第二级用于电子加速。在离子腔的尾部电子在激光轴线处发生回旋辐射,产生高能X射线,能区为5keV,信噪比为300:1。该光源可进行物质中热温度为数电子伏特的电子和离子分布测量。该工作结合强流、宽带、数飞秒的X射线脉冲将会在超快能量物理过程中起重要作用。

摘译自:B. Kettle et al. Single-Shot Multi-keV X-Ray Absorption Spectroscopy sing an Ultrashort Laser-Wakefield Accelerator Source. PHYSICAL REVIEW LETTERS 123, 254801 (2019)

 

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