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1、第14卷 第5期强激光与粒子束Vol.14,No.52002年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.,2002文章编号:100124322(2002)0520787205X建立激光同步辐射源的初步探讨郭 威, 顾嘉辉, 蔡翔舟, 沈文庆(中国科学院上海原子核研究所,上海201800) 摘 要:进行了基于正对以及离轴几何条件下,电子与激光束间Compton/Thomson散射的激光同步辐射源的初步探讨。运用现有的直线加速器技术以及高功率、高重复频率激光器技术可以为构建超短脉冲的高亮度
2、、准单色、可调谐的X和γ射线源开辟一条新途径。 关键词:激光同步辐射源;Compton散射;X2γ射线源 中图分类号:TN246文献标识码:A 高亮度、准单色X射线和γ射线的产生和应用研究是近年来迅速发展的技术领域。在工业以及不同学科(例如医学、生命科学、环境科学以及材料科学等)方面日益广泛的应用,要求更强、更紧凑的X和γ射线源,为了满足这些要求,人们正在开发新一代光源。 光子和非相对论电子相互作用发生汤姆孙(Thomson)散射,可用经典电磁理论解释。光子和相对论电子相互作用发生康普顿(Compton)散射
3、,此时需考虑到量子效应,可用Compton公式来描述。对于高速运动(β≈1)的电子更应考虑到多普勒(Doppler)效应,用广义康普顿公式来描述。虽然这一整套Compton/Thomson散射的机理早在数十年前就被人们研究清楚,并且人们也较早地预见到运用这一机理很可能构造出优质的X2γ射线源,但直到最近几年,由于直线加速器技术以及高功率、高重复频率激光器技术上的突破性发展,才使得这一构思可以实现。 基于相对论电子束(能量高于50MeV)与强激光束之间的正对(head2on)及离轴(off2axis)几何条件下的[1
4、]Compton/Thomson散射的X2γ射线源被称为激光同步辐射源(lasersynchrotronsource2LSS),其主要特点在于可以通过相对小型化的设备(LSS并不需要常规同步辐射光源所必需的高能电子储存环结构)来产生高亮度、准单色、可调谐的X射线或γ射线,其中最为引人注目的是其所产生的X射线或γ射线有着极好的时间结-3构(ps或100fs量级)与空间结构(发散角在10rad量级),可以进行诸如超快过程X射线成像等极具科研价值的工作。 目前,人们已经意识到这方面工作的广阔前景,认为LSS开辟了一条通向
5、超短脉冲高亮度紧凑光源的新[2,3][4]途径,并且已经认识到,未来的光源必将涉及到加速器原理与激光器技术的全面结合。[5]1994年A.Ting等人在美国NavalResearchLaboratory首次实现了LSS的原理性实验验证,此次实验中激光束与电子束轴线成172°角,采用正对碰撞模式。1995年R.W.Schoenlein等人在美国LawrenceBerke2leyNationalLaboratory实现了垂直碰撞模式下的LSS实验验证,获得了当时世界上最快(约300fs)、波长为[6]40pm的X射线,该
6、装置后来也被用于加速器测束工作。目前,一个由美、日两国科学家组成的联合研究小组在这一领域处于领先地位。该小组在布鲁克海文实验室(BNL)的acceleratortestfacility(ATF)装置上对[2,7,8]LSS开展了深入研究,并计划升级激光装置以产生更强的LSS辐射。[9] 我国国内在这一领域除去零星的介绍以及有关原理性计算的研究工作以外,尚未有实质性进展,但已经具备相应的科研条件,包括高功率激光器技术、直线加速器技术以及激光器与加速器的同步技术在内的各项技术已经较为成熟,可以开展有关LSS的实验研究。
7、为此我们根据国内和国外可以获得的激光器和电子直线加速器的参数,进行了一些理论计算,为下一步开展此项工作做前期准备。1 基本原理 目前,有关相对论电子束与激光束之间的Compton/Thomson散射的基本原理已经被研究得非常透X收稿日期:2002201207;修订日期:2002205208基金项目:中国科学院“九五”重点项目资助课题;中国科学院上海原子核所学科领域前沿课题资助项目作者简介:郭 威(19792),男,物理学学士,研究方向为核物理与粒子物理及相关内容;上海8002204信箱;E2mail:guow@si
8、nr.ac.cn。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.788强激光与粒子束第14卷[10,11]彻。 入射激光的归一化强度a0由公式2-91/2a0=eA0/mec≈0.85×10λ0I0(1)给出,式中:e是电子电荷;A0是激光场矢势的幅度;me是电子
