高级检索

留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

王宏伟 范功涛 刘龙祥 曹喜光 李薇 张岳 胡新荣 李鑫祥 王俊文 鲁同所 黄勃松 郝子锐 匡攀 黄玉华

王宏伟, 范功涛, 刘龙祥, 曹喜光, 李薇, 张岳, 胡新荣, 李鑫祥, 王俊文, 鲁同所, 黄勃松, 郝子锐, 匡攀, 黄玉华. 上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
引用本文: 王宏伟, 范功涛, 刘龙祥, 曹喜光, 李薇, 张岳, 胡新荣, 李鑫祥, 王俊文, 鲁同所, 黄勃松, 郝子锐, 匡攀, 黄玉华. 上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
Hongwei WANG, Gongtao FAN, Longxiang LIU, Xiguang CAO, Wei LI, Yue ZHANG, Xinrong HU, Xinxiang LI, Junwen WANG, Tongsuo LU, Bosong HUANG, Zirui HAO, Pan KUANG, Yuhua HUANG. Development and Prospect of Shanghai Laser Compton Scattering Gamma Source[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
Citation: Hongwei WANG, Gongtao FAN, Longxiang LIU, Xiguang CAO, Wei LI, Yue ZHANG, Xinrong HU, Xinxiang LI, Junwen WANG, Tongsuo LU, Bosong HUANG, Zirui HAO, Pan KUANG, Yuhua HUANG. Development and Prospect of Shanghai Laser Compton Scattering Gamma Source[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(11875311);上海光源工程二期项目(1173SRCZ01)
详细信息
    作者简介:

    王宏伟(1971–),男,内蒙古赤峰市人,研究员,博士,从事中低能核物理实验研究;wanghongwei@zjlab.org.cn.

  • 中图分类号: O571.1; O571.42+4

Development and Prospect of Shanghai Laser Compton Scattering Gamma Source

Funds: National Natural Science Foundation of China (11875311); Shanghai Synchrotron Radiation Facility(SSRF) Phase II project (1173SRCZ01)
  • 摘要: 激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility, SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。
  • 图  1  (在线彩图)激光康普顿散射(LCS)原理示意图

    图  2  原子核的集体运动模式[29](a)和光核物理的主要研究范围[19, 35](b)

    图  3  日本Spring-8的LEPS/LEPS II线站[33]

    图  4  日本NeWSUBARU B01的LCS线站[34]

    图  5  美国HIGS/HIGS2装置[35]

    图  6  欧盟ELI-NP 装置设计和布局[36]

    图  7  中国SLEGS装置布局示意图

    图  8  SXFEL-LCS伽马源的预期通量、能区和国际上已建成LCS装置的比较

    图  9  未来高能康普顿散射伽马光源布局示意图

    图  10  未来高能康普顿散射伽马光源的通量和能区分布的比较

    表  1  世界上的主要X/γ 康普顿光源装置及其主要参数

    装置名称所在位置储存环散射
    方法
    能量定标电子能
    量/GeV
    电子电
    流 /A
    激光能
    量/eV
    激光波
    长/nm
    激光功
    率/W
    伽马能
    量/MeV
    能量分
    辨/%
    能量展
    宽/MeV
    伽马强
    度/s-1
    运行
    时间
    LadonFrascati,ItalyAdoneBCSCollimation1.50.12.455~801.4~100.07~81051978—1993
    (关闭)
    TaladonAdoneBCSInternal tagging1.50.12.4535~8052~45×105
    LEGSBrookhaven,USNSLSBCSExternal tagging2.5840.3~0.35333, 351, 3649180~3301.654×1061987—2006
    (关闭)
    LEGS-2NSLSBCSExternal tagging2.80.3~0.353023285~4201.152×106
    GraalGrenoble,FranceESRFBCSExternal tagging6.030.2~0.5514101 1001.1162×1061989—2008
    (关闭)
    333, 351, 36481 530(1~2)×106
    ROKK-1MNovosibirsk,RussiaVEPP-4MBCSCollimation
    /tagging
    1.4-0.11.17~3.51100~1 6001~32×1061993—
    LEPSHarimaJapanSPring-8BCSInternal tagging7.9750.135581 500~2 4000.5(1~3)×1061999—
    26611 055~2 900(1~3) ×105
    LEPS-2SPring-8BCSInternal tagging7.9750.1355161 500~2 4000.5>1072013—
    26621 500~2 900>106
    BL01 HarimaJapanNewSUBARUBCSCollimation0.5~1.50.31 064537.6~1062007—
    532573~106
    10 540203.9~106
    ETL-LCSAISTJapanTERASBCSCollimation0.2~0.80.41 064101.6~101051985—
    1 053401.6~105×105
    53253~205×104
    527153~202×105
    55125~30104
    2630.57~407×103
    LCSJapanUVSOR-II/IIIBCS0.750.3580026.6>1072011—
    BCS0.637 51 94451.1~5.4105~1072016—
    HIGS/HIGS2Durham, NCUSDuke-SRBCSCollimation0.24~1.20.01~0.11.17~6.531~100(158)0.8~100.008-8.5106~3×1091996—2013-
    LUCXJapanLinacBCSCollimation0.045001 064~0.03105拟建
    TTXBeijing,ChinaBCSCollimation0.045700800500 mJ(30 fs)0.024~0.048~107建成
    USASLAC(FEL)BCSCollimation0.06500800100 mJ(50 fs)0.02~0.085~108在建
    LLNLUSAT-REXBCSCollimation0.043~0.2251 000400~1拟建
    USAPLEIADESBCSCollimation0.05~0.08250800500 mJ(50 fs)0.04~0.14~107拟建
    ELI-NPRomaniaLinacBCSCollimation0.721 300280 fs10 PW19.51013在建
    ELFEDESY,GermanyXFELBCStagging15~306302.41-3.523 000~20 000107拟建
    IGSCalifornia, USALinacBCSCollimation0.5472.34532620 mJ<10.81014拟建
    LNF-INFNItalyDAϕNEBCSCollimation0.064~0.0725008006 J(200 fs)0.02~0.5~1010拟建
    MEGA-rayLLNLUSASLACBCSCollimation0.252505320.15J0.5~2.50.10%~108拟建
    SLEGS-p1ShanghaiChinaSXFELBCSCollimation0.845001 0641003.7~38.9~108建议
    SLEGS-p2ShanghaiChinaHXFELBCSCollimation820-200XFEL 25 keV4.96TW/PW100~8 000//1014~1015建议
    下载: 导出CSV

    表  2  SLEGS线站设计指标

    参数设计指标
    能量范围0.4~20 MeV
    单色性~5%(加准直器)
    积分伽马光通量105 photons/s@20°~ 107 photons/s@180°
    发散度<0.5 mrad
    下载: 导出CSV

    表  3  SXFEL的主要参数

    参数试验装置参数用户装置参数
    电子能量/GeV0.841.3
    束团电荷/nC0.50.5
    归一化发射度/(mm·mrad)< 1.5< 1.5
    脉冲长度(FWHM)/ps< 1< 1
    重复频率/Hz1010
    下载: 导出CSV

    表  4  不同短脉冲激光波长和碰撞角度条件下的伽马能量及通量

    激光20°160°180°
    波长/
    nm
    宽度/
    ps
    频率/
    Hz
    单脉冲能量/
    J
    伽马能量/
    MeV
    伽马通量
    (photons/s)
    伽马能量/
    MeV
    伽马通量/
    (photons/s)
    伽马能量/
    MeV
    伽马通量/
    (photons/s)
    800 1.0 100 0.30 1.613.37×10750.108.31×10851.611.58×109
    399 1.0 100 0.15 3.229.36×10697.192.06×108100.013.85×108
    266 1.0 100 0.03 4.831.56×106141.212.96×107145.184.96×107
    下载: 导出CSV

    表  5  不同激光波长在与SHINE电子束在康普顿背散射条件下的伽马能量及通量

    激光波长激光类型功率/W脉冲宽度 脉冲频率单脉冲能量/J伽马能量/MeV伽马通量/(photons/s/W)
    10.64 μmCW1112.77.59×106
    1.64 μmCW1999.89.49×105
    800 nmPulse50 fs10 Hz51 277.41.04×1010
    355 nmCW12 397.82.75×105
    266 nmCW12 908.01.79×105
    0.1 keV@FELFEL0.7 ps1 MHz7 398.61.04×108
    1.0 keV@FELFEL0.7 ps1 MHz7 937.81.97×107
    下载: 导出CSV
  • [1] HAJIMA R. Physics Procedia, 2016, 84: 35. doi:  10.1016/j.phpro.2016.11.007
    [2] HAJIMA R, FUJIWARA M. Phys Rev Acce beams, 2016, 19: 020702. doi:  10.1103/PhysRevAccelBeams.19.020702
    [3] 葛愉成. 物理学报, 2009, 58(5): 3094. doi:  10.3321/j.issn:1000-3290.2009.05.035

    GE Y C. Acta Physica Sinica, 2009, 58(5): 3094. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-3290.2009.05.035
    [4] FEENBERG E, PRIMAKO H. Phys Rev, 1948, 73: 4491948.
    [5] MILBURN R H. Phys Rev Lett, 1963, 10: 75. doi:  10.1103/Phys-RevLett.10.75
    [6] ARUTYUNYAN F R, TUMANYAN V A. Phys Lett, 1963, 4: 176. doi:  10.1016/0031-9163(63)90351-2
    [7] FIOCO G, THOMPSON E. Phys Rev Lett, 1963, 10: 89. doi:  10.1103/PhysRevLett.10.89
    [8] BEMPORAD C, MIBURN R. H, TANAKA N, et al. Phys Rev B, 1965, 138: 1546. doi:  10.1103/PhysRev.138.B1546
    [9] MATONE G, PICOZZA P, PROSPERI D, et al. Lecture Notes in Physics, 1977, 62: 149.
    [10] ENGLERT T J, RINEHART E A. Phy Rev A, 1983, 28: 1539. doi:  10.1103/PhysRevA.28.1539
    [11] JIM K, CHATTOPADHYAY S, SHANK C V. Nucl Instr and Meth A, 1994, 341: 351. doi:  10.1016/0168-9002(94)90380-8
    [12] SCHOENLEIN R W, LEEMANS W P, CHIN A H, et al. Science, 1996, 274: 236. doi:  10.1126/science.274.5285.236
    [13] SANDORFI A M, LEVINE M J, THORN C E, et al. IEEE T Nucl Sci, 1984, 30: 3083. doi:  10.1109/TNS.1983.4336577
    [14] OHGAKI H, TOYOKAWA H, KUDO K, et al. Nucl Instr and Meth A, 2000, 455: 54. doi:  10.1016/S0168-9002(00)00693-8
    [15] NAKANO T, EJIRIA H, FUJIWARA M, et al. Nucl Phys A, 1998, 629: 559c. doi:  10.1016/S0375-9474(97)00737-9
    [16] KEZERASHVILI G Y, MILOV A M, MUCHNOI N Y, et al. Nucl Instr and Meth B, 1998, 145: 40. doi:  10.1016/S0168-583X(98)00266-3
    [17] GIBSON D J, ANDERSON S G, BARTY C P J, et al. Phys Plasmas, 2004, 11: 2857. doi:  10.1063/1.1646160
    [18] WELLER H R AND AHMED M W. Mod Phys Lett A, 2003, 18: 1569. doi:  10.1142/97898127772180023
    [19] AMANO S, HORIKAWA K, ISHIHARA K, et al. Nucl Instr and Meth A, 2009, 602: 337. doi:  10.1016/j.nima.2009.01.010
    [20] GIBSON D J, ALBERT F, ANDERSON S G, et al. Phys Rev ST Accel Beams, 2010, 13: 070703. doi:  10.1103/PhysRevSTAB.13.070703
    [21] ALBERT F, ANDERSON S G, GIBSON D J, et al. Phys Rev ST Accel Beams, 2011, 14: 050703. doi:  10.1103/PhysRevSTAB.14.050703
    [22] 蔡翔舟, 顾嘉辉, 郭威, 等. 物理学进展, 2003, 23: 389. doi:  10.3321/j.issn:1000-0542.2003.04.001

    CAI X Z, GU J H, GUO W, et al. Progress in Physics, 2003, 23: 389. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:1000-0542.2003.04.001
    [23] 张善才, 刁操政, 何多慧, 等. 强激光与粒子束, 2000, 12(3): 281.

    ZHANG S C, DIAO C Z, HE D H, et al. High Power Laser and Particle Beams, 2000, 12(3): 281. (in Chinese)
    [24] 庄杰佳, 赵宇. 高能物理与核物理, 2000, 24(9): 870. doi:  10.3321/j.issn:0254-3052.2000.09.013

    ZHUANG J J, ZHAO Y. High Energy Physics and Nuclear Physics, 2000, 24(9): 870. (in Chinese) doi:  10.3321/j.issn:0254-3052.2000.09.013
    [25] 李正红, 胡克松, 钱民权. 强激光与粒子束, 2001, 13(4): 423.

    LI Z H, HU K S, QIAN M Q. High Power Laser and Particle Beams, 2001, 13(4): 423. (in Chinese)
    [26] CHEN J G, XU W, GUO W, et al. Nucl Instr and Meth A, 2007, 580: 1184. doi:  10.1016/j.nima.2007.07.007
    [27] 杜应超, 黄文会, 颜立新, 等. 强激光与粒子束, 2009, 21(2): 265.

    DU Y C, HUANG W H, YAN L X, et al. High Power Laser and Particle Beams, 2009, 21(2): 265. (in Chinese)
    [28] AN G P, CHI Y L, DANG Y L, et al. Matter and Radiation at Extremes, 2018, 3: 219. doi:  10.1080/10619127.2010.529741
    [29] HABS D, TAJIMA T, ZAMFIR V. Nuclear Physics News, 2011, 21: 23.
    [30] TAIN J L, LALLENA A M, EBRAHIM M, et al. Proposal for the Construction of a Gamma-Ray Beam Line at the Spanish Synchrotron ALBA, December, 2004.
    [31] WURTZ W A. Considerations for the Construction of a Gamma ray Beam Line at the Canadian Light Source. Canadian Light Source, Apr. 22, 2010.
    [32] AHNA J K, KIM E S. Nucl Instr and Meth A, 2004, 528: 600. doi:  10.1016/j.nima.2004.04.110
    [33] LEPS2, http://www.spring8.or.jp/pdf/en/res_fro/11/138-139.pdf.
    [34] NewSUBARU, http://www.lasti.u-hyogo.ac.jp/ http://www.spring8.or.jp/en/about_us/whats_sp8/facilities/accelerators/new_subaru/.
    [35] HIGS, http://www.tunl.duke.edu/web.tunl.2011a.higs.php.
    [36] ELI-NP, http://www.eli-np.ro/, http://www.eli-np.ro/documents/ELI-NP-WhiteBook.pdf
    [37] GUO W, XU W, CHEN J G, et al. Nucl Instr and Meth A, 2007, 578: 457.
    [38] LCLS & LCLS2, https://portal.slac.stanford.edu/sites/lcls_public/Pages/Default.aspx.
    [39] European XFEL, http://www.xfel.eu/.
    [40] SACLA. http://www.riken.jp/en/research/environment/sacla/.
    [41] PAL-XFEL, http://pal.postech.ac.kr/paleng/.
    [42] ZHAO Z T, CHEN S Y, YU L H, et al. THPC053: Shanghai Soft X ray Free Electron Laser Test Facility[C]// Proceedings of IPAC2011, San Sebastian, Spain, 2011: 3011.
    [43] WU H L, CHEN J H, LIU B. Nuclear Science and Techniques, 2015, 26: 050103.
    [44] HAJIMA R, MAMORU F. Physical Review Accelerators and Beams, 2016, 19: 020702.
  • 加载中
图(10) / 表 (5)
计量
  • 文章访问数:  3096
  • HTML全文浏览量:  1149
  • PDF下载量:  314
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-08-02
  • 修回日期:  2019-12-06
  • 刊出日期:  2020-03-01

上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望

doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(11875311);上海光源工程二期项目(1173SRCZ01)
    作者简介:

    王宏伟(1971–),男,内蒙古赤峰市人,研究员,博士,从事中低能核物理实验研究;wanghongwei@zjlab.org.cn.

  • 中图分类号: O571.1; O571.42+4

摘要: 激光康普顿散射(Laser Campton Scattering, LCS)光源,是一种基于相对论电子束与激光光子相互作用的新型X-ray或Gamma-ray光源。它具有能量高、波长短、脉冲快和峰值亮度高的特性,已成为国际先进光源技术的重要选项之一。本文介绍了激光康普顿散射光源的产生原理、国内外发展现状以及目前国际上运行和在建的激光康普顿散射光源装置,其中重点介绍了上海光源二期正在建设的上海激光电子伽马源(Shanghai Laser Electron Gamma Source, SLEGS)装置,以及在这一光源装置上可以开展的核物理、核天体物理、核废料处理及核医学应用等研究。随着上海软X射线自由电子激光试验装置(Soft X-ray Free Electron Laser, SXFEL)升级为用户装置,以及未来十三五国家重大科技基础设施-硬X射线自由电子装置(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility, SHINE)的建设完成,基于直线电子加速器(LINear ACcelator, LINAC)的康普顿散射光源的伽马能量将会达到GeV量级的高能量。超短脉冲、高极化度、高通量的激光康普顿散射光源将迎来新的发展机遇,基于康普顿伽马光源的核物理、天体物理、粒子物理及应用基础研究也必将迈上一个新台阶。

English Abstract

王宏伟, 范功涛, 刘龙祥, 曹喜光, 李薇, 张岳, 胡新荣, 李鑫祥, 王俊文, 鲁同所, 黄勃松, 郝子锐, 匡攀, 黄玉华. 上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
引用本文: 王宏伟, 范功涛, 刘龙祥, 曹喜光, 李薇, 张岳, 胡新荣, 李鑫祥, 王俊文, 鲁同所, 黄勃松, 郝子锐, 匡攀, 黄玉华. 上海激光康普顿散射伽马源的发展和展望[J]. 原子核物理评论, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
Hongwei WANG, Gongtao FAN, Longxiang LIU, Xiguang CAO, Wei LI, Yue ZHANG, Xinrong HU, Xinxiang LI, Junwen WANG, Tongsuo LU, Bosong HUANG, Zirui HAO, Pan KUANG, Yuhua HUANG. Development and Prospect of Shanghai Laser Compton Scattering Gamma Source[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
Citation: Hongwei WANG, Gongtao FAN, Longxiang LIU, Xiguang CAO, Wei LI, Yue ZHANG, Xinrong HU, Xinxiang LI, Junwen WANG, Tongsuo LU, Bosong HUANG, Zirui HAO, Pan KUANG, Yuhua HUANG. Development and Prospect of Shanghai Laser Compton Scattering Gamma Source[J]. Nuclear Physics Review, 2020, 37(1): 53-63. doi: 10.11804/NuclPhysRev.37.2019043
    • 随着高能量电子加速器技术和超强功率激光技术的快速发展,利用高功率激光或者自由电子激光与相对论电子束通过逆康普顿散射效应来产生一个高亮度、短脉冲以及能量可调的康普顿光源正成为国际研究热点之一。激光康普顿散射光源,是一种新型的X射线(X-ray)或伽马射线(Gamma-ray)光源,由于它的输出光具有人们对新一代光源所期望的高能量、短波长、短脉冲和高峰值亮度的特性,因而已成为国际先进光源技术研究领域的前沿课题之一[1-2]。LCS原理(如图1所示)为激光和相对论电子束通过逆康普顿散射过程发生相互作用,电子损失部分能量发生小角度偏转;光子被散射后能量增加,在实验室系前角方向出射,如果入射激光是偏振光,那么散射后的光子也具有偏振特性,特别在180°的对头碰撞时,能获得高达90%以上偏振度(又称为极化度)的光子(X/$ \gamma $)束。

      图  1  (在线彩图)激光康普顿散射(LCS)原理示意图

      散射光子的能量公式表示为

      $${E_{{\gamma }}} = \frac{{{E_{\rm{l}}}\left( {1 - \beta \cos {\theta _{\rm{l}}}} \right)}}{{1 - \beta \cos \theta + \frac{{{E_{\rm l}}\left\{ {1 - \cos \left( {{\theta _{\rm{l}}} - \theta } \right)} \right\}}}{{{E_{\rm{e}}}}}}},$$ (1)

      式中:EeEl分别为高能电子和入射激光的能量;θl为激光入射角度;θ$E_\gamma $分别为散射光子出射角度和出射能量;β=v/cv为电子速度,c为光速。由式(1)可知,改变出射伽马能量$E_\gamma $的方法有三种:改变入射激光能量、改变电子束能量以及改变激光和电子束碰撞角度。对于X-ray光源,是低能光子被电子弹性散射的过程,即散射光子的能量与电子静止能量(0.511 MeV)的比值远小于1,此时的康普顿散射又被称为汤姆逊散射(Thomson scattering)。实验室微分截面角分布即为著名的Klein-Nishina公式,其中$ \gamma $为洛伦兹因子${1 / {\sqrt {1-{\beta ^2}} }}$。当激光相对于电子束的入射角度为180°时,称为康普顿背散射(Backward Compton Scattering-BCS),它具有以下的特点:

      (1) 高能电子束时,β~1,θ=0,θl=180,$E_{\rm{\gamma }}^{{\rm{max}}} \approx $$ 4{\gamma ^2}{E_{\rm{l}}}$, 散射光子具有最大能量;

      (2) 散射光子集中在前向半角为θ≤1/$ \gamma $的圆锥角内,且电子能量越高,圆锥角度越小;

      (3) 散射光子微分截面与$ \gamma $2成正比,即电子束方向的散射光子强度与$ \gamma $2成正比;。

      (4) 沿着电子束方向的散射光子极化度接近100%,角度越小极化度越高。

      当激光束的能量密度较小时,单个入射光子与电子碰撞产生一个散射光子,称为线性康普顿散射;当激光束的能量密度足够大时,可能产生大于2个入射光子与电子碰撞产生一个散射光子的情形,称为非线性康普顿散射。可由入射光子归一化四矢量势a表示[3]$a = 8.6 \times {10^{ - 10}}{\lambda _{\rm{l}}}{I^{1/2}}$λl为激光波长(μm),I为激光功率密度(W/cm2),a < 1发生线性康普顿散射,a≥1发生非线性康普顿散射。例如:(1) CO2激光器:λl=10.64 μm波长,如果I=881 W/cm2a=2.717×10–7,即为线性康普顿散射,(2)超强激光器:λl=0.832 μm,如果I≥1019W/cm2a≥2.263,即为非线性康普顿散射。

      1923年,在研究石墨对X射线的散射实验中,康普顿因发现自由电子对入射光子的康普顿散射效应,获得1927年诺贝尔奖,吴有训先生也对康普顿散射的研究做出了重要的贡献,因此康普顿散射又称为康普顿-吴有训效应(Compton-Wu effect)。20世纪40年代,Feenberg等[4]在测量宇宙环境中的高能电子的能量变化时,证实了散射光子通过高能电子束后具有极强的频移现象。20世纪60年代第一台激光器诞生以后,1963年Milburn[5]和Arutyunian等[6]提出利用激光与相对论电子碰撞产生高能光子的概念。同年,Fiocoo等[7]利用800 μs激光脉冲与低能电子束相互作用观察到散射光子。1965年 Bemporad等[8]用红宝石激光与6 GeV的电子散射,获得425 MeV的伽马光子。1978年第一个基于LCS的伽马射线装置LADON在意大利的Frascati开始建造[9]。1983年美国Wyoming大学的Englert等[10]首次发现非线性汤姆逊散中的二次谐波现象。1994年Kim[11]设想利用超短脉冲激光与电子束在90°方向碰撞来获得超短X射线脉冲。1995年Schoenlein等[12]利用脉冲长度为100 fs的超短脉冲激光,与90 μm横向尺寸的电子束成90°角相互作用,获得300 fs,30 keV的超短X射线脉冲。1984年美国布鲁克海文国家实验室(BNL)建成LEGS(The Laser Electron Gamma-ray Source)装置[13],日本产业技术综合研究所(AIST)建成LCS线站[14],1998年日本SPring-8(Super Photon ring-8 GeV)同步辐射装置建成LEPS-I(The Laser Electron Photon Experiment at SPring-8)线站[15]以及俄罗斯建成ROKK(The Backward Scattered Compton Quanta light source in Russian)装置[16],2002年,美国劳伦斯-利弗莫尔实验室(LLNL)的PLEIADES装置(The Picosecond Laser-Electron Inter-Action for the Dynamic Evaluation of Structures),利用50~100 MeV的电子束与800 nm的飞秒激光进行了碰撞实验,获得70 keV光子的产额为107 photons/pulse,对应的亮度为1016 photons/ (s·mm2·mrad2·0.1% BW)[17](Band Width)。2003年美国杜克大学自由电子激光实验室(DFELL)与三角大学联合建成HIGS (The High Intensity Gamma-ray Source)装置[18],2007年日本兵库县大学建成New SUBARU B01线站(和SPring-8在同一园区)[19]。2008年美国劳伦斯-利弗莫尔实验室(LLNL)又建成了Thomson Radiated Extreme X-ray(T-RAY) 源,T-RAY装置的峰值亮度比当时同步辐射光源高出约10个数量级[20],2009年继T-RAY之后,LLNL在高亮度、准单色、能量可调的伽马源上再次取得了惊人的成就。MEGa RAY(M-RAY)在MeV能区内,其峰值亮度可比其它任何人造光源高出15个数量级。2011年日本相继有SAGA-LCS和UVSOR(Ultra Violet Synchrotron Orbital Radiation)-II/III专用康普顿伽马光源建成,主要用于核废料嬗变和伽马成像等应用基础研究[21]。2013年日本LEPS和美国HIGS装置相继升级为LEPS2和HIGS2装置,具体如表1所列。

      表 1  世界上的主要X/γ 康普顿光源装置及其主要参数

      装置名称所在位置储存环散射
      方法
      能量定标电子能
      量/GeV
      电子电
      流 /A
      激光能
      量/eV
      激光波
      长/nm
      激光功
      率/W
      伽马能
      量/MeV
      能量分
      辨/%
      能量展
      宽/MeV
      伽马强
      度/s-1
      运行
      时间
      LadonFrascati,ItalyAdoneBCSCollimation1.50.12.455~801.4~100.07~81051978—1993
      (关闭)
      TaladonAdoneBCSInternal tagging1.50.12.4535~8052~45×105
      LEGSBrookhaven,USNSLSBCSExternal tagging2.5840.3~0.35333, 351, 3649180~3301.654×1061987—2006
      (关闭)
      LEGS-2NSLSBCSExternal tagging2.80.3~0.353023285~4201.152×106
      GraalGrenoble,FranceESRFBCSExternal tagging6.030.2~0.5514101 1001.1162×1061989—2008
      (关闭)
      333, 351, 36481 530(1~2)×106
      ROKK-1MNovosibirsk,RussiaVEPP-4MBCSCollimation
      /tagging
      1.4-0.11.17~3.51100~1 6001~32×1061993—
      LEPSHarimaJapanSPring-8BCSInternal tagging7.9750.135581 500~2 4000.5(1~3)×1061999—
      26611 055~2 900(1~3) ×105
      LEPS-2SPring-8BCSInternal tagging7.9750.1355161 500~2 4000.5>1072013—
      26621 500~2 900>106
      BL01 HarimaJapanNewSUBARUBCSCollimation0.5~1.50.31 064537.6~1062007—
      532573~106
      10 540203.9~106
      ETL-LCSAISTJapanTERASBCSCollimation0.2~0.80.41 064101.6~101051985—
      1 053401.6~105×105
      53253~205×104
      527153~202×105
      55125~30104
      2630.57~407×103
      LCSJapanUVSOR-II/IIIBCS0.750.3580026.6>1072011—
      BCS0.637 51 94451.1~5.4105~1072016—
      HIGS/HIGS2Durham, NCUSDuke-SRBCSCollimation0.24~1.20.01~0.11.17~6.531~100(158)0.8~100.008-8.5106~3×1091996—2013-
      LUCXJapanLinacBCSCollimation0.045001 064~0.03105拟建
      TTXBeijing,ChinaBCSCollimation0.045700800500 mJ(30 fs)0.024~0.048~107建成
      USASLAC(FEL)BCSCollimation0.06500800100 mJ(50 fs)0.02~0.085~108在建
      LLNLUSAT-REXBCSCollimation0.043~0.2251 000400~1拟建
      USAPLEIADESBCSCollimation0.05~0.08250800500 mJ(50 fs)0.04~0.14~107拟建
      ELI-NPRomaniaLinacBCSCollimation0.721 300280 fs10 PW19.51013在建
      ELFEDESY,GermanyXFELBCStagging15~306302.41-3.523 000~20 000107拟建
      IGSCalifornia, USALinacBCSCollimation0.5472.34532620 mJ<10.81014拟建
      LNF-INFNItalyDAϕNEBCSCollimation0.064~0.0725008006 J(200 fs)0.02~0.5~1010拟建
      MEGA-rayLLNLUSASLACBCSCollimation0.252505320.15J0.5~2.50.10%~108拟建
      SLEGS-p1ShanghaiChinaSXFELBCSCollimation0.845001 0641003.7~38.9~108建议
      SLEGS-p2ShanghaiChinaHXFELBCSCollimation820-200XFEL 25 keV4.96TW/PW100~8 000//1014~1015建议

      2000年左右,国内基于储存环电子束或直线加速器电子束的康普顿背散射光源设计方案相继提出,如中国科学院上海应用物理研究所的蔡翔舟等[22]基于上海同步辐射光源(Shanghai Synchrotron Radiation Facility-SSRF)的SLEGS方案,中国科学技术大学张善才等[23]基于合肥同步辐射光源(National Synchrotron Radiation Laboratory-NSRL),提出了远红外自由电子激光(Free Electron Laser-FEL)和电子背散射的方案。中国科学院高能物理研究所激光实验室庄杰佳等[24]提出了利用北京正负电子对撞机(Beijing Electron Positron Collider-BEPC)第二对撞点的直线段,产生LCS-$ \gamma $源方案。2001年,中国工程物理研究院李正红等[25]提出利用光阴极射频(Radio Frequency-RF)腔注入器及30 MeV 射频加速器产生的电子束,与Nd:YAG 激光在光腔中的强光场作用来产生康普顿背散射的高通量X 射线光源方案。中国科学院上海应用物理研究所以及清华大学工程物理系等研究团队,自2003 年以后陆续发表了有关LCS 光源的模拟分析研究成果和装置建设情况。我国目前已报道的LCS 光源试验装置有两台,分别是中国科学院上海应用物理研究所的SLEGS样机装置[26]和清华大学的汤姆逊散射装置(Tsinghua Thomson scattering X-ray-TTX)[27](光子与电子散射过程中产生高能伽马射线称为康普顿散射,产生低能X射线称为汤姆逊散射)。SLEGS样机基于150 MeV的电子直线加速器LINAC装置,分为三期,I和II期的X光子产额分别为5.2×102/s 和1.7×103/s,散射光子的最大能量为29~32 keV,III期主要为可变角度康普顿散射模式的关键技术验证。清华大学的汤姆逊散射装置(TTX)建于2009 年,其X 光子产额为2.1×104/s,散射光子的最大能量为4.6 keV,2011年升级到X 光子产额为1.0×106/s,散射光子的最大能量为51.7 keV,目前正在开展新的0.2~4.8 MeV逆康普顿散射光源的研制。2017年中国科学院高能物理研究所和中国原子能科学研究院等联合在北京正负电子对撞机BEPCII的10号厅北京试验束线上验证LCS关键技术[28]

      目前康普顿散射光源从能量上分为X-Ray汤姆逊散射光源,主要基于100 MeV左右的直线电子束装置,而$ \gamma $-Ray康普顿散射光源,则基于GeV电子束流装置,从激光与电子加速器类型来分,有这样的三种类型:(1)基于电子储存环装置+ 低功率激光器,如日本的LEPS/LEPS2线站,NewSUBARU B01线站等,是目前主要的伽马光源产生方式,利用光源储存环电子和外部连续或准连续激光碰撞产生,作为同步辐射的线站出现,主要以康普顿背散射碰撞为主,由于商业激光器的低功率特点使得产生伽马束的通量低、脉冲宽;(2)基于电子储存环装置+插入件产生的同步辐射X射线,如美国的HIGS装置,其利用储存环插入件产生的同步辐射光源和相对论电子的再次碰撞产生,特点是伽马源的通量较高,但是伽马束斑和晃动较大,X射线反射镜的研制难度大;(3)基于直线电子加速器 + 超强超短激光(非线性康普顿光源),特点是超短脉冲、高亮度、高极化度等,缺点是时间同步、空间对准的工艺技术难度增大,产生韧致辐射本底较大,目前已经有专业组在逐步解决这些问题。已经在建的第三种类型,如欧洲ELI-NP(The Extreme Light Infrastructure - Nuclear Physics) GBS(Gamma Branch System)装置[29],是未来新一代的超短伽马光源产生方式,为直线电子加速器和大型超强、超短脉冲激光装置相结合的产物。由于逆康普顿散射光源的伽马束流具有通量高、准单色、高极化、能量可调等独特性能,因此伽马源相关的关键技术、实验测量及应用研究已成为国际上的研究热点。特别是欧洲ELI-NP装置计划的提出,使得利用直线电子加速器和超强超短激光实验装置相结合的新型高亮度康普顿光源装置成为目前人们关注的热点。

      基于伽马源装置的低能区(0~30 MeV)光核物理主要研究方向有原子核结构、原子核集体激发模式(GDR,PDR等)、原子核的准氘核衰变和原子核的介子发射等基础研究;LCS装置在伽马射线成像、伽马辐照效应、医学同位素产生、探测器定标、伽马嬗变、核数据测量和新能源产生等基础应用研究方面具有广泛的用途,伽马束与核相互作用如图2所示;中低能区(30~140 MeV)主要是准氘核衰变区,这一能区的反应截面降低明显;在伽马能量大于140 MeV能区主要是介子产生的强子物理研究范围[19, 29]

      图  2  原子核的集体运动模式[29](a)和光核物理的主要研究范围[19, 35](b)

    • 欧洲早期建有康普顿散射光源装置,如法国GRAAL(Gamma Ray Astronomy at ALmeria)装置,俄罗斯的ROKK装置等,目前这些装置都已经或接近退役,近些年鲜有研究结果发表。新的光源装置中也有建造这类线站的计划,如西班牙光源ALBA(CELLS Cerdanyola del Valles, Barcelona,Spain)的康普顿散射线站[30]加拿大光源CLS(Canadian Light Source)[31]和韩国PLS(Pohang Light Source)光源[32]上也提出类似的LCS线站计划,但近些年因为各种原因而搁置下来没有获批建设。下面我们简单介绍目前最活跃的几个LCS线站装置情况。

      (1) 日本的LEPS/LEPS2装置

      图3所示(取自文献[33]),基于SPring-8 储存环,产生高能1.4~2.4或者1.4~2.9 GeV伽马束。LEPS及LEPS-II在高能粒子物理的介子相关研究、重子及其奇异态的相关研究领域,特别是s夸克强子态、五夸克态研究方面做出了具有较大影响力的工作。

      图  3  日本Spring-8的LEPS/LEPS II线站[33]

      (2) 日本的NewSUBARU B01装置

      图4所示[34],同样位于Spring-8园区内,是独立的一座同步辐射装置,由兵库县大学高度产业科学技术研究所运行,基于小型储存环装置,可产生6~70 MeV范围内的中低能伽马束。主要研究工作包括国际原子能机构(IAEA)光核反应截面数据测量、伽马射线成像、伽马射线正电子产生、极化伽马束实验、核废料嬗变机制研究等原理性实验验证工作。

      图  4  日本NeWSUBARU B01的LCS线站[34]

      (3) 美国的HIGS装置

      图5所示[35],基于储存环装置,利用储存环电子与自由电子激光碰撞,产生1~100 MeV(HIGS)/1~150 MeV(HIGS2) 中高能伽马束流,在核天体物理,特别是16O(α,$ \gamma $)12C截面测量、核结构(GDR测量)、轻核的光致解离截面研究做出了重要的工作成果。

      图  5  美国HIGS/HIGS2装置[35]

      (4) 欧洲ELI-NP GBS装置

      图6所示[36],正在建设中,由两台超强功率激光HPLS(High Power Laser System)和一台低能伽马源GBS(Gamma Branch System)组成,其中2个10 PW相干激光器,强度达到1023 ~ 1024 W/cm2,电场1015 V/m。伽马光源流强为1013 photons/s,伽马能量<19.5 MeV,由外部激光与360和700 MeV直线加速器LINAC的电子碰撞产生,原计划2017年建成,由于经费问题,ELI-NP的伽马源部分建成时间一再推迟。

      图  6  欧盟ELI-NP 装置设计和布局[36]

      ELI-NP装置主要研究目标有:基础物理、核物理与核天体物理、应用研究有材料科学、生命科学以及核材料处理。

      (5) 上海激光电子伽马源(SLEGS)[37]

      由中国科学院上海应用物理研究所核物理室设计,是上海光源线站二期建设的16条线站之一,布局如图7所示,目前正在建设中。利用外部引入波长为10.64 μm/连续波(CW)CO2激光和上海光源(SSRF)储存环中的3.5 GeV电子束,通过逆康普顿散射效应产生MeV能量的伽马光;由于储存环电子束能量的不可调,因此通过连续改变激光和电子束碰撞夹角的办法,实现伽马光能量在0.4~20 MeV范围内连续可调;采用激光和电子束康普顿背散射模式产生高极化度的伽马束,能量在20 MeV左右,极化度可达到90%以上。SLEGS产生的伽马光能量范围为0.4~20 MeV,覆盖了核物理研究的核结构和光核反应巨共振以下能区(keV到MeV),并且可连续或多能量调节,全谱积分的伽马光通量将达到105~107 photons/s(分别对应20°~180°碰撞角度);利用准直技术,可获得能量分辨率好于5%,同时伽马光斑可以实现Φ25 mm以内的连续束斑调节;伽马光的发散度好于0.5 mrad。SLEGS设计指标如表2所列。

      表 2  SLEGS线站设计指标

      参数设计指标
      能量范围0.4~20 MeV
      单色性~5%(加准直器)
      积分伽马光通量105 photons/s@20°~ 107 photons/s@180°
      发散度<0.5 mrad

      图  7  中国SLEGS装置布局示意图

      SLEGS装置的科学目标为开展核物理、天体物理,极化物理等领域的光核反应基础研究,特别是解决核物理、核天体物理中具有重大科学价值的问题,如核结构参数、核集体激发模式、星系演化的重元素产生机制等;开展与航天、国防、核能等战略需求相关的应用基础研究,如航天伽马探测器的地面精确定标、核能关键光核截面、核废料伽马嬗变研究等。因此建成的SLEGS装置将成为上海光源二期线站中开展基础核物理与基础应用研究相结合的多功能实验平台。

      SLEGS研究重点包括:

      (1) 宇宙大爆炸中重元素的产生机制研究,是11个物理学未解之谜之一。核天体物理中s-process(慢速中子俘获);r-process(快速中子俘获)的逆反应过程研究;($ \gamma $, n)光核反应截面的核数据测量等是中子测量的主要研究内容。伽马引起核反应的轻带电粒子测量是核天体物理中的一类重要反应,其中星体演化过程中的He-Ne循环过程关键反应截面及反应率测量,如12C(α,$\gamma $)16O,14N(α,$\gamma $)18F, 18O(α,$\gamma $)22Ne, 20Ne(α,$\gamma $)24Mg逆反应过程研究;s process,r process,p process等关键核素的光核反应截面(photo nuclear cross section),以及核合成过程中的光致裂解反应。

      (2) 共振及簇团结构的精确测量,是检验核多体理论和核力的天然实验室。核共振荧光(Nuclear Resonance Fluoresence, NRF)方法主要研究核的低能集体激发问题(0~10 MeV),例如E1,M1,E2激发模式等。

      (3) 核能及核废料伽马嬗变研究,是国家可持续发展的战略需求。20 MeV以下的康普顿散射光源可以进行核数据链的基础数据研究,以及反应堆核废料长寿命核素的嬗变研究等,康普顿散射光源在核废料中锕系元素的GDR能区具有更高的通量和嬗变效率。

      (4) 极化伽马束研究反应产物的极化角分布,是基本对称性研究的一个重要工具。可以用来研究亚原子的能级特性,测定亚原子的自旋和宇称,检验各种对称性原理,研究强作用的自旋相关性,测定不稳定核的磁矩和电矩,研究反应机制等。

      SLEGS还可以开展伽马成像、空间探测器定标、器件抗辐射效应等应用研究。另外通过更改激光器的波长(能量),例如由10.64 μm更换为1064,532,355,266 nm,可实现更高伽马能量的选择(例如20~200 MeV范围),提供更高能量和高极化度的选择,满足不同用户的研究目标和实验需求。这一目标可以在未来SLEGS装置的研究及扩展中实现。

    • 近些年,具有高亮度的X射线自由电子激光XFEL(X-Ray Free Electron Laser)装置在日本、美国和欧洲相继建成。XFEL利用电子直线加速器产生的高品质电子束通过磁极交替排列的波荡器来产生具备激光品质的高功率相干辐射X射线光源,除了宽广的光谱范围和超高亮度,同时也具备激光的相干性、短脉冲(飞秒)的优异特性,与典型的第三代同步辐射光源相比,XFEL的峰值亮度高约9个量级,脉冲宽度短约3个量级,相干性提高3个量级。这些特点使得XFEL自诞生之日起就受到人们的青睐和重视,被认为是最有前途、最具科学探索和发现价值的未来新光源类型之一,它同时拥有激光和辐射光的双重特性,可工作于整个X射线波段,它在亮度、相干性和时间结构上都大大优于第三代同步辐射光源,被国际上公认为是第四代光源的可行技术路线之一。美国LCLS[38],欧洲European XFEL[39],日本Spring-8的SACLA (the SPring-8 Angstrom Compact Free-Electron Laser)[40],韩国浦项光源PLS(Pohang Light Source)[41]都相继发展了XFEL装置。

      目前正在建设的上海软X射线自由电子激光试验装置SXFEL(Soft X-ray FEL)[42],2020年将升级作为用户装置运行(参数如表3所列),其直线电子加速器(LINAC)可以提供0.84和1.3 GeV的高能电子束,因此可以作为新的直线型康普顿散射装置设计的基础[43],在此基础上设计建设类似欧洲ELI-NP装置的专用LCS光源,即SXFEL-LCS,在伽马通量、能量范围等指标方面将达到目前国际装置的最好水平,和目前LCS装置参数的比较参见图8,覆盖1.6~150 MeV的能区范围,可以实现介子阈值以下能区的所有光核物理实验测量(伽马参数如表4所示)。

      表 3  SXFEL的主要参数

      参数试验装置参数用户装置参数
      电子能量/GeV0.841.3
      束团电荷/nC0.50.5
      归一化发射度/(mm·mrad)< 1.5< 1.5
      脉冲长度(FWHM)/ps< 1< 1
      重复频率/Hz1010

      表 4  不同短脉冲激光波长和碰撞角度条件下的伽马能量及通量

      激光20°160°180°
      波长/
      nm
      宽度/
      ps
      频率/
      Hz
      单脉冲能量/
      J
      伽马能量/
      MeV
      伽马通量
      (photons/s)
      伽马能量/
      MeV
      伽马通量/
      (photons/s)
      伽马能量/
      MeV
      伽马通量/
      (photons/s)
      800 1.0 100 0.30 1.613.37×10750.108.31×10851.611.58×109
      399 1.0 100 0.15 3.229.36×10697.192.06×108100.013.85×108
      266 1.0 100 0.03 4.831.56×106141.212.96×107145.184.96×107

      图  8  SXFEL-LCS伽马源的预期通量、能区和国际上已建成LCS装置的比较

      2017年5月,国家十三五重大科技基础设施-硬X射线自由电子激光装置获批建设(Shanghai HIgh repetition rate XFEL aNd Extreme light facility-SHINE,包括一台100 PW的超强超短激光装置),由上海科技大学承建,中国科学院上海高等研究院(上海光源中心)共建,其8 GeV的电子能量和超导电子直线加速器可以提供重复频率高达MHz的高品质、高流强电子束,同时在建的极端光物理设施的100 PW超强超短光学激光器也可以达到1023-24 W/cm2的高功率,基于直线加速器的分支线和多种类的短脉冲激光条件,例如普通激光、超短超强激光以及X射线自由电子激光,利用康普顿背散射原理可以获得MeV直至GeV的高能量、高通量和高极化度的伽马光源(如表5所列),为未来的康普顿散射光源的发展提供了前所未有的机遇和挑战。

      表 5  不同激光波长在与SHINE电子束在康普顿背散射条件下的伽马能量及通量

      激光波长激光类型功率/W脉冲宽度 脉冲频率单脉冲能量/J伽马能量/MeV伽马通量/(photons/s/W)
      10.64 μmCW1112.77.59×106
      1.64 μmCW1999.89.49×105
      800 nmPulse50 fs10 Hz51 277.41.04×1010
      355 nmCW12 397.82.75×105
      266 nmCW12 908.01.79×105
      0.1 keV@FELFEL0.7 ps1 MHz7 398.61.04×108
      1.0 keV@FELFEL0.7 ps1 MHz7 937.81.97×107

      基于直线电子加速器和超强激光装置,可以产生新一代的康普顿伽马光源,如ELI-NP装置上的伽马光源。在上海自由电子激光装置(SXFEL)上建设新支线做GBS,增加新的实验终端,即可以实现类似ELI-NP的基于直线加速器的设计方案。新一代康普顿散射光源基于超强激光技术、自由电子激光FEL技术、康普顿背散射(BCS)技术,能够提供强激光、伽马光、自由电子激光、韧致辐射伽马射线、白光中子源、电子及正电子源、激光加速带电粒子等8种射线装置的综合研究平台(如图9所示),可以实现超强激光(~eV,> 100 TW)、X射线自由电子激光(~keV)、伽马射线(~MeV)的光子连续波段研究,以及韧致辐射伽马射线、白光中子、正电子的辐照研究等。在强激光驱动的核物理研究;偶极巨共振GDR、核共振荧光NRF及其应用研究;光核反应利用及其应用研究;正电子产生及应用研究;伽马束在医学成像及工业中的应用;伽马束在核废料嬗变及核能中的应用;伽马光子学研究等新物理的研究中必将发挥重要的作用。

      图  9  未来高能康普顿散射伽马光源布局示意图

    • 上海激光电子伽马源(SLEGS)作为国内第一台在建的逆康普顿散射伽马射线实验线站,采用了独特的斜入射碰撞模式和背散射碰撞模式,在不改变储存环电子束能量的前提下,基于100 W CO2激光器可以提供0.4~20 MeV的伽马光子束流,积分流强在105-7 photons/s之间,SLEGS线站预期将于2022年建成并向用户开放。同时,随着上海光源中心的软X射线自由电子激光用户装置(SXFEL)即将投入运行和上海科技大学的硬X射线自由电子激光装置(SHINE)的建设,未来基于自由电子激光直线电子加速器(LINAC)的康普顿散射伽马源方案设计也逐渐成熟,参考欧洲ELI-NP GBS和XFELO[44]类似的设计,可以提供更高能量、高流强、短脉冲、高极化的伽马光子束流(如图10所示),为光核物理研究、强激光核物理和自由电子激光核物理的研究提供更加先进的光子束流和实验终端,推动我国光核物理基础研究走向新的发展阶段。

      图  10  未来高能康普顿散射伽马光源的通量和能区分布的比较

      致谢 感谢沈文庆院士提出上海康普顿散射伽马源装置方案的开创性工作,感谢沈文庆院士、马余刚院士对SLEGS线站设计和未来物理研究的指导和引领,感谢张桂林研究员的技术指导。

参考文献 (44)

目录

    /

    返回文章
    返回