使用激光尾场加速器和HHG产生宽带x射线

利用超强激光脉冲以相对论相速度激发等离子体波是发展小型粒子加速器的一条可能途径。

已经可靠地产生了能量从0.1到1 GeV的准单能电子束[1,2]。此外，这些紧凑的粒子加速器是强x射线的来源，其峰值亮度可与“第三代”同步加速器[4]相媲美。在激光驱动的尾波场中，电子不仅经历了一个强大的加速场，而且还经历了一个强大的聚焦场，迫使它们在所谓的“电子加速器轨道”[3]中横向振荡。脉冲与驱动激光脉冲完全同步;产生的x射线的持续时间与它的脉冲持续时间[5]相同。这些独特的性质为利用飞秒x射线衍射或时间分辨吸收光谱(NEXAFS / EXAFS)研究固体或热致密物质的超快过程提供了机会。

图1等离子体内部betatron振荡产生短x射线脉冲的示意图

这种类型的x射线源是基于激光产生的等离子体波中的相对论电子的betatron振荡。大量的电子由于与驱动场的相互作用而聚集在一起。每个束中的电子随着脉冲的传播而纵向加速。此外，它们在波中经历横向静电场，就像快速电子在同步加速器中经历周期性磁力一样。横向加速度导致电子加速器振荡。结果是在x射线范围内的一束准直的宽带辐射，以飞秒脉冲长度发射。光谱和最大可达到的光子能量是由激光和气体参数决定的。

图2 He气体射流中激光-等离子体相互作用的betatron辐射探测和表征的实验装置

设置

作为驱动激光器，耶拿光学和量子电子学研究所的JETI激光系统是一个多级CPA系统，基于钛掺杂蓝宝石，其发射中心波长为800 nm。

脉冲能量高达0.7 J，持续时间30 fs用于这些实验。这相当于目标内部略高于1018 W/cm²的峰值强度。激光聚焦在超音速氦气体射流中(图2)。激光加速电子的光谱是通过用0.5 T永磁体将电子偏转到lanex屏幕上(图2中没有显示)来测量的。发射的x射线由CCD记录。该方案允许研究人员将电子的能谱与单次发射实验中发射的光子的能量联系起来。

为了表征发射的x射线，使用了大面积背光CCD (iKon-L DO936NMW-BN)。在CCD前放置薄滤光片以阻挡1kev以下的辐射。相机是校准单光子事件光谱学从明确的经典x射线源。将单个事件的计数分配给一个特征光子能量。小像素尺寸(13.5 x 13.5 μm²)允许合理的分辨率，但仍然可以分离相邻事件。

在确定源的空间几何特性时，空间分辨率和高动态范围是很有用的，例如将已知直径的导线的阴影图像投影到芯片上。用这种方法确定了源的直径小于14 μm。

图3通过评估投射在CCD上的窄线的阴影来确定x射线源的大小

实验结果

到目前为止，在这种设置下已经拍摄了一万多张单幅照片。从一张图像中可以重建光源的典型x射线光谱。结果如图4所示。光子的能量可达10kev，光谱中的最大值在2kev左右。低能量截止是由使用过的滤波器的传输给出的。对滤波函数进行反褶积处理，结果与仿真结果吻合较好。

总结与展望

第一次实验成功地证明了用几个keV的光子能量产生宽带betatron辐射。在未来，密度形状的等离子体将被研究以产生具有更高光子能量的x射线。长期目标是使用beatron辐射进行超快时间分辨吸收光谱。这项工作是作为SFB Transregio 18的子项目资助的。

图4 betatron源的x射线谱

感谢:

Michael Schnell，光学和量子电子学研究所
德国耶拿大学

[1] Leemans et al, Nat. Phys. 2 696 (2006)
[2] Kneip et al.， PRL 103, 035002 (2009)
[3] Rousse et al.， PRL 93 (2004)
[4] Kneip et al.， PRL 100,105006 (2008)
kta Phuoc et al.， Phys。等离子体，14,080701 (2007)