Les accélérateurs laser-champ de sillage ont conduit au développement de des sources de rayons X ou gamma ultracourtes pour fournir une brillance maximale, similaire aux sources synchrotron conventionnelles. Cependant, ces sources sont retenues par de faibles rendements et limitées à 10 ^7-8 photons par tir dans la gamme du kiloélectron-volt (KeV) au mégaélectron-volt (MeV). Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques, Xing-Long Zhu et une équipe de recherche en physique et en astronomie en Chine et au Royaume-Uni, a présenté une nouvelle approche pour produire efficacement des collimatés, faisceaux de rayons gamma (γ) ultra-brillants. Les énergies de photons résultantes étaient réglables jusqu'à des gigaélectrons-volts en focalisant une impulsion laser de plusieurs pétawatts dans un accélérateur de champ de sillage à 2 étages. Le laser à haute intensité leur a permis de générer efficacement un faisceau d'électrons multi-gigaélectron-volt avec une densité et une charge élevées au cours de la première étape de l'expérience. Les faisceaux laser et d'électrons sont entrés dans une région de plasma à haute densité dans la deuxième étape par la suite. A l'aide de simulations numériques, ils ont démontré la production de plus de 10 ¹² photons de rayons gamma par tir avec une efficacité de conversion d'énergie supérieure à 10 % pour les photons supérieurs à 1 mégaélectron-volt (MeV) et atteint un pic de brillance supérieur à 10 ²⁶ photons S ^-1 mm ^-2 mrad ^-2 par 0,1 % de bande passante à 1 MeV. Ce résultat de recherche offrira de nouvelles avenues en physique et en ingénierie tant fondamentale qu'appliquée.

Les sources lumineuses de rayons gamma à haute énergie sont polyvalentes pour de vastes domaines d'applications, dont la recherche fondamentale en astrophysique, physique des particules et nucléaire, ainsi que l'imagerie haute résolution. Les chercheurs peuvent améliorer ces applications avec des sources de rayons gamma compactes à faible divergence, courte durée d'impulsion, haute énergie, et une brillance de pointe élevée. Alors que les synchrotrons et les lasers à électrons libres à rayons X (XFELS) largement utilisés peuvent fournir des impulsions de rayons X avec une brillance maximale, ils sont limités à de faibles énergies de photons. La taille et le coût de telles structures de recherche peuvent également limiter leurs applications régulières. Les chercheurs ont donc rapidement développé des accélérateurs laser-champ de sillage compacts (LWFA) au cours des deux dernières décennies pour offrir une approche radicalement différente pour piloter l'accélération et le rayonnement de particules à haute énergie à une échelle beaucoup plus petite. Les progrès continus dans le domaine de la technologie laser à ultra-haute puissance permettront des sources gamma brillantes à haute énergie. Bien que les scientifiques aient fait des efforts considérables pour développer des sources de photons avancées, il n'existe pas actuellement de méthode alternative pour atteindre le pic de brillance des sources de rayons gamma par rapport au niveau de XFEL.

Schéma physique

Dans ce travail, Zhu et al. a introduit une stratégie efficace pour produire des rayons gamma à brillance extrêmement élevée avec des énergies de photons allant jusqu'à GeV. Ils ont développé la configuration sur un LWFA (accélérateur de champ de sillage laser) à deux étages, entraîné par une seule impulsion laser multi-PW. Au cours de la première étape, ils ont utilisé un plasma de densité moyennement faible pour produire un faisceau d'électrons de plusieurs GeV avec un rendement énergétique élevé d'environ 40 %. Au cours de la deuxième étape, ils ont utilisé un plasma de densité relativement élevée pour produire un rayonnement gamma dans la gamme MeV à GeV avec une efficacité de plus de 10 pour cent. Le nombre de photons résultant, efficacité énergétique, la brillance et la puissance maximales étaient de plusieurs ordres de grandeur supérieures à toutes les sources existantes à base de LWFA, ouvrant la voie pour faciliter les rayons gamma de haute brillance dans divers domaines scientifiques et technologiques avec une énergie photonique dans la gamme de MeV à GeV.

Afin de dépasser les limites existantes, Zhu et al. ont proposé un schéma en deux étapes qui combinait les avantages d'une accélération efficace des électrons dans un LWFA de faible densité et d'une émission efficace de photons à partir d'électrons énergétiques dans un LWFA de densité relativement élevée. Les scientifiques ont utilisé un canal plasma pour guider le laser à haute puissance. Au cours de la première étape, Zhu et al. auto-injecté les électrons du plasma, qui a accéléré dans la bulle de plasma, excité par l'impulsion laser multi-PW qui s'est propagée dans un plasma sous-dense. Le faisceau d'électrons à faible divergence et multi-GeV qui en résulte a atteint une densité de faisceau élevée proche de la densité de plasma critique (10 ²¹ cm ^-3 ) et une efficacité de conversion d'énergie laser-électron allant jusqu'à 40 %. Au cours du deuxième état, l'impulsion laser s'est propagée dans le plasma de densité relativement élevée et a résulté en une bulle de plasma rétrécie à mesure que la densité augmentait. La résultante, de grands champs électromagnétiques quasi-statiques autour du faisceau d'électrons ont émis un faisceau collimaté de rayons gamma avec des énergies photoniques au niveau du GeV.

Comme les champs électromagnétiques quasi-statiques étaient suffisamment élevés, la réaction du rayonnement et les effets quantiques dans le système ont joué un rôle important lors de l'émission de photons. Les résultats ont indiqué une efficacité de rayonnement sans précédent pour les rayons gamma avec une efficacité photonique supérieure à 1 MeV. Le nombre de photons, Efficacité, la brillance et la puissance maximales des rayons gamma émis étaient de plusieurs ordres de grandeur plus élevées que les sources existantes de rayonnement bêtatron LWFA et de rétrodiffusion Compton (c'est-à-dire la diffusion d'un photon par un électron). Pour obtenir des impulsions gamma collimatées de haute énergie, la charge et l'énergie du faisceau d'électrons accéléré et des champs électromagnétiques quasi-statiques devaient être suffisamment élevées. Zhu et al. adapté la densité de plasma avec une densité modérément basse pour une accélération efficace et avec une densité relativement élevée pour un rayonnement efficace pour former une densité élevée, charge élevée, et faisceau d'électrons de plusieurs GeV.

La brillance maximale des rayons gamma a atteint le niveau XFEL (lasers à électrons libres à rayons X) pour en faire un produit prometteur, source de rayonnement à haute brillance et haute énergie pour la recherche fondamentale et les applications pratiques. Les scientifiques ont réglé les paramètres du plasma pour modifier l'énergie maximale, brillance maximale, et la puissance de rayonnement du rayon gamma émis pour illustrer l'effet de la densité du plasma sur l'émission de rayons gamma. L'équipe a montré une émission de rayons gamma plasma considérablement améliorée avec une densité de plasma accrue pour faciliter une quantité substantielle de transfert d'énergie électronique vers des photons de haute énergie. Zhu et al. optimisé davantage le système expérimental pour empêcher la saturation de la puissance de rayonnement et de l'énergie des photons.

Les scientifiques ont ensuite démontré la robustesse du schéma expérimental de rayonnement gamma avec une série de simulations pour diverses intensités laser. Les résultats ont montré que les émissions de rayons gamma devenaient plus efficaces, avec une intensité laser croissante. Lorsqu'ils ont réduit l'intensité du laser, le rayonnement gamma brillant était encore relativement efficace. Le schéma peut être largement utilisé dans les laboratoires dans un avenir proche pour ouvrir la voie à une nouvelle génération de haute efficacité, sources de rayons gamma ultra-brillantes de GeV.

De cette façon, Xing-Long Zhu et ses collègues ont abordé les limites existantes des sources de rayonnement X et gamma et ont proposé un nouveau schéma robuste. La nouvelle méthode a permis d'augmenter de plusieurs ordres de grandeur le nombre de photons, efficacité de rayonnement, brillance et puissance des rayons gamma émis. Pour y parvenir, ils ont utilisé des LWFA tout optiques à deux étages (accélérateurs laser-wakefield) pilotés par des impulsions multi-PW. Le travail facilité compact, sources de rayons gamma ultra-courts avec une brillance sans précédent dans le régime GeV. Le travail offrira des capacités uniques pour une variété de nouvelles applications dans les réactions photonucléaires, interactions lumière-matière, et comme collisionneurs de rayons gamma.

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