Плазменная линза обеспечила пиковую яркость гамма-лучей свыше 10^28 единиц

Физики из Чжэцзянского университета и Шанхайского университета Цзяотун рассчитали метод генерации сверхъяркого гамма-излучения с помощью механизма радиационного всплеска при быстром пинче пучка, сообщает журнал Research doi.orgResearchdoi.orgОткрыть источник ↗. В концепции электронный пучок с энергией порядка нескольких гигаэлектронвольт инжектируется в плазму длиной 400 микрометров с нарастающим профилем плотности. Это вызывает резкое поперечное сжатие пучка и испускание коллимированного гамма-излучения с энергией фотонов от мегаэлектронвольт до гигаэлектронвольт и пиковой яркостью выше 10^28 фотонов·с^-1·мм-2·мрад^-2 на 0,1% полосы пропускания.

Динамика сжатия пучка

В представленной схеме плазма с нарастающей плотностью работает как плазменная линза для пучка электронов с энергией 5 ГэВ и зарядом порядка нанокулона. По мере продвижения пучка поперечная фокусирующая сила непрерывно растет, сжимая его до диаметра около 0,2 микрометра. Плотность электронов увеличивается в сотни раз, за счет чего пучок возбуждает поперечные кильватерные поля напряженностью до десятков теравольт на метр. В результате квантовый параметр системы превышает 0,2, переводя процесс в радиационно-доминирующий режим с предельной энергией излучаемых квантов свыше 2 ГэВ.

Параметры излучения и эффективность

Эффективность преобразования энергии электронного пучка в гамма-излучение составила 31% в базовом сценарии и до 46,3% при оптимизированных параметрах, тогда как в однородной плазме этот показатель составляет около 0,3%. Полученный импульс характеризуется размером пятна около 0,2 микрометра, расходимостью около 3 миллирадиан, длительностью порядка 5 фемтосекунд и выходом 1,8×10^10 фотонов на энергии 1 МэВ. Пиковая яркость источника оказалась на несколько порядков выше существующих аналогов.

Авторы подчеркнули, что схема сохраняет работоспособность при энергетическом разбросе пучка до 10% и при снижении заряда до сотен пикокулон doi.orgResearchdoi.orgОткрыть источник ↗. Профиль плазмы с нарастающей плотностью может создаваться лазерным предимпульсом на тонких твердотельных мишенях или сверхзвуковыми газовыми струями, что позволяет протестировать модель на существующих лазерных и ускорительных установках.