佟 帅，杨 志，舒晓芳，刘世炳

(北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124)

激光尾场中Betatron振荡产生X射线的研究进展

佟 帅，杨 志，舒晓芳，刘世炳

(北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124)

增强激光尾场中betatron振荡产生的X射线强度的新方法已成为目前研究的热点。在剖析激光尾场电子加速 (LWFA)中产生X 射线的研究现状的基础上，探索了增强betatron X射线强度的方法，介绍了激光尾场中betatron振荡产生X射线的研究进展。

激光尾场；空泡；betatron X射线；研究进展

自X射线辐射被发现的一个多世纪以来，因其良好的穿透性，已经被人们成功地应用在医疗和工业方面，如用来帮助人们进行医学诊断和治疗，用于工业上的非破坏性材料的检查。与此同时，X射线已经在广泛的科学研究中成为探索物质性质的最有效工具之一，科学家们将其应用于地质地理学、生物学及化学等研究领域[1]。也正是伴随这些科学研究的推进，人们对于X射线的性能要求也越来越高。历代的X射线辐射源的发展都追求更高亮度、更短波长和更短脉冲宽度的辐射。其中，基于激光和等离子体相互作用下的新型高强度X光源已成为近年的研究热点[2]。

1 X射线产生的研究现状及问题分析

目前已有的X射线源包括X射线管、碰撞电离源、极紫外(XUV)高次谐波源以及同步辐射源。其中，同步辐射源已经得到了良好的科学研究应用，尤其是在生物和凝聚态物质等研究领域[1]。

传统的同步辐射光源由于存在体积庞大、成本高昂、辐射的电磁波脉宽较长以及很难用于亚皮秒量级的泵浦探针等不足，能解决以上问题的小型X射线源受到人们的期待。目前，尽管X射线源在能量转换效率、脉宽等方面都有了大幅度的提升[3,4]，但是除了高次谐波[5]、汤姆逊散射[6]、betatron[7]辐射产生的X射线，大多数的硬X射线源都是在空间上均匀分布的。由于高次谐波和汤姆逊散射通常产生的光子数通量很低，而相对论量级能量的激光脉冲在低密度等离子体内的传输过程中可以产生准直性很好的飞秒脉宽X射线，人们开始将目光转向于更加简洁的激光台面粒子加速器来产生 betatron 辐射[8]。

Betatron X射线源是基于飞秒激光与等离子体产生的X 射线源[7]，它来自激光尾波场加速产生的电子束团，因此具有源尺寸小、飞秒量级脉宽等特点，且它的飞秒泵浦探针能力不容忽视，所以具有应用于材料科学和生物科学的良好前景[9,10]。Betatron辐射过程类似于同步辐射过程，如图1所示[11]。

图1 同步辐射源与激光尾场中betatron振荡辐射源原理对比图[11]

2 Betatron振荡产生X射线的研究进展

近代的第三代同步辐射源的原理是将高能电子引入周期性磁场分布的扭摆器或振荡器中，产生高亮度的定向辐射。而betatron振荡发生于强激光在次密度等离子体中传输，由此形成空泡(或等离子体通道)，空泡中的电子被排开引起电荷分离[3]，形成的电荷分离场使通道中的电子受到回复力的作用，电子在等离子体通道中的振荡频率与等离子体波的频率成正比，这种电荷分离场在作用上等效于外加一个振荡器或扭摆器，使电子在其中振荡，进行扭摆运动并定向地输出同步辐射。因此，betatron X 射线的特性主要取决于被加速的电子的特性，包括电子的能量、电子束的电量、以及电子在尾波结构中的波荡振幅。然而，当我们使用气体靶时，想要同时得到高的电子能量和大的电子电量通常是相互矛盾的。例如，低密度的等离子体可以提供比较长的加速距离因而得到较高的电子能量，但是同样因为其低密度，而导致了注入的电子较少，加速得到的电子束的电量较低。为了增加 betatron X射线的强度，我们可以尝试通过运用非对称倾斜波来提高注入电子的波荡振幅[12]，但这种方法往往会影响激光尾波场的结构，降低最终的电子能量。因此，提高激光尾场中betatron振荡的强度，由此来增强x射线强度的方法已成为当前的研究热点。各国的科研人员也在近几年在此领域做了大量的理论模拟与实验研究。

2002年， Pukhov和Meyer-ter-Vehn[13]利用粒子模拟方法，提出激光尾场电子加速机制——空泡机制，并使用12J、33fs的激光脉冲与密度为1019cm-3的等离子体相互作用，在该机制下产生了电子束为3×1010、能量为300MeV的电子束。

图2 激光尾场电子加速空泡机制示意图[13]

2004年，Kiselev 和 Pukhov[14]首次提出在激光尾场电子加速空泡机制中产生X射线的理论，并通过外部注入28.5Gev电子束到空泡内经过振荡的方法得到γ射线辐射。几乎同一时间， Rousse和Phuoc[15]提出了激光尾场电子加速后生成高能电子束通过离子通道辐射出KeV的X射线，如图3所示。

图3 高能电子束通过离子通道产生X射线的原理图[15]

2008年，Karoly和 Shen[16]通过模拟方法解释激光尾场电子加速空泡机制中的Betateon振荡原理，利用粒子模拟方法得到加速电子betatron振荡的轨迹，如图4所示。

图4 运用离子模拟软件得到的空泡内加速电子betatron振荡的轨迹[16]

此后，激光尾场空泡机制中betatron振荡产生X射线的研究一直以理论模拟研究为主。2009年， Wu和Xie[17]通过理论模拟的方法对激光尾场空泡机制中电子加速轨迹和betatron振荡进行研究，得出增加空泡侧面边缘电子数的方法可进一步增加加速电子数量的结论。2011年，Joana和Samuel[18]通过模拟的方法验证利用激光尾场电子加速空泡机制的betatron振荡可以成为产生低散射、高亮度X射线的实验手段。之后，人们也对激光尾场betatron X射线的相关物理参数进行了模拟计算与估算。2012年， Schnell[19]利用激光尾场betatron振荡产生的X射线对尾场加速产生的电子束的半径进行了测量和估算。2013年，杨祖华[20]对空泡机制betatron振荡产生的X射线辐射进行数值模拟，估算了辐射谱的临界能量与发散角。

随着超短超强激光脉冲技术的飞速发展，激光脉冲宽度为飞秒量级，脉冲能量在焦耳至数十焦耳之间，因此激光的脉冲功率可以达到数十太瓦甚至拍瓦量级，其聚焦之后的功率密度可以高达1018-1023W/cm2。因此，激光尾场betatron振荡产生X射线的相关实验研究也得到了极大进展。2010年，伦敦理工学院 Kneip[21]的研究团队利用激光尾场电子加速betatron振荡原理产生了台面源的高亮度空间相干X射线源，其亮度是之前等离子体扭摆器产生的X射线的1000倍。2011年，该团队应用激光尾场加速电子加速中betatron振荡产生的X射线对生物标本进行相衬成像[22]。2013年，陈黎明教授的团队[23]根据激光尾场betatron振荡原理，利用仅仅3TW的飞秒激光与气体Ar团簇相互作用，成功获得超强的betatron辐射，其中单发激光获得能量2.4keV以上的X射线光子数大于2×108/发，空间发散角～10mrad。这个结果将目前报道最好的betatron辐射的转换效率提高了约40倍。

3 结语

通过超短超强脉冲激光与靶物质相互作用，以提高电子的波荡振幅，从而增强高亮度X射线已成为研究的热点，通过在对空泡机制betatron振荡产生X射线的原理进行理论研究的基础上，对粒子模拟以寻求增加betatron X射线强度的方法是未来寻求增强激光尾场中betatron振荡产生X射线强度的新方法的重要手段。

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(责任编校：晴川)

Research Progress in X-ray Generated by Betatron Oscillation in Laser Wakefield

TONG Shuai, YANG Zhi, SHU Xiaofang, LIU Shibing

(Institute of Laser Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China)

Enhancing the intensity of X-ray generated by betaron oscillation in the laser wakefield has been a hotpot of current researches. Based on the analysis of present research condition of generating X-ray in the laser wakefield electron acceleration (LWFA), this essay explores an approach for enhancing the intensity of betaron X-ray in the laser wakefield, and introduces related research process.

laser wakefieled; bubble; betatron X-ray; research progress

2015-05-27

佟帅(1987-)，男，北京人，北京工业大学激光工程研究院硕士生.研究方向：激光尾场电子加速.

O539

A

1008-4681(2015)05-0011-03