强激光把电子加速到接近光速,再让它打一块“排好队”的晶体。γ射线、正电子、中子产量,比打普通靶提高约一倍。γ射线还更集中,能谱更窄。
传统加速器靠射频腔给电子“加油”,想上高能就得修长,几公里甚至几十公里。
激光尾场换思路:强激光打进等离子体,像快艇拖出尾波,电子进去冲浪。几厘米,就能把电子加速到几百兆电子伏,甚至几个吉电子伏。这就是LWFA。
加速完只是前半程,还得让电子打靶。
普通靶转换效率低。想多产就加厚。靶一厚,电子乱撞发热,容易烧坏,粒子方向散、能谱宽。
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普通靶像乱树林,撞哪棵算哪棵;晶体靶像整齐柱廊,电场有节奏推着电子摇摆、发光。这叫沟道辐射和相干轫致辐射。
效果:光子更多、方向更集中、能谱更窄。薄金刚石晶体还能产生准单色、可调γ射线,相当于把“白光”变“单色光”。
上海光源、欧洲ESRF、美国LCLS、日本SACLA,都是公里级庞然大物,机时永远紧张。
LWFA从2004年做出准单能电子束后快速发展,电子能量已从100兆电子伏推到约10吉电子伏。美欧日都在押注。
晶体靶也不新。CERN有UA9实验,意大利、日本、美国研究晶体相干辐射。
激光尾场加速,中国在第一梯队。上海交大、中科院物理所、国防科大、北大、清华都有布局。2021年,上海交大等团队在《自然》发表基于LWFA的自由电子激光,27纳米出光。这是国际首次用紧凑路线做出自由电子激光。
装置上,神光、羲和等强激光平台,硬件不差。
晶体靶方面,兰州大学、中科院高能所等有长期积累。
γ射线、正电子、中子,过去只有大设施能稳定提供。以后,大学实验室、医院、企业研发中心也可能有一台。
应用很实在:γ射线做辐照测试、无损检测;正电子查材料缺陷;中子做成像、活化分析、同位素生产。
这更是一场“能力下放”的竞争。谁先做成可靠产品,谁就在核技术、医学、材料、航空航天多一张牌。
困难也明摆着:热管理、靶寿命、重复频率、束流稳定性,个个是硬骨头。
但方向已经清楚:把大型设施的能力装进一间小屋。中国团队,已经在跑。
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