上海激光电子伽玛源装置教学课件

上海激光电子伽玛源装置

ShanghaiLaser-ElectronGammaSource（SLEGS）预制研究马余刚蔡翔舟重离子反应组中国科学院上海应用物理研究所ygmasinap.accaixzsinap.acOutline引言世界上现有g束线站的简介SLEGS低能(MeV)g光束线站初步设计核物理、核天体物理及其相关应用SLEGS项目预制研究实施计划总结I、引言中科院上海应用物理研究所准备在国内提出并推动下述计划，希望上级部门能予以大力支持，同时希望国内同行能共同参与这个工作。目标是建设“上海激光电子伽马源”（SLEGS），利用上海光源(SSRF)的3.5GeV电子束，用远红外激光与电子束进行Compton反散射，得到1-25MeV准单色极化g束，开展低能极化核物理、核天体物理和强g源的应用研究。该项工作将扩展上海同步辐射装置的应用领域，把核技术和核分析手段引入同步辐射装置的应用中；同时为国内开创了光核物理研究新领域，提供了一个极为难得的实验平台；也为研究激光与电子相互作用机制作了技术储备。三类光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射

低能极化或非极化射线束一直是研究核天体物理、原子核物理及相关领域强有力的探针之一，具有以下优点：1）电磁相互作用形式是已知的，能作微扰处理；2）电磁耦合作用是小的(=1/137)，使虚光子或实光子可以穿透核，探索内部硬的核心。国外新一代电子加速器和同步辐射光源已可提供极化准单色光子束，推动了光子在自由和束缚核子上的散射和反应的实验研究。康普顿背散射（BCS）方法有几个优点：采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韧致辐射小得多；BCS方法最显著的特点是通过调节激光极化度可以得到几乎100%线或圆极化度的光子，因此以光子极化度作为一个实验可观察量来开展相关实验研究有其优越性。而且，在不改变实验条件的情况下，改变激光束的极化可以很便捷地改变BCS的极化方向。准单色，可以开展精确的核结构测量，如核共振荧光激发等；II、世界上现有g束线站的简介高能g光束线

Spring-8ResultM=1.540.01GeVG<25MeVGaussiansignificance4.6sQ+Q++C(n/p)K-K+(n/p)Cuts: nofK+K- norecoilp(gnonly) MissingmassfornPRL91,012019(2019);SCIcitation:177M=155510MeV<26MeV7.8sCLAS/JLABResultsPhys.Rev.Lett.91,(2019)252019M=15425MeV<21MeV5.2sg(2-3GeV)d→pK+K-

ng(3-5.47GeV)+p→nK+K-p+Phys.Rev.Lett.92,(2019)032019低能g光束线日本ETL(电子技术实验室):1-20MeV,能量分辨1-4%，强度104-105s-1的射线束美国Duke大学：自由电子激光实验室(DFELL)建造了一个核物理装置HIGS(高强度伽玛源)。5.0-200MeV、准单色的、100%线极化的高强度g射线束．日本大阪大学:计划在Spring-8上利用远红外激光产生MeV量级射线束(5-35MeV)筹建的SLEGS装置：(1-25MeV).由于g射线的能量强烈地依赖电子能量，因此SLEGS在获得低能方面有其独到优点，比Spring-8更易利用准直法获得准单色的低能MeV量级射线束。强度高于ETL.III、SLEGS低能(MeV)g光束线站初步结构正在建设中的上海光源(SSRF)具有低发射度、小束团尺寸、高流强和低色散度等特点。它由20个DBA标准单元组成，全环为镜象对称的10超周期结构。电子束能量为3.5GeV，仅次于日本Spring8、美国APS和欧共体ESRF。SSRF的几个主要设计参数如下表。运行能量GeV3.5环周长m396自然水平发射度ex0nmrad11.8束流流强：多束团（单束团）mA200300单元数目20直线节：长度数目m7.24105.010自然能量发散度9.2310-4自然束团长度(rms)smm4.59二、SLESG工作原理产生BCS伽马光子SLEGS装置的结构草图用几百瓦的高功率CO2激光器作为光泵的分子气体激光器，可以得到波长为几百mm、输出功率为几瓦的远红外激光。激光类型激光(平均输出功率2-5W)g射线性质波长(mm)能量(eV)最大能量(MeV)强度(s-1)CO2分子气体激光器10.60.11721.9108－101065.10.01903.581000.01242.332200.00561.06注：假定激光与电子束在DBA标准单元的色散区直线节内最佳几何交叉条件下进行对撞，电子束流强为200mA，在作用区中心位置sx和sy均为0.1mm，激光腰的半径为0.5mm，平均输出功率2W。储存环动力学孔径为1%，即产生能量小于35MeV的g光子时，不引起电子束电子损失，即可寄生运行。IV、产生低能光束线的性质SLEGS低能BCS光子束主要特点：强度和极化度高，单色性和方向性好，另外它还有ns脉冲时间结构，它提供了可用来开展基础研究和应用研究的高品质g射线束。1)

由于光子能量与散射角之间有确定的对应关系，可用准直器得到准单色的g射线。2)g射线在单位能量单位时间的强度~107MeV-1s-13)光束有良好方向性，发散角约0.15mrad。4)能量大于3/4最大能量的光子，其极化度在85%以上。低能光束线在核物理、核天体物理等领域的应用1)

MeV量级的极化束在核物理中的应用l

光核反应截面的精确测量l

利用核共振荧光(NRF)进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量l

高同位旋核的结构研究，如系统性的核的巨共振研究2)

在核天体物理中的应用l

进行天体演化中某些基本核反应的库仑俘获截面的精确测量3)

相关应用研究l

癌症肿瘤治疗、照相成像、活化分析、正电子束产生4)

储存环束流的在线监测(能量,发散度,极化度)V、在核物理、核天体物理及其相关应用1、采用库仑离解方法研究辐射俘获反应：

某些核反应截面的知识是解释大爆炸、恒星演化或超新星爆炸的关键，人们需要在相应于天体物理温度（即非常低碰撞能时，恒星内部核燃烧温度在107~0.5×109K内，对应的热运动能量仅为1~450KeV）的截面。 由于库仑位垒抑制了感兴趣的反应截面，进行这样碰撞能非常低、截面非常小的实验测量通常非常困难。 迄今为止，天体物理（特别恒星内部核燃烧）所采用的核反应截面几乎都是由高能范围（E>1~10MeV或更高）核反应实验曲线向低能范围外推而求得的。由于许多原子核的低激发共振能级尚未知晓，这种外推结果往往不可靠。

例如：由于1982~1984年间实验发现16O的两个阈下共振能级以及某些能态间的相干作用，使得对大质量恒星演化极为关键的核反应12C+a→16O+g的截面值发生了几倍的变化（可能3~5倍），但至今仍未定论。 利用库仑离解方法可以实现这一测量：天体中感兴趣的反应过程为b+c→a+g，利用测量时间反演反应a+g→b+c+Q来代替直接测量。 利用细致平衡原理，可获得天体物理中感兴趣的恒星温度时反应截面和反应率，同时具有较大反应截面和分解（breakup）运动学灵活性的优点。库仑离解方法图解： 举出几个感兴趣的辐射俘获反应:从14N到Mg轻核a俘获反应的研究直接相关大质量的氦燃烧核中的弱s过程分量中g的产生。如在恒星温度时对18O(a,g)22Ne、22Ne(a,g)26Mg低能反应的精确测量对研究在恒星氦燃烧条件时中子通量非常重要。15N(a,g)19F和19F(p,g)20Ne反应研究：质量1~8M0恒星的后阶段各种氢、氦和碳燃烧带中核合成中，观察到19F丰度由来仍是未知。一种可能是在AGB星中氦燃烧壳的热脉冲中通过18O(p,a)15N(a,g)19F反应合成，上述实验对研究19F在热脉冲产生和消耗预言提供有用数据。4He(an,g)9Be反应是天体物理中一个关键过程，除可进行9Be直接光子分解研究，9Be上述库仑离解实验也是值得做的。因为实验室中不能以直接方式获得双中子俘获反应情况，考虑用库仑离解率来研究(n,g)和(2n,g)俘获反应也很有意思。要了解恒星中氦燃烧过程和碳氧比，必须得到相应能量(300KeV)的12C(a,g)16O反应数据。此能量截面估计值约10-8nb，实验室无法测量。实验上已获得最低能量为1.2MeV的截面值，必须通过外推到300KeV，外推主要误差来自a粒子能量在1MeV附近许多共振对截面的贡献。为解决这个问题可采用~8.3MeVBCS极化g束，产生1MeVa粒子，通过逆反应进行研究。

B2FH理论描述p过程核的形成有两个可能机制：在热丰质子环境中质子俘获或热环境中光子诱发的r-过程中的光致蜕变。r-过程典型参数是温度2≤T9≤3。Ⅱ类超新星的富氧和富氖层似乎是发生r-过程一个好的地点，但没有定论，由于缺少在天体物理能量处r-诱发反应的截面和反应率实验数据。目前除一些p过程核(n)数据和Zr及Mo少量(p,g)反应率外，几乎没有实验数据。70Ge和144Sm仅有两个(a,g)值，而且144Sm(a,g)发现与过去计算明显不符。首先应在稳定同位素上进行新的测量，优先在靠近中子和质子幻数核上，因为在那里应用统计模型通常特别困难。为达到这个目的，g射线活化技术证明是在合理时间和开支下，收集大量数据的有效工具，更简单、灵敏度更高。2、低能光核反应截面的直接测量(g,n)、(g,p)和(g,a)：利用核共振荧光(NRF)进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量通过极化的低能准单色射线，还可以研究核激发态的宇称测量。DUKE大学用5－6MeV的高强度极化的低能准单色射线，能用很短的束流时间确定激发态的宇称。Phys.Rev.Lett.88,12502(2019);Phys.Rev.Lett.78,4569(2019);高同位旋(N/Z)核的结构研究高同位旋的物理是当今核物理发展的一个主要方向。如中子晕的发现。另外，发现了中子皮与核芯的矮共振。可以用低能准单色射线来系统研究不同同位旋核的矮共振的系统学。Phys.Rev.Lett.93,192501(2019);Phys.Rev.Lett.89,272502(2019);Phys.Rev.Lett.85,274(2000)奇异核的反应总截面比相邻核素有很大增强。碎片横向动量分布非常小。例：巨共振区中18O光子吸收截面中精细结构高分辨测量(利用ETL的LCP束)VI、SLEGS项目预制研究计划1、开展上海激光电子伽玛源（SLEGS）的预制研究，完成在上海光源大科学装置上建立低能MeV量级g束线站的物理设计报告2、完成SLEGS所需的分子气体激光器、激光反馈控制系统、g射线探测系统等关键部件的研制工作3、与大阪大学合作，参与在Spring-8上完成低能g束线的建设，并首先开展核天体物理中两个重要的辐射俘获反应的实验测量，为将来在SLEGS上开展基础和应用研究做前期的科学研究准备4、在束线站未立项之前可开展远红外激光从前端区入射到相互作用点的传输、聚焦以及光子产生率、剖面等的理论研究，同时对利用极化g束线发展的实验方法，如快—慢正电子、极化正电子源等可进一步探讨。关键部件的研制远红外专用激光器的研制：采用高功率CO2混合气体激光器作为光泵，驱动各种介质的气体分子激光器，可以得到波长范围在几十～几百mm之间的远红外激光。

要解决的关键问题：研制气流式的CO2混合气体激光器，通过试验找到最合适的混合气体组成，能够同时产生多个远红外激光波长。实际建立光束站所需要的分子气体激光器功率很高，现有经费不足于建立此系统。因此我们计划首先研制功率相对较低的分子气体激光器，选定混合气体的比分，并调试该波长激光的聚焦和引入的光学系统。同时建立远红外激光测试系统，监测分子气体激光器产生的激光波长。

激光引入相互作用区和反馈监测系统的研制：因为远红外激光的波长很长，聚焦情况的好坏和稳定性对产生光束的通量影响很大。为此激光同电子相互作用以后，由激光监测系统收集，通过系统的反馈对聚焦情况进行调节，以得到最优化的光能谱。完成以上研制以后，在条件许可下，我们计划尝试在应用物理所已建成的100MeV直线电子加速器上，进行初步的系统性测试。将相对功率较低的远红外激光引入同相对论电子相互作用，测量产生光的能谱和空间分布。重点在于优化激光引入相互作用区的光路图、激光的聚焦和调焦、激光电子相互作用点的调节。通过调试摸索一些经验应用于将来的低能光束线站的研制。具体的经费安排：CO2混合气体激光器光泵＋分子气体激光器 30＋30万两个激光器所需要的气体及气路控制系统 10万激光引入和聚焦的光路系统（包括金刚石窗等）20万激光反馈控制系统 20万束流位置监测系统、能谱仪（包括信号引出）30万电子学插件 20万测量光能谱的多道（8192）数据获取系统15万光引出的束流管道、真空系统及支架、准直器10万激光实验室建设，探测器实验室建设 20万参与国外合作研究的人员差旅费和部分材料费40万科研业务