CN112539848B - 一种超快伽马射线脉宽探测装置 - Google Patents
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Abstract
一种超快伽马射线脉宽探测装置，包括磁谱仪、转换靶、薄片、渡越辐射传输镜组及探测装置；沿伽马射线的入射方向，依次放置所述的磁谱仪、转换靶和薄片，垂直于伽马射线方向及薄片的侧方，放置渡越辐射传输镜组及探测装置。本发明将激光驱动产生的超快伽马射线转换为康普顿散射电子束，这一转换使得测量伽马射线脉宽转换为测量电子束团的脉宽，后者有多种方法可以探测。比如通过探测渡越辐射的频谱可以推出散射电子束的脉宽，进而得到伽马射线的脉宽。用于测量多种机制(轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等)产生的伽马射线的脉宽。该装置可以通过一次测量获得伽马射线脉宽。
Description
技术领域
本发明涉及激光等离子体物理及伽马射线的测量，具体是强场激光驱动的超快伽马射线的脉宽(ps-fs)探测装置。
背景技术
诺贝尔物理学奖获得者G.Mourou发明的啁啾脉冲放大技术将激光的峰值功率提高到前所未有的程度。最近几年，国内外的激光装置纷纷突破拍瓦(1PW＝1015W)极限，并逐渐推进到10拍瓦峰值功率，例如欧盟的ELI、法国的Apollon、英国的Vulcan等。而位于上海张江的超短超强激光装置SULF率先实现了10PW最高峰值功率输出，并正在建设100PW超强激光装置。可以预见，激光的聚焦强度将达到1023W/cm2甚至更高，单个飞秒激光的总能量达到300J，同时激光重频技术也将得到极大发展。超强激光科学装置的发展将显著促进基于激光与物质相互作用的质子束、电子束和伽马射线源的产生和应用拓展。
相对论激光脉冲可以加速产生几十MeV到数GeV的高能电子束。高能电子束可以通过轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等多种机制产生伽马射线；强场激光与等离子体相互作用进入辐射主导区时(10PW级激光)，电子在激光场中运动时就可产生极强的伽马辐射。基于相对论强场激光产生的伽马射线源通常也具有超快特性，一般小于皮秒量级，同时具备有很高的亮度。因此可以实现超快探测(如运动时间尺度为飞秒量级的原子核动力学过程)、瞬时高曝光亮度、次级粒子源亮度增强、超快次级粒子产生。对于激光驱动伽马射线源和次级粒子源而言，为了获得更高的亮度，需要降低粒子束脉宽和空间发射度。因此，为了满足伽马脉冲飞秒测量精度的需求，超快伽马射线的脉宽测量方法极其重要，也是目前激光驱动粒子加速领域研究的热点和难点。
目前，基于超强激光的伽马射线源的脉冲宽度尚未得到精确测量。超快伽马射线的脉宽都是根据高能电子束的脉宽甚至激光的脉宽推断，此时假设三者的脉宽是基本一致的。这种判定虽然简单，但是却无法得到伽马射线准确的脉宽，影响对伽马射线源的精确评估、并限制进一步研究和应用。因此很有必要发展新方法实现对超快伽马射线脉宽的测量。
先技术[1](Taira Y,Adachi M,Zen H,et al.Pulse width measurement oflaser Compton scattered gamma rays in picosecond range[J].NuclearInstruments&Methods in Physics Research Section A-accelerators SpectrometersDetectors and Associated Equipment,2012:233-237.)用于探测基于传统加速器的康普顿散射光源脉宽，其脉宽一般在数十皮秒，实验上采用切伦科夫辐射测量伽马射线脉宽，受限于探测器的时间分辨率，一般只能到数皮秒，若需要测得的亚皮秒量级脉宽，要采用飞秒条纹相机，成本昂贵，且无法实现小于数百飞秒的脉宽探测。
发明内容
本发明的目的在于克服在上述现有测量技术的不足，提出一种超快伽马射线脉宽探测方法，实现超快伽马射线的脉宽测量，脉宽测量范围可以从皮秒到飞秒。该发明可以实现超快伽马射线脉宽的精确测量，且动态范围大，使用灵活。
本发明的技术解决方案如下：
一种超快伽马射线脉宽探测装置，包括磁谱仪、转换靶、薄片、渡越辐射传输镜组及探测装置；沿伽马射线的入射方向，依次放置所述的磁谱仪、转换靶和薄片，且薄片与伽马射线入射方向呈45度倾斜放置，在薄片侧方且与伽马射线出射方向垂直处放置所述的渡越辐射传输镜组及探测装置。磁谱仪放置在伽马射线源正后方，使伽马射线入射并穿过该磁谱仪的中心。转换靶为低Z毫米靶，保证伽马射线到电子的转换效率，同时防止脉宽展宽过大。渡越辐射传输镜组及探测装置用于测量渡越辐射的频谱信息，通过辐射谱计算电子脉宽和伽马射线的脉宽，适用于皮秒到飞秒的脉宽探测。
与在先技术相比，本发明的技术效果如下：
1.本发明将激光驱动产生的超快伽马射线转换为康普顿散射电子束，通过测量散射电子渡越辐射的频谱可以推出散射电子束的脉宽，进而得到伽马射线的脉宽。
2.动态范围大，量程可变，可以实现皮秒到飞秒的超快伽马射线宽动态范围脉宽探测。
3.用于测量多种机制(轫致辐射、逆康普顿散射、回旋辐射等)产生的伽马射线的脉宽。
4.使用灵活，且可以通过单次测量获得伽马射线脉宽。
附图说明
图1为本发明超快伽马射线脉宽探测装置的结构示意图。
图2为基于光谱仪方法的脉宽探测示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述优点能明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。需要说明的是，本发明不应局限于下述的具体实施的内容，本领域的技术人员应该从下述实施方式所体现的精神来理解本发明，各技术术语可以基于本发明的精神实质来做最宽泛的理解。
先请参阅图1，图1为本发明超快伽马射线脉宽探测装置的结构示意图，由图可见，一种超快伽马射线脉宽探测器包括磁谱仪3、转换靶4、薄片5、渡越辐射传输镜组及探测装置6。其位置关系是：激光1与靶2相互作用，通过轫致辐射、康普顿散射等多种方式加速各种高能粒子(电子、离子、伽马射线等)201。沿激光传播方向放置所述磁谱仪3。混合高能粒子束经过所述磁谱仪3时，带电粒子束(电子、离子等)偏转开来，伽马射线202继续沿激光方向传播。所述伽马射线202入射到所述低Z转换靶4后经过康普顿散射过程产生高能电子401，所述电子401入射到所述薄片(如铝箔)5，产生渡越辐射501。所述渡越辐射501入射到所述渡越辐射传输镜组及探测装置6，测量渡越辐射的频谱信息，通过辐射谱可以计算得到电子脉宽，进一步计算得到伽马射线的脉冲宽度。渡越辐射探测装置包括电光采样探测器、多通道热释电探测器、可见光及红外光谱仪等，探测波段覆盖数百nm-几个mm，对应脉宽从fs-ps。
本发明实施例(图2)：激光1与喷嘴204喷出气体靶203相互作用产生电子205，入射到高Z靶206上产生伽马射线202，然后与剩余电子一起入射到磁谱仪3。经磁谱仪3偏转后，只有伽马射线202继续沿着激光方向传播。其后，伽马射线202与转换靶4相互作用产生次级康普顿散射电子401。散射电子401经过薄片5产生渡越辐射501，通过透镜601和反射镜602传输进入光谱仪603。进一步经过光谱仪603分光，通过三个出口，分别入射到可见光相机(小于900nm)604、红外相机(900nm-2000nm)605以及MCT(碲镉汞)探测器(2μm-20μm)606，探测波段涵盖可见光到20微米，实现数十飞秒到飞秒的脉宽探测。
上述实施例仅为本实用发明的优选实施例，并非限制本发明的保护范围，本发明可以做各种更改和变化，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，包括磁谱仪(3)、转换靶(4)、薄片(5)、渡越辐射传输镜组及探测装置(6)；
沿伽马射线的入射方向，依次放置所述的磁谱仪(3)、转换靶(4)和薄片(5)，且薄片(5)与伽马射线入射方向呈45度倾斜放置，在薄片(5)侧方且与伽马射线出射方向垂直处放置所述的渡越辐射传输镜组及探测装置(6)；
将激光驱动产生的超快伽马射线转换为康普顿散射电子束，测量散射电子渡越辐射的频谱，通过辐射谱推出散射电子束的脉宽，进而得到伽马射线的脉宽。
2.根据权利要求1所述的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的磁谱仪(3)放置在伽马射线源正后方，使伽马射线入射并穿过该磁谱仪的中心。
3.根据权利要求1所述的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的转换靶(4)为低Z毫米靶，保证伽马射线到电子的转换效率，同时防止脉宽展宽过大。
4.根据权利要求1所述的超快伽马射线脉宽探测装置，其特征在于，所述的渡越辐射传输镜组及探测装置(6)包括透镜(601)、反射镜(602)、光谱仪(603)、可见光相机(604)、红外相机(605)和碲镉汞探测器(606)；渡越辐射(501)经过透镜(601)准直后通过反射镜(602)反射进入光谱仪(603)，经光谱仪(603)分光后通过三个出口，分别入射到可见光相机(604)、红外相机(605)以及碲镉汞探测器(606)；探测波段涵盖数百纳米到20微米，实现数十飞秒到飞秒的脉宽探测。
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