马文君课题组与合作者发表X射线脉冲光源重要研究进展

北京大学物理学院重离子物理研究所、核物理与核技术国家重点实验室马文君研究员课题组与北京大学物理学院颜学庆教授、韩国基础科学研究院相对论激光科学中心南昌熙（Chang Hee Nam）教授团队和中国工程物理研究院激光聚变研究中心等合作，利用碳纳米管构筑出新型靶材体系，在超强激光照射下，通过高能电子在微米尺度的回旋运动与非线性逆康普顿散射，产生了峰值亮度可媲美大型同步辐射光源的飞秒X射线光源，将该类脉冲光源的能量转换效率提高了两个数量级。该研究成果以《来自碳纳米管等离子体的飞秒激光驱动高亮度硬X射线脉冲》（“Brilliant femtosecond-laser-driven hard X-ray flashes from carbon nanotube plasma”）为题，于2022年12月15日在线发表于《自然·光子学》（Nature Photonics）。

当前广泛应用于各个学科的同步辐射光源是使用宏观尺度的强磁场扭摆大型加速器产生的高能电子获得的。超强飞秒激光的出现，为高亮度X射线光源的发展提供了新的可能性。研究者发现，当这样的激光入射到由稀薄气体形成的等离子体中，可以驱动其中电子的集体运动，将少量电子在几毫米距离内加速至接近光速，产生高亮度X射线。基于这种激光尾波场加速方法的台面式同步辐射光源和X射线自由电子激光的可行性已被实验证实。然而，目前这类光源从激光到X射线的能量转化效率非常低，仅有10-7—10-5，极大地限制了它们的应用领域与发展前景。

马文君课题组及其合作者，利用碳纳米管构筑了具有三维纳米网络结构的新型靶材，采用完全不同的方案来加速电子及产生辐射。当拍瓦级（1PW=1015W）的飞秒激光在其中传播时，大量来自碳纳米管的电子在光场中被直接加速至百兆电子伏特以上，并被上万特斯拉的自生磁场所束缚，以微米尺度的回转半径做类同步辐射运动，发射大量X射线。此外，他们还在碳纳米管靶后放置厚度仅为数十纳米的类金刚石薄膜，用来反射穿过靶体的激光，通过反射光与前冲电子的逆康普顿散射来产生更高能的光子。联合团队通过这两种机制，从激光到X射线的能量转化效率被成功提升到了10-3量级。在30keV到1MeV的能谱区间内（图a），观测到了超过1010光子/焦耳激光能量的硬X射线产额（图b）。


图a：此工作（红色曲线）获得的光子亮度与现有的X射线光源的对比。其中Spring8是位于日本兵库县播磨科学城的目前电子能量最高的同步辐射光源；图b：此工作所处于的参数区间及单位激光能量的光子产额对比

这种高亮度X射线脉冲光源具有非常大的照射野，可实现对大体积样品的飞秒皮秒尺度瞬态成像与物性研究，在极端条件物性研究中有着重大的应用潜力。研究团队在论文中的理论与模拟工作表明，如采用即将投入使用的功率更高的10拍瓦激光作为驱动源，产生的伽马光子平均能量可达MeV以上，能量转换效率可超过1%。这种高亮度高产额伽马射线源，将为光核物理研究提供新的工具，也会为核素荧光探测、核废料处理等应用提供新的可能性。

北京大学物理学院博士后寿寅任（北京大学物理学院博士毕业生）为该文第一作者，马文君与南昌熙为共同通讯作者。其他主要合作者还包括颜学庆、中国工程物理研究院激光聚变研究中心周维民研究员、加利福尼亚大学尔湾分校Toshiki Tajima教授等。

相关研究工作得到国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金创新研究群体项目及北京激光加速创新中心等平台支持。