上海激光电子伽玛源装置 Shanghai Laser-Electron Gamma Source （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 [email protected] [email protected] Outline I. II. III. IV. V. VI. 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g光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射 低能极化或非极化g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g光子束， 推 动了光子在自由和束缚核子上的散射 康普顿背散射（BCS）方法有几个优点： 和反应的实验研究。 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 g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；
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上海激光电子伽玛源装置 Shanghai Laser-Electron Gamma Source （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 [email protected] [email protected] Outline I. II. III. IV. V. VI. 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g光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射 低能极化或非极化g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g光子束， 推 动了光子在自由和束缚核子上的散射 康普顿背散射（BCS）方法有几个优点： 和反应的实验研究。 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 g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 光子束性能 装置 产生方法 能量(MeV) 强度 (10 s MeV-1) 极化 3 -1 德国 MAMI/Mainz ē Brem. coh.Brem. 140-800 -400 50 circular ~0.8 linear ~0.4 德国 ELSA/Bonn ē Brem. coh.Brem. 500-2400 -1.2 10 5 circular ~0.3 linear ~0.4 美国 CEBAF ē Brem. coh.Brem. 300-2300 -1800 50 2 circular ~0.8 linear ~0.4 俄罗斯 ROKK-1M/VEPP-4M[6] Compton -1600 1 both ~1 美国 LEGS/NSLS Compton 180-320 280-470 33 both ~1 欧洲 GRAAL/ESRF Compton 550-1470 1 both ~1 日本 LEPS/Spring8 Compton 1500-2400 1 both ~1 * 中国 SLEGS/SSRF Compton 200-870 10 both ~1 Spring-8 Result Q+ g+ C(n/p) K- K+ (n/ p) Cuts: no fK+Kno recoil p (gn only) Missing mass for n Q+ M = 1.540.01 GeV G < 25 MeV Gaussian significance 4.6s PRL 91, 012002 (2003); SCI citation: 177 CLAS/JLAB Results g (2-3GeV) d p K+ K- n g (3-5.47 GeV)+p n K+ K- p+ M = 15425 MeV G< 21 MeV 5.2 s M = 155510 MeV G < 26 MeV 7.8 s Phys.Rev.Lett.91, (2003) 252001 Phys. Rev. Lett. 92, (2004) 032001 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g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g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g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g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 环周长 自然水平发射度 ex0 束流流强：多束团（单束团） GeV 3.5 m 396 nmrad 11.8 mA 200300 单元数目 直线节：长度数目 20 m 自然能量发散度s 自然束团长度 (rms) ss 7.2410 5.010 9.2310-4 mm 4.59 二、SLESG工作原理 产生BCS 伽马光子SLEGS装置的结构草图 0 = 0.5mm IV、产生低能光束线的性质 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(平均输出功率2-5W) g射线性质 激光类型 CO2分子 气体激光 器 注： 波长(mm) 能量(eV) 最大能量(MeV) 10.6 0.117 21.9 65.1 0.0190 3.58 强度(s-1) 108－1010 100 0.0124 2.33 220 0.0056 1.06 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。 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-1 3) 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g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、g照相成像、g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 + →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。 库仑离解方法图解： 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。 举出几个感兴趣的辐射俘获反应: 从14N到Mg轻核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(,g)22Ne、22Ne(,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(,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,)15N (,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(n,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(,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1MeV 粒子，通过逆反应进行研究。 2、低能光核反应截面的直接测量(g,n)、(g,p)和(g,) ： 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(ng)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(,g)值，而且 144Sm(,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。 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g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g射线，能用 很短的束流时间确定激发 态的宇称。 Phys. Rev. Lett. 88, 12502 (2001); Phys. Rev. Lett. 78, 4569 (1997); 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g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 (2004); Phys. Rev. Lett. 89, 272502 (2002); 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g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g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g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g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g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g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 g束流位置监测系统、g能谱仪（包括信号引出） 30万 电子学插件 20万 测量g光能谱的多道（8192）数据获取系统 15万 g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，g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 科研业务费 10万 劳务费、科研管理费 45万 总计：300万元 进度安排 05年: 参与Spring－8的光束线建设，完成一项 实验 ,激光器的准备，开始物理设计报告 06年: 整套SLEGS系统的研制，完成另一项实验 Spring－8的实验，细化物理设计报告，并提出 申请 07年: 争取在100MeV直线电子加速器上产生伽 马光的试验，积累优化极化伽马光的调试的经验。 VIII、总结： 产生方式: 激光光子和高能电子发生康普敦背散射 电子束特性: 3.5GeV, 200mA 激光系统: 远红外激光 低能g光子束性质: 1~25MeV,107-108s-1,100%线或圆极化, 准单色g-ray 科学目标: 核物理、核天体物理及相关应用研究 Thanks! SLEGS Experimental Collaboration Y.G.Ma, X.Z.Cai, W.Q.Shen, W.Guo, J.H.Gu, D.Q.Fang, C.Zhong, W.D. Tian, J.G.Chen, Y.B.Wei, Shanghai INstitute of Applied Physics, CAS Spring-8上低能g束线站建设取得的一些结果： 远红外激光系统 远红外激光的特性 远红外激光的传输系统 MeV-g光束线的产生率 远红外激光的稳定性