上海激光電子伽瑪源裝置

1、上海激光電子伽瑪源裝置Shanghai Laser-Electron Gamma Source （SLEGS）預(yù)制研究馬余剛馬余剛 蔡翔舟蔡翔舟重離子反應(yīng)組重離子反應(yīng)組中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所OutlineI.引言引言II.世界上現(xiàn)有世界上現(xiàn)有g(shù) g束線站的簡介束線站的簡介III.SLEGS 低能低能(MeV)g g光束線站初步設(shè)計(jì)光束線站初步設(shè)計(jì)IV.核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用核物理、核天體物理及其相關(guān)應(yīng)用V.SLEGS項(xiàng)目預(yù)制研究實(shí)施計(jì)劃項(xiàng)目預(yù)制研究實(shí)施計(jì)劃VI.總結(jié)總結(jié)I、引言、引言中科院上海應(yīng)用物理研究所準(zhǔn)備在國內(nèi)提出并推動下述中科院上海應(yīng)用物理研究

2、所準(zhǔn)備在國內(nèi)提出并推動下述計(jì)劃，希望上級部門能予以大力支持，同時希望國內(nèi)同計(jì)劃，希望上級部門能予以大力支持，同時希望國內(nèi)同行能共同參與這個工作。行能共同參與這個工作。目標(biāo)是建設(shè)目標(biāo)是建設(shè)“上海激光電子伽馬源上海激光電子伽馬源”（SLEGS），利用），利用上海光源上海光源(SSRF)的的3.5GeV電子束，用遠(yuǎn)紅外激光與電子電子束，用遠(yuǎn)紅外激光與電子束進(jìn)行束進(jìn)行Compton反反散射，得到散射，得到1-25MeV準(zhǔn)單色準(zhǔn)單色極化極化g g束，束，開展低能極化核物理、核天體物理和強(qiáng)開展低能極化核物理、核天體物理和強(qiáng)g g源的應(yīng)用研究。源的應(yīng)用研究。該項(xiàng)工作將擴(kuò)展上海該項(xiàng)工作將擴(kuò)展上海同步輻射裝置的

3、應(yīng)用領(lǐng)域，把核技同步輻射裝置的應(yīng)用領(lǐng)域，把核技術(shù)和核分析手段引入同步輻射裝置的應(yīng)用中；同時為國術(shù)和核分析手段引入同步輻射裝置的應(yīng)用中；同時為國內(nèi)開創(chuàng)了光核物理研究新領(lǐng)域，提供了一個極為難得的內(nèi)開創(chuàng)了光核物理研究新領(lǐng)域，提供了一個極為難得的實(shí)驗(yàn)平臺；也為研究激光與電子相互作用機(jī)制作了技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺；也為研究激光與電子相互作用機(jī)制作了技術(shù)儲備。儲備。三類三類g g光源：光源：康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射康普頓背散射、韌致輻射、束發(fā)射 F低能極化或非極化g射線束一直是研究核天體物理、原子核物理及相關(guān)領(lǐng)域強(qiáng)有力的探針之一，具有以下優(yōu)點(diǎn)以下優(yōu)點(diǎn)：1）電磁相互作用形式是已知的，能作微擾處理；2）電磁耦合作

4、用是小的(=1/137)，使虛光子或?qū)嵐庾涌梢源┩负?，探索?nèi)部硬的核心。F國外新一代電子加速器和同步輻射光源已可提供極化準(zhǔn)單色g光子束， 推動了光子在自由和束縛核子上的散射和反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究?？灯疹D背散射（康普頓背散射（BCS）方法有幾個優(yōu)點(diǎn)：）方法有幾個優(yōu)點(diǎn)：F采用采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韌致輻射小得多；方法的低能光子造成的本底要比韌致輻射小得多；FBCS方法最顯著的特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)激光極化度可以得到幾乎方法最顯著的特點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)激光極化度可以得到幾乎100%線或圓極化度的線或圓極化度的光子，因此以光子極化度作為一個實(shí)驗(yàn)可觀察量來開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究有其優(yōu)越性。光子，因此以光子極化度作

5、為一個實(shí)驗(yàn)可觀察量來開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究有其優(yōu)越性。而且，在不改變實(shí)驗(yàn)條件的情況下，改變激光束的極化可以很便捷地改變而且，在不改變實(shí)驗(yàn)條件的情況下，改變激光束的極化可以很便捷地改變BCS g g的的極化方向。極化方向。F準(zhǔn)單色，可以開展精確的核結(jié)構(gòu)測量，如核共振熒光激發(fā)等；準(zhǔn)單色，可以開展精確的核結(jié)構(gòu)測量，如核共振熒光激發(fā)等；II、世界上現(xiàn)有、世界上現(xiàn)有g(shù) g束線站的簡介束線站的簡介高能高能g g光束線光束線 Spring-8 ResultM = M = 1.54 0.01 GeVG G 25 MeVGaussian significance 4.6s sQ Q+Q Q+ +g+ C(n/p) K

6、- K+ (n/ p)Cuts: no f fK+K-no recoil p (g gn only)Missing mass for nPRL 91, 012002 (2003); SCI citation: 177M = 1555M = 1555 10 10 MeVG 26 26 MeV7.8 s sCLAS/JLAB ResultsPhys.Rev.Lett.91, (2003) 252001M = 1542M = 1542 5 5 MeVG 21 110MeV或更高）核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)曲線向低能范圍外推而求得的。由于許多原子核的低激發(fā)共振能級尚未知曉，這種外推結(jié)果往往不可靠。例如：由于19821

7、984年間實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)16O的兩個閾下共振能級以及某些能態(tài)間的相干作用，使得對大質(zhì)量恒星演化極為關(guān)鍵的核反應(yīng)12C + 16O + g的截面值發(fā)生了幾倍的變化（可能35倍），但至今仍未定論。 利用庫侖離解方法庫侖離解方法可以實(shí)現(xiàn)這一測量：天體中感興趣的反應(yīng)過程為b + c a + g，利用測量時間反演反應(yīng)a + g b + c + Q來代替直接測量。 利用細(xì)致平衡原理，可獲得天體物理中感興趣的恒星溫度時反應(yīng)截面和反應(yīng)率，同時具有較大反應(yīng)截面和分解（breakup）運(yùn)動學(xué)靈活性的優(yōu)點(diǎn)。庫侖離解方法圖解：庫侖離解方法圖解：舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng)舉出幾個感興趣的輻射俘獲反應(yīng):F從從14N到到Mg輕

8、核輕核 俘獲反應(yīng)的研究直接相關(guān)大質(zhì)量的氦燃燒核中的弱俘獲反應(yīng)的研究直接相關(guān)大質(zhì)量的氦燃燒核中的弱s過程分過程分量中量中g(shù) g的產(chǎn)生。如在恒星溫度時對的產(chǎn)生。如在恒星溫度時對18O(,g,g)22Ne、22Ne(,g,g)26Mg低能反應(yīng)的精低能反應(yīng)的精確測量對研究在恒星氦燃燒條件時中子通量非常重要。確測量對研究在恒星氦燃燒條件時中子通量非常重要。F15N(,g,g)19F和和19F(p,g ,g)20Ne反應(yīng)研究：質(zhì)量反應(yīng)研究：質(zhì)量18M0恒星的后階段各種氫、氦和恒星的后階段各種氫、氦和碳燃燒帶中核合成中，觀察到碳燃燒帶中核合成中，觀察到19F豐度由來仍是未知。一種可能是在豐度由來仍是未知。一

9、種可能是在AGB星中星中氦燃燒殼的熱脈沖中通過氦燃燒殼的熱脈沖中通過18O(p,)15N (,g,g)19F反應(yīng)合成，上述實(shí)驗(yàn)對研究反應(yīng)合成，上述實(shí)驗(yàn)對研究19F在熱脈沖產(chǎn)生和消耗預(yù)言提供有用數(shù)據(jù)。在熱脈沖產(chǎn)生和消耗預(yù)言提供有用數(shù)據(jù)。F4He( n,g ,g)9Be反應(yīng)是天體物理中一個關(guān)鍵過程，除可進(jìn)行反應(yīng)是天體物理中一個關(guān)鍵過程，除可進(jìn)行9Be直接光子分解研直接光子分解研究，究，9Be上述庫侖離解實(shí)驗(yàn)也是值得做的。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中不能以直接方式獲得上述庫侖離解實(shí)驗(yàn)也是值得做的。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室中不能以直接方式獲得雙中子俘獲反應(yīng)情況，考慮用庫侖離解率來研究雙中子俘獲反應(yīng)情況，考慮用庫侖離解率來研究(n,

10、g ,g)和和(2n,g ,g)俘獲反應(yīng)也很有俘獲反應(yīng)也很有意思。意思。F要了解恒星中氦燃燒過程和碳氧比，必須得到相應(yīng)能量要了解恒星中氦燃燒過程和碳氧比，必須得到相應(yīng)能量(300KeV)的的12C(,g,g)16O反應(yīng)數(shù)據(jù)。此能量截面估計(jì)值約反應(yīng)數(shù)據(jù)。此能量截面估計(jì)值約10-8nb，實(shí)驗(yàn)室無法測量。實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室無法測量。實(shí)驗(yàn)上已獲得最低能量為上已獲得最低能量為1.2MeV的截面值，必須通過外推到的截面值，必須通過外推到300KeV，外推主要，外推主要誤差來自誤差來自 粒子能量在粒子能量在1MeV附近許多共振對截面的貢獻(xiàn)。為解決這個問題附近許多共振對截面的貢獻(xiàn)。為解決這個問題可可采用采用8.3M

11、eVBCS極化極化g g束，產(chǎn)生束，產(chǎn)生1MeV 粒子，通過逆反應(yīng)進(jìn)行研究粒子，通過逆反應(yīng)進(jìn)行研究。 FB2FH理論描述p過程核的形成有兩個可能機(jī)制：在熱豐質(zhì)子環(huán)境中質(zhì)子俘獲或熱環(huán)境中光子誘發(fā)的r-過程中的光致蛻變。r-過程典型參數(shù)是溫度2T93。類超新星的富氧和富氖層似乎是發(fā)生r-過程一個好的地點(diǎn)，但沒有定論，由于缺少在天體物理能量處r-誘發(fā)反應(yīng)的截面和反應(yīng)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。F目前除一些p過程核(ng)數(shù)據(jù)和Zr及Mo少量(p, g)反應(yīng)率外，幾乎沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。70Ge和144Sm僅有兩個(,g)值，而且144Sm(,g)發(fā)現(xiàn)與過去計(jì)算明顯不符。F首先應(yīng)在穩(wěn)定同位素上進(jìn)行新的測量，優(yōu)先在靠近中子和

12、質(zhì)子幻數(shù)核上，因?yàn)樵谀抢飸?yīng)用統(tǒng)計(jì)模型通常特別困難。為達(dá)到這個目的，g 射線活化技術(shù)證明是在合理時間和開支下，收集大量數(shù)據(jù)的有效工具，更簡單、靈敏度更高。2、低能光核反應(yīng)截面的、低能光核反應(yīng)截面的直接測量直接測量(g g,n)、(g g,p)和和(g,g,) ：利用核共振熒光利用核共振熒光(NRF)進(jìn)行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量進(jìn)行核激發(fā)態(tài)的宇稱、躍遷多極性測量F通過極化的低能準(zhǔn)單色g射線，還可以研究核激發(fā)態(tài)的宇稱測量。DUKE大學(xué)用56MeV的高強(qiáng)度極化的低能準(zhǔn)單色g射線，能用很短的束流時間確定激發(fā)態(tài)的宇稱。FPhys. Rev. Lett. 88, 12502 (2001);FPhys.

13、 Rev. Lett. 78, 4569 (1997);高同位旋高同位旋(N/Z)核的結(jié)構(gòu)研究核的結(jié)構(gòu)研究F高同位旋的物理是當(dāng)今核物理發(fā)展的高同位旋的物理是當(dāng)今核物理發(fā)展的一個主要方向。如中子暈的發(fā)現(xiàn)。另一個主要方向。如中子暈的發(fā)現(xiàn)。另外，發(fā)現(xiàn)了中子皮與核芯的矮共振。外，發(fā)現(xiàn)了中子皮與核芯的矮共振?？梢杂玫湍芸梢杂玫湍軠?zhǔn)單色準(zhǔn)單色g g射線來系統(tǒng)研究射線來系統(tǒng)研究不同同位旋核的矮共振的系統(tǒng)學(xué)。不同同位旋核的矮共振的系統(tǒng)學(xué)。FPhys. Rev. Lett. 93, 192501 (2004);FPhys. Rev. Lett. 89, 272502 (2002);FPhys. Rev. Let

14、t. 85, 274 (2000)F奇異核的奇異核的反應(yīng)總截面反應(yīng)總截面比相鄰核素有很大增強(qiáng)。比相鄰核素有很大增強(qiáng)。F碎片碎片橫向動量分布非常小橫向動量分布非常小。例：巨共振區(qū)中例：巨共振區(qū)中18O光子光子吸收截面中精細(xì)結(jié)構(gòu)高分吸收截面中精細(xì)結(jié)構(gòu)高分辨測量辨測量(利用ETL的LCP束)VI、SLEGS項(xiàng)目預(yù)制研究計(jì)劃項(xiàng)目預(yù)制研究計(jì)劃1、開展上海激光電子伽瑪源（開展上海激光電子伽瑪源（SLEGS）的預(yù)制研究，完成）的預(yù)制研究，完成在上海光源大科學(xué)裝置上建立低能在上海光源大科學(xué)裝置上建立低能MeV量級量級g g束束線站的線站的物物理設(shè)計(jì)報告理設(shè)計(jì)報告2、完成、完成SLEGS所需的分子氣體激光器、激

15、光反饋控制系統(tǒng)、所需的分子氣體激光器、激光反饋控制系統(tǒng)、g g射線射線探測系統(tǒng)等探測系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的研制關(guān)鍵部件的研制工作工作3、與大阪大學(xué)合作與大阪大學(xué)合作，參與在，參與在Spring-8上完成上完成低能低能g g束線束線的建的建設(shè)，并首先開展核天體物理中兩個重要的輻射俘獲反應(yīng)的設(shè)，并首先開展核天體物理中兩個重要的輻射俘獲反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測量，為將來在實(shí)驗(yàn)測量，為將來在SLEGS上開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究做前上開展基礎(chǔ)和應(yīng)用研究做前期的科學(xué)研究準(zhǔn)備期的科學(xué)研究準(zhǔn)備4、在束線站未立項(xiàng)之前可開展遠(yuǎn)紅外激光從前端區(qū)入射到、在束線站未立項(xiàng)之前可開展遠(yuǎn)紅外激光從前端區(qū)入射到相互作用點(diǎn)的傳輸、聚焦以及相互作用點(diǎn)的傳

16、輸、聚焦以及g g光子產(chǎn)生率、剖面等的光子產(chǎn)生率、剖面等的理理論研究論研究，同時對利用極化，同時對利用極化g g束線發(fā)展的實(shí)驗(yàn)方法，如快束線發(fā)展的實(shí)驗(yàn)方法，如快慢正電子、極化正電子源等可進(jìn)一步探討。慢正電子、極化正電子源等可進(jìn)一步探討。關(guān)鍵部件的研制關(guān)鍵部件的研制F遠(yuǎn)紅外專用激光器的研制：遠(yuǎn)紅外專用激光器的研制：采用高功率采用高功率COCO2 2混合氣混合氣體激光器作為光泵，驅(qū)動各種介質(zhì)的氣體分子激光體激光器作為光泵，驅(qū)動各種介質(zhì)的氣體分子激光器，可以得到波長范圍在幾十幾百器，可以得到波長范圍在幾十幾百m mm m之間的遠(yuǎn)紅之間的遠(yuǎn)紅外激光。外激光。要解決的關(guān)鍵問題：要解決的關(guān)鍵問題：研制氣流

17、式的研制氣流式的COCO2 2混合氣體激混合氣體激光器，通過試驗(yàn)找到最合適的混合氣體組成，能夠光器，通過試驗(yàn)找到最合適的混合氣體組成，能夠同時產(chǎn)生多個遠(yuǎn)紅外激光波長。實(shí)際建立同時產(chǎn)生多個遠(yuǎn)紅外激光波長。實(shí)際建立g g光束站光束站所需要的分子氣體激光器功率很高，現(xiàn)有經(jīng)費(fèi)不足所需要的分子氣體激光器功率很高，現(xiàn)有經(jīng)費(fèi)不足于建立此系統(tǒng)。因此我們計(jì)劃首先研制功率相對較于建立此系統(tǒng)。因此我們計(jì)劃首先研制功率相對較低的分子氣體激光器，選定混合氣體的比分，并調(diào)低的分子氣體激光器，選定混合氣體的比分，并調(diào)試該波長激光的聚焦和引入的光學(xué)系統(tǒng)。同時建立試該波長激光的聚焦和引入的光學(xué)系統(tǒng)。同時建立遠(yuǎn)紅外激光測試系統(tǒng)，

18、監(jiān)測分子氣體激光器產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外激光測試系統(tǒng)，監(jiān)測分子氣體激光器產(chǎn)生的激光波長。激光波長。 F激光引入相互作用區(qū)和反饋監(jiān)測系統(tǒng)的研制：激光引入相互作用區(qū)和反饋監(jiān)測系統(tǒng)的研制：因?yàn)橐驗(yàn)檫h(yuǎn)紅外激光的波長很長，聚焦情況的好壞和穩(wěn)定性遠(yuǎn)紅外激光的波長很長，聚焦情況的好壞和穩(wěn)定性對產(chǎn)生對產(chǎn)生g g光束的通量影響很大。為此激光同電子相光束的通量影響很大。為此激光同電子相互作用以后，由激光監(jiān)測系統(tǒng)收集，通過系統(tǒng)的反互作用以后，由激光監(jiān)測系統(tǒng)收集，通過系統(tǒng)的反饋對聚焦情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以得到最優(yōu)化的饋對聚焦情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以得到最優(yōu)化的g g光能譜。光能譜。F完成以上研制以后，在條件許可下，我們計(jì)劃嘗試完成以上研制以

19、后，在條件許可下，我們計(jì)劃嘗試在應(yīng)用物理所已建成的在應(yīng)用物理所已建成的100MeV100MeV直線電子加速器上，直線電子加速器上，進(jìn)行進(jìn)行初步的系統(tǒng)性測試初步的系統(tǒng)性測試。將相對功率較低的遠(yuǎn)紅外。將相對功率較低的遠(yuǎn)紅外激光引入同相對論電子相互作用，測量產(chǎn)生激光引入同相對論電子相互作用，測量產(chǎn)生g g光的光的能譜和空間分布。重點(diǎn)在于優(yōu)化激光引入相互作用能譜和空間分布。重點(diǎn)在于優(yōu)化激光引入相互作用區(qū)的光路圖、激光的聚焦和調(diào)焦、激光電子相互作區(qū)的光路圖、激光的聚焦和調(diào)焦、激光電子相互作用點(diǎn)的調(diào)節(jié)。通過調(diào)試摸索一些經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于將來的用點(diǎn)的調(diào)節(jié)。通過調(diào)試摸索一些經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用于將來的低能低能g g光束線站的研制。光束線站的研制。 具體的經(jīng)費(fèi)安排：具體的經(jīng)費(fèi)安排：CO2混合氣體激光器光泵分子氣體激光器3030萬兩個激光器所需要的氣體及氣路控制系統(tǒng) 10萬激光引入和聚焦的光路系統(tǒng)（包括金剛石窗等） 20萬激光反饋控制系統(tǒng) 20萬g束流位置監(jiān)測系統(tǒng)、g能譜儀（包括信號引出） 30萬電子學(xué)插件 20萬測量g