上海激光电子伽玛源装置

1、上海激光电子伽玛源装置Shanghai Laser-Electron Gamma Source （SLEGS）预制研究马余刚马余刚 蔡翔舟蔡翔舟重离子反应组重离子反应组中国科学院上海应用物理研究所中国科学院上海应用物理研究所OutlineI.引言引言II.世界上现有世界上现有g g束线站的简介束线站的简介III.SLEGS 低能低能(MeV)g g光束线站初步设计光束线站初步设计IV.核物理、核天体物理及其相关应用核物理、核天体物理及其相关应用V.SLEGS项目预制研究实施计划项目预制研究实施计划VI.总结总结I、引言、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中科院上海应用物理研究

2、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。行能共同参与这个工作。目标是建设目标是建设“上海激光电子伽马源上海激光电子伽马源”（SLEGS），利用），利用上海光源上海光源(SSRF)的的3.5GeV电子束，用远红外激光与电子电子束，用远红外激光与电子束进行束进行Compton反反散射，得到散射，得到1-25MeV准单色准单色极化极化g g束，束，开展低能极化核物理、核天体物理和强开展低能极化核物理、核天体物理和强g g源的应用研究。源的应用研究。该项工作将扩展上海该项工作将扩展上海同步辐射装置的

3、应用领域，把核技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。储备。三类三类g g光源：光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射康普顿背散射、韧致辐射、束发射 F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

4、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。F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和反应的实验研究。康普顿背散射（康普顿背散射（BCS）方法有几个优点：）方法有几个优点：F采用采用BCS方法的低能光子造成的本底要比韧致辐射小得多；方法的低能光子造成的本底要比韧致辐射小得多；FBCS方法最显著的特点是通过调节激光极化度可以得到几乎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。光子，因此以光子极化度作

5、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 g的的极化方向。极化方向。F准单色，可以开展精确的核结构测量，如核共振荧光激发等；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、世界上现有g g束线站的简介束线站的简介高能高能g g光束线光束线 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19821

7、984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35倍），但至今仍未定论。 利用库仑离解方法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：库仑离解方法图解：举出几个感兴趣的辐射俘获反应举出几个感兴趣的辐射俘获反应:F从从14N到到Mg轻

8、核轻核 俘获反应的研究直接相关大质量的氦燃烧核中的弱俘获反应的研究直接相关大质量的氦燃烧核中的弱s过程分过程分量中量中g g的产生。如在恒星温度时对的产生。如在恒星温度时对18O(,g,g)22Ne、22Ne(,g,g)26Mg低能反应的精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。确测量对研究在恒星氦燃烧条件时中子通量非常重要。F15N(,g,g)19F和和19F(p,g ,g)20Ne反应研究：质量反应研究：质量18M0恒星的后阶段各种氢、氦和恒星的后阶段各种氢、氦和碳燃烧带中核合成中，观察到碳燃烧带中核合成中，观察到19F丰度由来仍是未知。一种可能是在丰度由来仍是未知。一

9、种可能是在AGB星中星中氦燃烧壳的热脉冲中通过氦燃烧壳的热脉冲中通过18O(p,)15N (,g,g)19F反应合成，上述实验对研究反应合成，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。在热脉冲产生和消耗预言提供有用数据。F4He( n,g ,g)9Be反应是天体物理中一个关键过程，除可进行反应是天体物理中一个关键过程，除可进行9Be直接光子分解研直接光子分解研究，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双中子俘获反应情况，考虑用库仑离解率来研究(n,

10、g ,g)和和(2n,g ,g)俘获反应也很有俘获反应也很有意思。意思。F要了解恒星中氦燃烧过程和碳氧比，必须得到相应能量要了解恒星中氦燃烧过程和碳氧比，必须得到相应能量(300KeV)的的12C(,g,g)16O反应数据。此能量截面估计值约反应数据。此能量截面估计值约10-8nb，实验室无法测量。实验，实验室无法测量。实验上已获得最低能量为上已获得最低能量为1.2MeV的截面值，必须通过外推到的截面值，必须通过外推到300KeV，外推主要，外推主要误差来自误差来自 粒子能量在粒子能量在1MeV附近许多共振对截面的贡献。为解决这个问题附近许多共振对截面的贡献。为解决这个问题可可采用采用8.3M

11、eVBCS极化极化g g束，产生束，产生1MeV 粒子，通过逆反应进行研究粒子，通过逆反应进行研究。 FB2FH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2T93。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。F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。F首先应在稳定同位素上进行新的测量，优先在靠近中子和

12、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、低能光核反应截面的直接测量直接测量(g g,n)、(g g,p)和和(g,g,) ：利用核共振荧光利用核共振荧光(NRF)进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量F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56MeV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。FPhys. Rev. Lett. 88, 12502 (2001);FPhys.

13、 Rev. Lett. 78, 4569 (1997);高同位旋高同位旋(N/Z)核的结构研究核的结构研究F高同位旋的物理是当今核物理发展的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。外，发现了中子皮与核芯的矮共振。可以用低能可以用低能准单色准单色g g射线来系统研究射线来系统研究不同同位旋核的矮共振的系统学。不同同位旋核的矮共振的系统学。FPhys. Rev. Lett. 93, 192501 (2004);FPhys. Rev. Lett. 89, 272502 (2002);FPhys. Rev. Let

14、t. 85, 274 (2000)F奇异核的奇异核的反应总截面反应总截面比相邻核素有很大增强。比相邻核素有很大增强。F碎片碎片横向动量分布非常小横向动量分布非常小。例：巨共振区中例：巨共振区中18O光子光子吸收截面中精细结构高分吸收截面中精细结构高分辨测量辨测量(利用ETL的LCP束)VI、SLEGS项目预制研究计划项目预制研究计划1、开展上海激光电子伽玛源（开展上海激光电子伽玛源（SLEGS）的预制研究，完成）的预制研究，完成在上海光源大科学装置上建立低能在上海光源大科学装置上建立低能MeV量级量级g g束束线站的线站的物物理设计报告理设计报告2、完成、完成SLEGS所需的分子气体激光器、激

15、光反馈控制系统、所需的分子气体激光器、激光反馈控制系统、g g射线射线探测系统等探测系统等关键部件的研制关键部件的研制工作工作3、与大阪大学合作与大阪大学合作，参与在，参与在Spring-8上完成上完成低能低能g g束线束线的建的建设，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，为将来在实验测量，为将来在SLEGS上开展基础和应用研究做前上开展基础和应用研究做前期的科学研究准备期的科学研究准备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、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、聚焦以及相互作用点的传

16、输、聚焦以及g g光子产生率、剖面等的光子产生率、剖面等的理理论研究论研究，同时对利用极化，同时对利用极化g g束线发展的实验方法，如快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。慢正电子、极化正电子源等可进一步探讨。关键部件的研制关键部件的研制F远红外专用激光器的研制：远红外专用激光器的研制：采用高功率采用高功率COCO2 2混合气混合气体激光器作为光泵，驱动各种介质的气体分子激光体激光器作为光泵，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器，可以得到波长范围在几十几百m mm m之间的远红之间的远红外激光。外激光。要解决的关键问题：要解决的关键问题：研制气流

17、式的研制气流式的COCO2 2混合气体激混合气体激光器，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。实际建立同时产生多个远红外激光波长。实际建立g g光束站光束站所需要的分子气体激光器功率很高，现有经费不足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，

18、监测分子气体激光器产生的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。激光波长。 F激光引入相互作用区和反馈监测系统的研制：激光引入相互作用区和反馈监测系统的研制：因为因为远红外激光的波长很长，聚焦情况的好坏和稳定性远红外激光的波长很长，聚焦情况的好坏和稳定性对产生对产生g g光束的通量影响很大。为此激光同电子相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，以得到最优化的馈对聚焦情况进行调节，以得到最优化的g g光能谱。光能谱。F完成以上研制以后，在条件许可下，我们计划尝试完成以上研制以

19、后，在条件许可下，我们计划尝试在应用物理所已建成的在应用物理所已建成的100MeV100MeV直线电子加速器上，直线电子加速器上，进行进行初步的系统性测试初步的系统性测试。将相对功率较低的远红外。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，测量产生激光引入同相对论电子相互作用，测量产生g g光的光的能谱和空间分布。重点在于优化激光引入相互作用能谱和空间分布。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用点的调节。通过调试摸索一些经验应用于将来的低能低能g g光束线站的研制。光束线站的研制。 具体的经费安排：具体的经费安排：CO2混合气体激光器光泵分子气体激光器3030万两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