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ygma@sinap.ac.cn

caixz@sinap.ac.cn

OutlineI. 引言II. 世界上现有束线站的简介III. SLEGS 低能 (MeV)光束线站初步设

计IV. 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VI. 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 准单色极化束，开展低能极化核物理、核天体物理和强源的应用研究。

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。

三类光源：康普顿背散射、韧致辐射、束发射 低能极化或非极化射线束一直是研

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（ BCS ）方法有几个优点：

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 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 、世界上现有束线站的简介

光子束性能 装置 产生方法

能量(MeV) 强度

(103s-1MeV-1) 极化

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

高能光束线

Spring-8 Result

1.540.01 GeV< 25 MeVGaussian significance 4.6

+

+ C(n/p) K- K+ (n/ p)Cuts: no K+K-

no recoil p (n only)Missing mass for n

PRL 91, 012002 (2003); SCI citation: 177

MeVMeV7.8

CLAS/JLAB Results

Phys.Rev.Lett.91, (2003) 252001

MeVMeV5.2

GeVd→p n GeV)+p→n +

Phys. Rev. Lett. 92, (2004) 032001

低能光束线

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% 线极化的高强度射射射射

日本大阪大学 :　计划在 Spring-8 上利用远红外激光产生 MeV 量级射线束 (5-35MeV)

筹建的 SLEGS 装置： (1-25MeV). 由于射线的能量强烈地依赖电子能量，因此 SLEGS 在获得低能方面有其独到优点，比 Spring-8 更易利用准直法获得准单色的低能 MeV 量级射线束。强度高于 ETL.

III 、 SLEGS 低能 (MeV)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 GeV 3.5

环周长 m 396

自然水平发射度 x0 nmrad 11.8

束流流强：多束团（单束团） mA 200300

单元数目 20

直线节：长度数目 m7.24105.010

自然能量发散度 9.2310-4

自然束团长度 (rms) s mm 4.59

二、 SLESG 工作原理

产生 BCS 伽马光子 SLEGS 装置的结构草图

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m 、输出功率为几瓦的远红外激光。

激光类型激光 ( 平均输出功率 2-5W) 射线性质

波长 (m) 能量 (eV) 最大能量 (MeV) 强度 (s-1)

CO2 分子气体激

光器

10.6 0.117 21.9

108 － 1010

65.1 0.0190 3.58

100 0.0124 2.33

220 0.0056 1.06

注：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x 和 y 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 的光子时，不引起电子束电子损失，即可寄生运行。

mm5.00 mm5.00

IV 、产生低能光束线的性质

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射线。

2) 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 量级的极化束在核物理中的应用  光核反应截面的精确测量  利用核共振荧光 (NRF) 进行核激发态的宇称、跃迁多极性测量  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   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    癌症肿瘤治疗、照相成像、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 + 的截面值发生了几倍的变化（可能 3~5倍），但至今仍未定论。

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 + ，利用测量时间反演反应 a + → 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：

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

分量中的产生。如在恒星温度时对 18O()22Ne 、 22Ne()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()19F 和 19F(p)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 ()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)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) 和 (2n)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()1

6O 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 极化束，产生 1MeV粒子，通过逆反应进行研究。

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- 射射一个好的地点，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 (n)数据和 Zr 及Mo少量 (p, ) 反应率外，几乎没有实验数据。 70Ge 和 144Sm 仅有两个 (值，而且144Sm() 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，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直接测量 (,n) 、 (,p) 和 () ：

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

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 量级射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、射射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 上完成射射射射的建设，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、聚焦以及光子产生率、剖面等的理论研究，同时对利用极化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m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 20万束流位置监测系统、能谱仪（包括信号引出） 30万电子学插件 20万测量光能谱的多道（ 8192 ）数据获取系统 15万光引出的束流管道、真空系统及支架、准直器 10万激光实验室建设，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 0505年年 : : 参与参与 SpringSpring－－ 88 的光束线建设，完成一的光束线建设，完成一

项实验 项实验 ,, 激光器的准备，开始物理设计报告激光器的准备，开始物理设计报告

0606年年 : : 整套整套 SLEGSSLEGS系统的研制，完成另一项实系统的研制，完成另一项实验验 SpringSpring－－ 88 的实验，细化物理设计报告，并提的实验，细化物理设计报告，并提出申请出申请

0707年年 : : 争取在争取在 100MeV100MeV直线电子加速器上产生伽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。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 : 远红外激光低能光子束性质 : 1~25MeV,107-108s-1,100% 线或圆极化 , 准单色 -ray科学目标 : 核物理、核天体物理及相关应用研究

Thanks!

SLEGS Experimental CollaborationY.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-光束线的产生率

远红外激光的稳定性