Laser-driven gamma-ray source potentially offers a compact, cost-effective, ultra-short, and ultra-bright alternative to conventional gamma-ray sources based on large-scale particle accelerators. Based on the laser-driven approach, we use multidimensional particle-in-cell simulations to demonstrate that a nanostructured double-layer target, which consists of a nanostructured foam coated on top of a metal substrate, can absorb laser energy into high-energy electrons in the nanostructured foam, and then efficiently convert it into copious gamma photons via the nonlinear Compton scattering process enabled by the solid-density substrate, which acts as a plasma mirror to reflect the laser pulse. The effects of different nanostructures in the foam target and the oblique laser incidence are presented. It is shown that the conversion efficiency of gamma photons increases when the size of nanoparticles decreases or the filling factor of nanoparticles increases in nanostructured foam target, but decreases when the laser incidence angle increases. At realistic conditions with nanostructured foam and non-normal incidence, the double-layer target still exhibits an unprecedentedly high conversion efficiency in high-energy gamma-ray production due to the laser reflection by the plasma mirror, which can be two and even three orders of magnitude higher than that of the single-layer target without the substrate using currently available lasers with intensity of 1021.
レーザー駆動ガンマ線源は、大規模粒子加速器に基づく従来のガンマ線源に代わる、コンパクトで費用対効果が高く、超短パルスかつ超高輝度の代替手段を提供する可能性がある。レーザー駆動アプローチに基づき、我々は多次元粒子インセルシミュレーションを用いて、金属基板上にナノ構造フォームをコーティングしたナノ構造二層ターゲットが、ナノ構造フォーム内でレーザーエネルギーを高エネルギー電子に吸収し、その後、固体密度基板がプラズマミラーとして機能してレーザーパルスを反射することによって可能となる非線形コンプトン散乱過程を介して、これを効率的に大量のガンマ光子へ変換できることを実証する。フォームターゲットにおける異なるナノ構造の効果と斜入射レーザーの影響を示す。ナノ構造フォームターゲットにおいてナノ粒子のサイズが減少するか、ナノ粒子の充填率が増加するとガンマ光子の変換効率が増加するが、レーザー入射角が増加すると変換効率は減少することが示される。ナノ構造フォームと斜入射という現実的な条件下でも、二層ターゲットは高エネルギーガンマ線生成において前例のない高い変換効率を示し、これは基板を用いない単層ターゲットと比較して、プラズマミラーによるレーザー反射によって2桁から3桁も高いものであり、強度10²¹の現在利用可能なレーザーを用いて達成される。