高亮度X/γ射线源是探索微观物质结构、推动生物医学、材料科学与基础物理等前沿科学研究的关键利器。现阶段，同步辐射光源、自由电子激光装置已极大推动相关领域科技进步。但这类大型装置存在建设成本高昂、整机体积庞大、运维门槛高等限制，使其仅能布局于少数国家级实验室；同时现有装置输出X射线光子能量通常仅覆盖keV(千电子伏特)至百keV区间，极大限制了高能光子相关的前沿科学研究边界。如何高效率产生光子能量达到MeV(百万电子伏特)乃至GeV(十亿电子伏特)的超高亮度伽马射线，一直是国际高能强场物理与极端光子科学领域亟待攻克的难题。
近日，浙江大学聚变理论与模拟中心朱兴龙研究员联合上海交通大学盛政明教授、陈民教授科研团队在超亮伽马辐射研究方面取得重要突破，提出并命名束流“快速箍缩辐射爆”（Fast Pinching Radiation Burst, FPRB）全新物理机制。研究发现高能强流电子束在密度梯度非均匀等离子体中的快速箍缩效应，并由此高效率产生高能伽马射线脉冲。该方案获得的辐射能量转换效率最高可达近50%，峰值亮度突破1028 photons s−1 mm−2 mrad−2 per 0.1% bandwidth，有望将伽马射线辐射能量拓展至GeV能区、峰值亮度推向自由电子激光范畴，为研发紧凑型超高亮度伽马射线源提供全新的高效途径。
研究成果于2026年6月19日正式发表在国际顶尖期刊《Research》上，论文标题为“High-Efficiency Radiation via Fast Electron Beam Pinching in Nonuniform Plasmas”。
研究发现，如果引入密度梯度非均匀等离子体——即沿电子束传播方向等离子体密度逐渐增加，束流等离子体相互作用将会发生根本性变化。在此作用构型下，电子束传输过程中受到的横向聚焦力持续增强，从而实现全域整体性快速箍缩；被高度压缩的高密度电子束流，可进一步驱动更高密度等离子体产生峰值高达数十TV/m的极端强非线性尾波场，从而形成正向增益的耦合放大效应。根据理论模型，电子束在此过程中Betatron辐射振荡的频率和波数不断增加，激发高能强辐射。由此导致束流等离子体进入到强场辐射主导的新作用机制，最终高效产生准直的高能伽马射线，如示意图1所示。
图1. 电子束在非均匀等离子体中发生快速箍缩实现高效辐射，产生准直伽马射线源的原理示意图
科研团队利用三维粒子数值模拟程序详细研究了该物理过程。结果表明，采用5 GeV纳库级电子束与400微米长的密度梯度上升非均匀等离子体相互作用后，电子束可被聚焦至初始直径的几十分之一，最终束斑直径仅约0.2微米，束流密度提升数百倍。
极端的束流箍缩带来两大核心突破：一方面，高密度电子束有效激发前所未有的数十TV/m超强尾波场；另一方面，高能电子在极强横向振荡场中触发显著强场量子辐射效应，电子动能高效转化为高能伽马光子。该机制突破了经典Betatron辐射局限性，获得的辐射能量转换效率提升至近50%，最高光子能量可逼近入射电子初始能量，拓展至GeV高能区间。最终产生的伽马射线具备亚微米极小束斑、毫弧度超低发散角、飞秒级超短脉宽以及1011量级超高光子产额，在MeV能段的峰值亮度超过1028 photons s−1 mm−2 mrad−2 per 0.1% bandwidth，比现有伽马射线源亮度提高五个数量级以上。研究方案无需依托超大型装置，具备小型化、高效率、高亮度的独特优势，为下一代紧凑型高亮度伽马射线光源研发开辟全新途径。这种超亮高能伽马射线源将为高能强场物理、强场量子电动力学、光核物理和实验室天体物理等前沿科学提供全新的研究维度。
该论文的第一作者兼通讯作者是浙江大学物理学院朱兴龙研究员，合作者包括上海交通大学物理与天文学院盛政明教授和陈民教授。该研究工作得到了国家基金委自然科学基金、教育部基础学科与交叉学科突破计划以及小米青年学者项目的支持。
