基於超短超強雷射與靶相互作用的正電子源研究

《基於超短超強雷射與靶相互作用的正電子源研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由谷渝秋擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於超短超強雷射與靶相互作用的正電子源研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：谷渝秋
• 依託單位：中國工程物理研究院雷射聚變研究中心

項目摘要

正電子探針在材料微觀尺度的缺陷檢測中有獨特的優勢，在實驗室產生高產額、短脈衝正電子束對大尺度樣品微觀缺陷檢測和實驗室研究反物質特性，以及天體物理中的伽馬射線爆等極端物理現象有重要意義。隨著超短超強雷射功率密度的不斷提高，雷射與物質相互作用產生高產額、短脈衝正電子源成為可能，這種正電子產生新方法由於其巨大的套用前景和其中的新物理，成為當前雷射物理與加速器物理的交叉學科前沿，但是相關研究尤其是實驗研究開展還比較少，其中涉及的許多物理問題還需要深入研究，比如靶表面的鞘電場對正電子的準直和加速，如何最佳化和控制雷射參數和靶參數，得到的正電子束的特性等。本課題擬採用理論和實驗結合的方法，開展PW級超短超強雷射與靶相互作用的正電子源特性研究，探索提高正電子束產額、能量及準直性的技術途徑。

結題摘要

雷射正電子源作為一種新型的正電子源，其產生的正電子具有能量高（～MeV）、脈寬短（～fs或ps）、密度高（～1015cm-3）等特點，在實驗室天體物理及高能物理領域具有廣闊的套用前景。針對課題任務書研究內容和研究目標，課題組對超強雷射與靶相互作用正電子束產生開展了理論和實驗研究，獲得了多項成果。在理論方面建立了Monte Carlo方法和particle-in-cell方法相結合的數值模擬方法，對相對論強雷射與靶相互作用的正電子產生進行了細緻研究。針對目前雷射正電子產生的兩種主要技術途徑（我們稱為“直接方式”和“間接方式”）分別開展了數值模擬研究。針對“直接方式”，也就是雷射直接與高Z固體靶相互作用，研究了靶參數、超熱電子參數等一系列參數對正電子產生的影響，分析了其中影響正電子特性的關鍵物理過程，如固體靶背鞘場加速等，獲得了在雷射功率密度與靶厚度、靶材料等參數的最佳化設計（Physics of Plasmas, 2012, 19(2): 023114），這種方式適合高能皮秒強雷射產生正電子，我們在該方面的設計和理論分析被包括LLNL實驗室的最新正電子實驗所引用。所謂“間接方式”，也就是飛秒雷射先通過與氣體靶相互作用形成尾波場，然後獲得百MeV級的高能電子，然後高能電子再與高Z轉換靶相互作用產生正電子，這種方式特別適合飛秒相對論強雷射產生正電子。通過Monte Carlo方法結合PIC方法，細緻研究了氣體靶密度、尾場加速電子能量及能譜對正電子產額、能譜的影響（Physics of Plasmas, 2013, 20(10): 103106），並首次比較了“直接方式”和“間接方式”的特點（Physics of Plasmas, 2013, 20(10): 103114）。在實驗方面，研製了用於正電子探測的正負電子能譜儀，並在電子直線加速器上進行了測試，驗證了該譜儀用於正電子能譜測量的可行性，獲得了能量定標關係。根據前期細緻理論設計，本課題組在國內率先利用皮秒強雷射裝置開展了正電子產生實驗，採用所研製的正負電子譜儀測量到高信噪比正電子信號，正電子產額達到了109/shot，同時對可能增強正電子產生的多種方式進行了實驗研究，通過改變靶直徑，驗證了靶背鞘場對正電子的加速效應。圓滿完成了任務書研究內容和標的。