強場雷射加速產生高性能粒子束

《強場雷射加速產生高性能粒子束》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由沈百飛擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：強場雷射加速產生高性能粒子束
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：沈百飛
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

超短超強雷射驅動電漿，可獲得電子能量高達1GeV、質子能量高達60MeV的高性能粒子束，從而在高能加速器、聚變物理、短脈衝高亮度X光源產生、實現小型化自由電子雷射等領域都有重大的套用價值。本項目主要研究利用超短超強雷射在電漿中形成穩定的特殊三維尾波結構，即空泡，實現單能電子加速。採用兩種控制電子注入的方法，即兩束雷射對打和納米細絲擾動，來提高電子加速的穩定性，並控制高能電子的數量和能量。項目還將研究通過改變雷射傳輸方向的電漿密度，來改變空泡中縱向加速靜電場的梯度，從而抵消高能電子束本身電荷分離場的梯度，以提高電子束的性能；還將研究高能電子束的細緻結構，並考慮其可能的重大套用。項目將利用靶後鞘層加速實現質子加速，並將利用多層靶來提高加速效率，利用微結構靶獲得準單能質子束，同時研究獲得高性能高能離子束的其他有效途徑。

結題摘要

20世紀90年代初以來，超短脈衝超強雷射的發展為緊湊而高效的粒子加速這一問題的解決提供了一個全新的思路。利用超強飛秒雷射產生高能電子、質子的研究引起了空前的關注。2008年申請課題時, 在國際上在粒子加速方面已有一些突破性的進展。比如在2004年，美國、英國、 法國的實驗同時實現了背景電漿中電子的自注入，得到了單能電子束；2006年，雷射加速電子的能量得到進一步提高，Leemans等人用40 TW的超短雷射脈衝在3.3cm長的電漿中獲得了能量達到1GeV的高性能高能電子束；2006年Faure等從實驗上初步解決了電子加速的不穩定性問題。其方法是用另一束反向傳播的弱雷射來控制電子注入的位置，從而大大增強了空泡機制加速電子的穩定性。利用靶後鞘層加速，美國利弗莫爾實驗室於2000年獲得了57 MeV的高能質子，使得雷射加速質子這一研究領域開始得到國際上的廣泛關注。另外由沈百飛等於2001年提出，後由 Esirkepov等發展的雷射光壓直接加速機制日益受到重視。國內多個單位也積極從事有關研究，並取得了很大進展。在此背景下我們開始了本課題的研究。本課題的主要研究目標是，“主要在電子加速和離子加速兩個方面先採用30TW飛秒雷射系統產生的雷射等離子加速電子得到高性能的高能電子束，電子能量達到100MeV以上，重點是減小電子束的能量和方向發散度，提高電子束的穩定性和重複性，利用較低能量雷射獲得400 keV的質子源。再用100TW量級或更高功率飛秒雷射系統加速電子、質子，掌握利用現有條件使電子能量達GeV量級，甚至10 GeV，質子能量達到幾個到十幾個MeV的實驗方法。”四年後回顧，當時設定的目標是比較高的。但課題組通過不懈的努力實現了預期的研究目標，利用毛細管增加加速距離，電子最高能量達到1.4GeV，創國際新高；利用高對比度100TW雷射進行質子加速實驗，測得最高質子能量為7 MeV。另外，課題組在改善高能電子束性能，比如電子能散、電子電荷量等方面取得進展；大量的理論和模擬研究加深了對雷射粒子加速的認識，也為今後的深入研究提供了大量的知識儲備。經過四年國內外，包括本課題的研究，雷射加速研究進入了一個新的階段。級聯加速等新技術將使得雷射加速粒子的能量、束品質、穩定性等進一步提高，同時人們開始更多地考慮粒子束在各方面的套用。