《超強雷射單能質子加速研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由周維民擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：超強雷射單能質子加速研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：周維民
- 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,結題摘要,
項目摘要
超強雷射脈衝與電漿相互作用中產生的高能質子束在快點火、電漿診斷、腫瘤治療等方面具有光明的套用前景。為實現這些可能的套用，當前急待解決的問題是如何產生能量從數十MeV至數百MeV、能譜展寬小於20%的高性能質子束。本項目將通過多維Particle-in-cell粒子模擬程式以及大型超強雷射裝置（SILEX-I裝置與星光III裝置）對超強雷射單能質子加速進行理論模擬和實驗研究，通過錐形雙層靶設計和高對比度超強雷射超薄靶相互作用兩種方案最終實驗獲得能量為數十MeV、能譜展寬小於20%的高性能質子束，從而解決基於超強雷射產生的質子束在套用方面所面臨的瓶頸問題。
結題摘要
超強雷射質子加速是超高功率雷射的重要套用之一。隨著啁啾脈衝放大等超高功率雷射技術的發展，雷射脈衝輸出功率不斷提升，對超強雷射質子加速的研究也日益發展。當前影響超強雷射質子加速套用的問題主要有以下兩點：一是如何改善質子束的能譜分布，以獲得單能性較好的質子束；二是如何儘可能地提高單個質子能量以及雷射-質子整體轉換效率。本項目中我們利用PIC粒子模擬程式和星光III雷射裝置開展了超強雷射準單能質子束產生研究。（1）提出了一種提高超強雷射電漿相互作用加速質子能量的靶設計，並用2維PIC粒子模擬程式進行了驗證。與通常的平面雙層靶相比，錐型雙層靶可將質子束的能量提高約3倍。（2）提出了一種利用超強雷射與錐台靶相互作用以獲得質子束點源的方法，並利用2維PIC粒子模擬程式進行了模擬。模擬中我們獲得了直徑0.79λ0，平均能量9.1MeV，能散小於35%的高性能質子束。（3）提出了一種納米刷靶的靶設計以提高雷射-質子轉換效率並使用2維PIC粒子模擬程式進行了驗證。與平面靶相比，納米結構靶使得靶背表面的鞘電場強度提高了近100%，雷射-質子能量轉換效率提高了約70%。此外，質子發散角小於30°。（4）提出了一種錐形納米結構靶設計以提高超強雷射到前向超熱電子的轉換效率並利用2維PIC粒子模擬程式進行了模擬。與平面納米結構靶相比，雷射-前向超熱電子的轉換效率從34%提高到了68%。此外，錐形納米結構靶可更好地準直超熱電子。（5）提出了一種利用錐形納米刷靶提高超強雷射質子加速中質子轉換效率的方法並用2維PIC粒子模擬程式進行了模擬。我們觀察到了雷射質子能量轉換效率提高了105%。這樣的提高來自靶的納米結構與錐形設計的貢獻。質子束的發散角小於28°。（6）設計了雙錐靶構型來研究強雷射加速準單能的質子束，並用二維PIC 粒子模擬程式進行了驗證。結果表明：與平面靶相比，錐靶對雷射場聚焦效應明顯增強雷射到超熱電子的耦合效率，雙錐靶中臨界密度材料的內錐可以進一步增強雷射的吸收效率。在相同的雷射參數條件下，強雷射與雙錐靶作用加速的質子峰值能量比平面靶提高了5倍以上，並且能很好保持準單能性和較小的發射角。（7）在星光III雷射裝置上開展了皮秒拍瓦雷射與平面靶和低密度泡沫靶相互作用產生高能質子束的實驗研究，獲得了最高13.5MeV的質子束，證實了合適厚度的泡沫靶可以有效的提高靶背加速質子的截止能量。
