超強雷射驅動的離子加速研究

《超強雷射驅動的離子加速研究》是依託上海大學，由王鴻勇擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：超強雷射驅動的離子加速研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王鴻勇
• 依託單位：上海大學

中文摘要

超短超強雷射驅動的粒子加速器可以獲得高於傳統加速器三個量級以上加速梯度，為粒子加速提供了一個全新的思路。雷射驅動離子加速器產生的離子束具有脈寬短、亮度高、方向性好等特點，這使其在雷射聚變、離子束診斷和治療、超快成像等方面都具有廣泛的套用前景。隨著雷射技術的發展，雷射的脈衝峰值強度即將達到並超過10^23W/cm^2，這種超強雷射技術的發展將為雷射驅動新型離子加速器走向實際套用創造條件，對其進行理論和模擬研究對相關實驗的開展具有重要意義。本項目將對這種超強雷射與電漿相互作用的物理過程展開深入研究，並探索新的離子加速方案。具體內容包括：超強雷射下電子量子電動力學效應研究，超強雷射在電漿中的傳輸，雙層靶離子加速，電漿不穩定性研究和超強雷射與固體靶作用離子加速研究。本項目的研究手段以Particle in Cell模擬為主，解析理論為輔。

結題摘要

隨著雷射技術的發展，超強雷射與電漿相互作用是近年來一個非常熱的研究主題，研究方向包括慣性約束核聚變，雷射驅動電子和離子加速，超強雷射引起的真空擊穿效應等等。其中，雷射驅動的離子加速因其比傳統加速器高三個量級以上的加速梯度，在離子束治療癌症，粒子注入，同位素生產等很多方面有重要套用。目前國際上主要研究的離子加速機制為光壓加速機制和靶後殼層加速機制。對於靶後殼層加速機制，雷射擊打到靶的前表面時，與靶前表面電漿相互作用產生超熱電子，這些電子傳播到靶後時，在靶後建立起殼層場，離子在殼層場中被加速到高能量。因此靶前超熱電子的產生機制對於靶後殼層離子加速至關重要。 該研究基於二維和三維PIC模擬, 我們系統地研究了超強雷射在近臨界密度電漿中傳播時的超熱電子動力學行為。 理論和模擬結果表明在此密度區域, 雷射和電漿耦合作用非常強, 將產生遠高於有質動力勢能的超熱電子。這些電子傳輸到靶後時能建立起更強的殼層電場，從而加速離子到更高能量。模擬研究表明通過此方法能夠提高雷射加速離子能量2-3倍。此模擬結果得到了最新的實驗結果證實。通過和德國慕尼黑大學和馬普所的實驗團隊合作，在英國盧瑟福實驗室的Gemini雷射器上開展了超短超強雷射擊打雙層靶的實驗。實驗中雙層靶由前面一層幾微米的碳納米管和後面一層幾個納米的類金剛石薄膜靶構成。實驗結果發現，通過雙層靶的結構設計，靶後質子加速的能量和單層靶比提高了2.4倍，和模擬工作吻合，這對於雷射離子加速的實際套用具有重要意義。進一步研究表明, 雙層靶對於重離子加速也有顯著好處, 通過和北京大學的實驗團隊合作, 在韓國的CORELS中心的雷射器上開展的實驗產生了質量高達48MeV/u的碳離子束。基於PIC 模擬發現，高能量的碳離子來自於靶前的光壓加速之後到達靶後進行第二次的靶後殼層加速。這種雙階段加速的方式能夠有效地提高碳離子能量。