飛秒相對論強雷射驅動空泡機制加速質子的研究

《飛秒相對論強雷射驅動空泡機制加速質子的研究》是依託中國科學院上海光學精密機械研究所，由張曉梅擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：飛秒相對論強雷射驅動空泡機制加速質子的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張曉梅
• 依託單位：中國科學院上海光學精密機械研究所

項目摘要

高性能質子束套用領域廣闊，目前的質子加速機制中，除了很難再突破的靶後鞘層加速機制外，最有潛力的是圓偏振雷射驅動光壓加速，但其在實驗上實施有很多困難。本項目研究的飛秒相對論強雷射驅動空泡加速質子機制，即採用嵌有固體小靶的稀薄電漿靶，集合了光壓加速機制和空泡加速機制的雙重優點，對雷射的對比度要求並不苛刻，且避免了多維不穩定效應的破壞影響，易於實現超高能量質子束的加速。本項目主要研究內容為：1、研究飛秒相對論強雷射驅動空泡機制加速質子中的定標關係並獲得能量為100GeV以上的超高能質子束方案。2、研究固體小靶參數對飛秒相對論強雷射驅動空泡加速質子機制的影響。3、研究雷射偏振性、焦斑尺寸等對空泡加速質子機制的影響以及被加速質子束的聚束效果。開展這一方向的專門研究，不僅有助於揭示這種新型質子加速機制的物理本質，而且對以後的實驗實施提供理論依據和指導作用，具有重大的實用價值和潛在的經濟效益。

結題摘要

高性能質子束套用領域廣闊，目前的質子加速機制中，光壓加速機制獲得的質子束無論在性能方面還是在能量轉換效率方面都具有較大的優勢。這種加速機制對實驗條件要求較為苛刻，更為重要的是很難將離子加速到幾百甚至TeV量級。本課題研究的飛秒相對論強雷射驅動空泡加速質子機制，採用嵌有固體小靶的稀薄電漿靶，集合了光壓加速機制和空泡加速機制的雙重優點，對雷射的對比度要求並不苛刻，且避免了多維不穩定效應的破壞影響，易於實現超高能量質子束的加速。在過去的三年中，本課題研究了利用目前可獲得的飛秒相對論強雷射驅動光壓和空泡聯合機制獲得高性能質子束，如採用強度為1022 W/cm2的雷射脈衝作用可獲得能量為15GeV的質子束；為了實現更穩定的加速，還研究了外部注入機制，通過採用雷射模式選擇和電漿通道的途徑使得質子束橫向被很好的約束和加速，同時雷射強度可以進一步降低；研究了超短超強雷射作用在嵌有高密度小靶的低密度背景電漿上，利用光壓加速機制聯合空泡加速機制獲得超高能量質子束。發現採用橫向超高斯的雷射脈衝時，質子束能量大大提高；為了實現長時間穩定加速，獲得TeV量級能量，我們還利用中空電漿通道等方式採用高能質子束驅動產生的尾波場進行加速研究，並舉得較好的結果。本課題在研究飛秒相對論強雷射驅動空泡（尾波場）加速質子的同時，還對它涉及的強雷射驅動光壓加速和空泡（尾波場）加速兩方面也進行了更加細緻的研究，在套用上也有很大的發展空間，如基於雷射電漿相互作用的電子輻射有望成為新型的x射線源，基於雷射薄膜靶作用的超短（阿秒）脈衝產生方案避免了傳統方法中材料損傷引起的強度限制。本課題研究內容對以後的實驗實施提供理論和指導作用。