强激光驱动的高能量密度物理研究

The ultra-intense laser has immensely promoted the development of high energy density (HED) physics. HED electron ion beams have been widely used in the areas of inertial confinement fusion, medical treatment, table-top neutron source, X-ray source. Our project aims to explore new schemes of producing charged particle bunches with higher energy density, and to investigate the application of these HED electron ion bunches in compact X-rays and neutrons source. The topics include successively accelerating a nanometer-size target by two crossed laser beams with opposite phases to generate HED electron beams, accelerating and focusing a semi-shell pellet by multiple ultra-intense laser pulses to generate HED ion beams, laser irradiating a foil with pre-plasmas to produce high energy electron bunch for generating X-rays via Thomson scattering, and laser-driven ion bunches impact with a DT target from multi-azimuth to produce neutrons. Besides, our project intends to investigate the focusing of a high power laser pulse by a cone-type plasma channel, to further increase the laser peak intensity. Our research mainly relies on Particle in Cell simulation and analysis theory.

超强激光的出现极大地促进了高能量密度物理的发展。强激光驱动的高能量密度电子离子团在惯性约束核聚变，医学治疗，台式中子源，X射线源等领域有着极其重要的应用。本项目拟探索可以产生更高能量密度的带电粒子束的新方案，并研究其在小型化X射线源和中子源的应用。具体研究内容包括：用两束激光的反相位交叉光场连续加速纳米颗粒靶，多个激光脉冲轰击半球壳状固体小靶实现对离子团的加速与会聚，激光照射含预等离子体的薄膜靶产生高能电子团、并通过探针光的汤姆逊散射获得X射线，强激光加速离子团从多方位轰击氘氚靶、通过impact fusion产生中子。本项目还计划研究锥形等离子体管道对强激光的聚焦作用、以进一步提高激光的峰值功率。本项目的研究手段以Particle in Cell模拟为主，解析理论为辅。

高能量密度状态一种普遍存在的一种物质状态。它看感觉上离我们生活很远，却和我们关系人类密切，比如太阳内核的物质，比如氢弹爆炸，比如医疗用的高能粒子。 正是因为在能源，医疗，物质探测等方面有重大的应用，才促使我们去研究高能量密度这种状态并加以利用。在实验室中，超强激光器与物质相互作用是人类可以产生的高能量密度物质的一种很重要的方法。近几十年，美国投入几十亿美元建造国家点火装置（NIF），欧洲计划用近十亿欧元来建造超强激光装置ELI，以及我们国家花费几百亿人民币建造神光系列装置。这些大项目的出现说明目前基于强激光的高能量密度物理研究受到了很多国家的极大重视。但是，我们也注意到，不管是在基础理论上，还是在技术方案上，仍然有很多问题需要我们去解决。.在这个青年基金项目中，我们主要是研究如何在激光和物质（等离子体）相互作用中产生高品质的带电粒子（电子，质子，重离子等），以期在激光控制核聚变，离子束肿瘤治疗，X射线产生等方面获得应用。研究基本上是按照项目书中的研究计划来进行的。当然对研究过程中出现的一些新现象也进行了探索。主要的研究内容包括：1）利用交叉光产生的独特光场加速固体密度靶，2）连续两个激光脉冲在亚临界等离子体中加速电子获得高能量密度电子，3）激光与充满亚临界密度等离子体的锥靶作用产生高能量密度的电子束，4）多脉冲超强激光与球壳靶作用加速并聚焦高能量密度的等离子体，5）激光与三明治靶作用在沿着靶面方向获得准单能碳离子束，6）激光轰击条纹结构的靶在相对论透明效应下的质子加速，7）激光与具有长预临界密度等离子体作用下的靶后壳层加速，8）自发产生的电子空腔对电磁波的捕获，9）强激光在中空球壳中捕获效应。.这些研究通过对靶或者激光的操控，改善了获得的高能粒子的品质（能量密度，准直性，单能性等）。比如我们提出的交叉光加速方案，在同等的激光条件下，获得的电子束电量可以比用目前常见的方法获得的电子束电量大一个数量级。将靶设计成条纹结构更容易达到相对论透明效应而使质子获得达到肿瘤治疗所需要的能量。这些加速方案为各种实际应用提供了理论和模拟的参考，也同时加深了大家对激光驱动等离子体加速物理机制的理解。