激光正电子级联加速研究

In recent years, positron beams generated by ultra-intense laser have attracted much attention because of the outstanding properties of these beams, such as, short pulse duration, high energy, and high density, etc. Especially, quasi-monoenergetic positron beams can be produced by ultra-intense laser-solid interactions owing to the acceleration of the sheath field on the back of the solid target. This novel quasi-monoenergetic positron source may be used in the depth-resolved detection of the material science or as a accelerator injector for the electron-positron collider. At present, however, the positron beam energy is usually lower than 20 MeV, thus the beam cannot be directly used in the applications mentioned above. In this study, we propose a new positron acceleration scheme which two laser beams will be used. The positron beam generated by the first laser interacting with a first solid target will be directed into the sheath field formed in a secondary target which is hit by the second laser. The positron beam will undergo a two-stage acceleration and its energy will be enhanced. The positron beam injection and acceleration in this process will be investigated. This work has a great significance in the aspect of the positron energy controlling and its related applications.

近年来，基于超强激光产生的正电子束由于具有脉宽短、能量高、密度高等特点，引起了研究人员的广泛关注。这其中，超强激光与固体靶相互作用时在靶背产生的鞘电场会对正电子束进行加速，从而形成准单能的正电子束，这种准单能的正电子束可用于深度分辨的材料缺陷检测或者作为正负电子对撞机的粒子源等，并在实验室天体物理方面具有巨大的应用前景。然而，目前这种正电子束其能量小于20MeV，能散也较大，严重制约着后续的应用。本项目拟采用双激光脉冲打靶的方式提升正电子的能量，拟针对激光固体靶相互作用产生的正电子束进行二级加速，将初级靶中产生并初步加速的正电子注入到次级靶的靶背鞘电场中进一步提升正电子能量并且降低其能散。课题组将针对该过程中正电子注入及加速等问题展开研究。该项工作对于调控正电子束能量从而实现基于激光正电子源的各类应用具有重要意义。

近年来，基于超强激光产生的正电子束由于具有脉宽短、能量高、密度高等特点，引起了研究人员的广泛关注。这其中，超强激光与固体靶相互作用时在靶背产生的鞘电场会对正电子束进行加速，从而形成准单能的正电子束，这种准单能的正电子束可用于深度分辨的材料缺陷检测或者作为正负电子对撞机的粒子源等，并在实验室天体物理方面具有巨大的应用前景。然而，目前这种正电子束其能量小于20MeV，能散也较大，严重制约着后续的应用。本项目提出了采用双激光脉冲打靶的方式提升正电子的能量，针对激光固体靶相互作用产生的正电子束进行二级加速，将初级靶中产生并初步加速的正电子注入到次级靶的靶背鞘电场中进一步提升正电子能量。采用数值模拟以及实验的方法开展了正电子级联加速研究。数值模拟方面，采用蒙特卡罗方法和PIC（particle-in-cell）模拟了正电子在次级靶中的加速过程，研究了正电子束注入时间位置对加速的影响，研究了次级靶厚度对正电子束特性的影响，证实了激光驱动正电子双靶级联加速的可行性，给出了相关的加速规律。实验方面，在星光III激光装置上进行了初步的尝试，由于激光预脉冲未能满足高温超热电子束的产生，因此未获得明显的正电子信号。该项工作对于调控正电子束能量从而实现基于激光正电子源的各类应用具有重要意义。