超短超强激光与等离子体相互作用加速产生相对论离子的机制研究

近期，超强激光技术的迅猛发展使得激光与等离子体相互作用加速产生高性能高能离子束成为国际研究热点，随着大型PW激光器的研制成功，利用激光加速产生相对论性离子束成为一个新的挑战。理论上，靶法线壳层电场加速机制（TNSA），光压加速以及空泡加速是将来实现高能低能散离子加速的最有希望的加速机制。目前已有的相对论模型，无论是描述TNSA机制或是光压加速，都没有求解相对论流体方程组，只能估计离子的最大能量。本项目期望通过解析求解相对论的流体力学方程组，建立一个解析的相对论模型来描述利用靶法线壳层加速机制加速离子的物理过程；建立一个解析的相对论模型来描述利用光压加速机制加速离子的物理过程；以及探索建立一个统一的相对论解析模型来描述激光加速离子的物理机制。通过上述模型，可以得到离子的细致的能谱分布及最大能量，可以对已有的相对论模型进行重新验证和完善，加深对相对论激光离子加速的物理细节的理解。

超短超强激光驱动加速离子以其超高加速梯度(100-1000GV/m)、超短脉冲时间(亚ps)等极端物理条件，在高能加速器、粒子物理、天体物理、惯性约束核聚变等领域有着重要的应用前景，是当前强场科学技术的一个前沿交叉学科，具有重大研究意义。本课题组开展了激光加速相对论离子的深入的理论研究工作，建立了适用于研究激光与固体物质相互作用加速离子相对论性的真空等离子体膨胀理论及解析模型，并给出了加速离子能量随激光能量、脉宽等参量的表达式。.取得的创新性成果具体包括：(1)利用相对论辐射压力解析模型，首次计算了辐射压力加速中离子被捕获的临界速度，预测了离子最大能量。(2)利用相对论TNSA解析模型，明确了靶法线鞘层加速中加速电势为有限值，得出了离子最大能量的解析表达式及限值。(3)利用PIC数值模拟提出了双相对论电子壳层诱导的相对论离子加速的新机制。