强激光驱动的超低能散离子源研究

High energy ion bunch generated by intense laser-irradiated target has potential application prospect in tumor therapy, and it is considered as a candidate for the development of table-top ion accelerator. It is demanded that only ion bunch with very low energy spread and some high energy density can be useful for tumor therapy, but presently the quality of ion bunch generated by laser is far away from it. In this project the study on generation of high quality ion bunch with ultra-low energy spread by laser-irradiated near critical density plasma will be carried out through theory analysis and computer simulation. The main research contents are as follows: (1) The generation of high velocity shock wave by currently available laser technology and ion bunch with low energy spread by shock accelerating background ions, and the scale laws of laser and target parameters; (2) The effective combination of collisionless shock acceleration and other acceleration mechanism, and increasing the energy of background ions through twice accelerations with little changing of energy spread; (3) The adoption of the external injection of ions for reducing energy spread of ion bunch and increasing ion density, further leading to the generation of ultra-low energy spread together with two stage accelerations. The project is helpful for not only giving an insight into the generation of high energy ion bunch by laser-irradiated NCD target but also giving a reference value for the interaction of intense laser and matter.

强激光辐射靶物质产生的高能离子束在医学肿瘤治疗领域极具应用前景，有望实现台面式离子加速器。用于肿瘤治疗的离子束要求非常低的能散，并达到一定的束流密度和能量。目前实验报道的激光产生的离子束品质还远不能达到医用的要求。本课题将结合理论分析和计算机模拟，开展强激光辐射近临界密度等离子体产生超低能散离子束研究。主要研究内容有：(1)研究用现有的激光条件产生高速无碰撞激波，以及激波加速背景离子产生较低能散离子束，并获得激光参数和靶参数的匹配关系；(2) 研究无碰撞激波加速和其他加速机制的有效结合，在保持能散变化不大情况下通过两次加速提高背景离子束能量；(3)研究用外注入离子法减小高能离子束能散，提高离子束流密度，并结合两阶段加速方式产生超低能散的高品质离子束。本课题的研究不仅有益于深入认识强激光辐射近临界密度等离子体产生高品质离子束，而且其研究结果还可应用于强激光与物质的相互作用研究。

随着激光技术的发展，强激光驱动的超强电场能够把粒子加速到GeV量级，有望研制成台面式小型粒子加速器。本课题研究强激光在等离子体中驱动的超低能散离子源，主要研究内容及结果如下：（1）研究激光在近临界密度等离子体中传播激发的激波，通过理论分析与粒子模拟，发现激光强度与靶密度必须相匹配才能产生高速无碰撞激波，比如对于强度为a0=17的激光，能够产生高速激波的靶密度大致在6nc<ne<8nc区域；（2）研究离子被激波捕获和有效反射，发现当静电势大于离子动能时，激波捕获并反射离子，但是同时离子也能被激光等离子体界面反射，造成离子束能散升高。（3）研究超强激光驱动的相对论透明等离子体中的离子捕获与加速，通过建立离子波破及离子捕获加速模型，调查了离子波演化过程，发现当静电场大于离子波破电场阈值时离子波破发生，这时离子被捕获加速，同时观察到离子捕获的自调制。三维粒子模拟发现，这种机制下的离子加速，激光强度和等离子体密度的匹配比较严格，在激光参数不变的情况下，离子能量峰值与等离子体密度呈现近余弦函数关系。不同激光强度下具有不同的临界等离子体密度，这个密度对应获得最大能量的离子束。例如对于激光幅度a0=17，离子能量可以达到120MeV，但是能散很大。为了降低离子束能散，我们把单一原子靶换成掺杂质子的重铝靶，发现能够降低离子束能散。同时我们还分析了自生磁场对离子加速的影响。（4）研究激光与多层结构固体靶作用降低离子束能散，模拟发现在靶背面具有长尺度衰减密度特征的近临界密度等离子体能有效降低离子束能散。我们设计了两层固体靶，第一层靶密度均匀，第二层由不同密度的薄层靶组成，比如台阶式变化的靶密度，对靶密度比进行参数扫描，发现两相邻靶的密度比小于2.8时，离子束的能散最低，可达10%级别。这种低能散的高能离子束在治疗肿瘤方面非常有效，并且这种设备体积小成本低，容易普及推广，具有较高的应用价值。