激光加速获得准单能质子的理论和实验研究

传统射频加速器由于存在电场击穿，加速梯度要低于100MV/m，所以随着能量的增加加速器的长度和体积变得越来越庞大。超短超强激光与等离子体相互作用产生的加速电场梯度可以达到100 GV/m以上（比射频加速器高3个数量级以上），表明采用激光加速离子有可能显著地减小加速器的体积和降低建造成本。现有激光加速机制（如鞘层加速机制）中激光对离子的有效加速长度很短（微米量级），得到的离子能量较低。且由于没有纵向聚束，束流能散较大。本项目将致力于寻找新的激光加速机制，以提高激光等离子体加速器中离子的有效加速长度和降低束流的能散，并分别从理论和实验上进一步探索激光驱动产生准单能质子的可行性。

本项目围绕强激光驱动离子加速，开展了相关的理论、数值模拟和实验研究。我们对超强相对论激光与临界密度等离子体作用的物理机制进行了深入的理论研究。发现激光穿过临界密度等离子体时，由于相对论自聚焦和相对论相位自调制效应，其光强大幅度提高，脉冲上升沿缩短和脉冲对比度改善。同时，在临界密度等离子体中，在激光电场和百兆高斯准静态磁场作用下，会发生自匹配共振电子加速机制。这种高密度和高品质的电子束，在穿过固体薄膜靶之后将显著增强鞘层电场强度，对于光压稳相加速和鞘层加速都具有重要意义。通过理论和实验研究，我们建立了超强高斯脉冲激光与近临界密度等离子体相互作用过程的清晰物理模型，并验证了其对于离子加速的效率的增强效应。. 在质子加速新机制的理论研究方面， 我们提出了利用双抛物面靶体来抑制横向不稳定性的方法，克服了光压加速过程中靶体变形和破裂的问题；将电离程序植入粒子模拟程序中，研究了电离物理在光压加速机制下对重离子加速的影响，为获得高品质重金属离子提供了可能性。.在实验研究方面，我们通过国际合作，完成了离子加速的实验目标；同时初步搭建了北京大学等离子体透镜测试平台，探索实现可控控制等离子体标尺长度的方法；进一步掌握了自支撑纳米靶体的研制方法，完善制备工艺，目前已经成功研制出自支撑纳米靶体；上海交通大学完成相应的真空箱体系统安装和调试，为后续实验的进一步开展奠定了基础。