优化质子照相技术研究靶内外热电子输运与等离子体膨胀过程

With the development of the laser technology, relativistic proton beam can be generated by the interaction of intense laser pulse with plasmas. Proton imaging is the unique application of multi-MeV protons realized so far in laboratory. We have finished many simulations and experiments of particle acceleration in the past. More than 30 papers have been published on Sci. Reports, Phys. Rev. Lett., Appl. Phys. Lett., and so on. It is necessary to develop the proton imaging under present experimental conditions. First, the high-contrast laser is used to increase the proton energy and reduce the divergence, which is needed by the proton imaging. Second, the density distributions of calibration and biological samples can be obtained by the static proton imaging. The spatial resolution of proton imaging will be tuned by changing the properties of the proton beams. Finally, the dynamic detection will be realized by the proton imaging. The hot electrons can be generated by the irradiating of the laser. Then the changing of the velocity and divergence of the hot electrons at different time can be detected by the proton beam. The plasma expansion also can be detected outside the target, which can verify the improvement of the laser contrast in experiments. Our work can reveal the physical essence of proton imaging, which provides the detecting method for experiments. Proton imaging has potential applications and can bring considerable economic interests.

超强激光与等离子体相互作用产生高性能质子已成为可能，质子照相是目前激光驱动产生的MeV量级的质子束唯一比较成功的实际应用。本项目组基于实验室PW激光系统，围绕粒子加速这一热点课题，完成了大量的理论模拟和实验研究，在Sci. Reports、Phys. Rev. Lett.、Appl. Phys. Lett.等国际知名SCI期刊上发表论文30余篇。在此基础上，本项目将深入开展质子照相相关研究。内容包括：1、通过改善激光对比度优化TNSA，获得质子照相所需的高能小发散角的质子束。2、利用优化的质子源对刻度样品和生物标本进行密度成像，获得高分辨率成像的条件。3、探测靶内外热电子输运和离子体的膨胀过程，分析热电子在靶内传输的速度、发散角演化等信息，同时验证实验中激光器对比度的改善情况。本项目有助于揭示质子照相的物理本质，可为实验提供必要的探测手段，具有重大的应用价值和经济效益。

基于目前国际上激光驱动质子加速领域内的最新进展，本项目首先优化了质子照相所需的质子源的品质。通过使用超高对比激光与薄膜靶相互作用，得到质子照相所需的高性能的质子源。使用高对比度激光主要具有两方面优势：其一，减小预脉冲，可以提高质子束的最高截止能量，扩大质子束探测的深度范围；其二，质子束能量越高，发散角越小，从而可以增强束流的准直性和电流，提高质子成像的空间分辨率。另外，通过控制质子源的参数来优化质子照相的效果，能够进一步提升质子照相的分辨率。利用优化的质子照相技术探测靶内外热电子的输运和等离子体的膨胀信息，这对于ICF中快点火方案具有重要的参考价值。同时，通过研究等离子体在靶外的膨胀程度，也有助于我们从实验结果上研究激光器对比度的改善效果。目前，国内对质子照相技术研究并不多，尤其是超高对度的激光进行的质子照相还没有深入研究，其中的物理本质和规律，特别是照相机制的优化方面，并不是很清楚。根据本项目理论和实验基础，不仅有助于揭示高性能质子束产生和质子照相的物理本质，而且可以指导以后理论工作和为实验提供必要的探测手段和经验，具有重大的应用价值和经济效益。.在2016年1月-2019年12月期间，本项目组成员一共发表项目资助的SCI论文10篇，其中包括Phys. Rev. Lett. 1篇、Appl. Phys. Lett. 3篇、PPCF1篇、POP3篇等。包括高品质质子加速的理论和实验工作、质子成像和利用质子成像实现的两级质子级联加速实验工作等。世界上第二个完成了两束激光打两个靶的质子级联实验，将单能质子束能量由1MeV提高到了5MeV,同时最高截止能量为14 MeV。世界上第一次获得了1 MeV的准单能C2+离子的级联加速。很好的完成了项目立项时的目标。