基于超薄纳米靶体的激光等离子体质子加速实验研究

Laser plasma accelerators can sustain extrumely large acceleration gradient that is three orders of magnitude greater than conventional RF linacs, which makes them as bright candidate for the future compact accelerators and radiation sources. Phase stable acceleration (PSA) was first proposed by Peking University，Institute of Physics (CAS) and Shanghai Jiaotong Uni. at 2008 and has been considered as a promising route to achieve high quality ion beams. This project is focusing on the experimental study of PSA, Laser driven plasma lens for laser focusing and cleaning and it's effects on proton energy enhancement.

激光等离子体加速的加速梯度高于传统射频加速器的三个量级以上，是建造未来紧凑型高能粒子加速器和辐射源的有利候选结构。2008年，北京大学和物理所、上海交通大学等单位一起首次在国际上提出利用圆偏振激光和超薄纳米固体靶体相互作用的稳相加速机制，可以获得高品质准单能质子束。本项目将在这一理论基础上开展大量实验工作。包括：（1）利用自主研发的自支撑碳膜靶体，在国内现有激光系统上开展稳相加速机制的实验验证研究，获得MeV级的准单能质子束；（2）研制激光等离子体透镜的实现条件，实验探测其对激光的聚焦和预脉冲净化效应；（3）研制等离子体透镜与超薄纳米固体靶体结合的复合型靶体，进一步提高质子束的能量与品质。与此同时，将根据实验开展理论模拟和解析工作，以对实验现象和结果作出准确的解释。

激光离子加速器是一种新型超小型加速器，它利用超强激光脉冲与固体密度等离子体相互作用，产生TV/m电荷分离场，在微米的尺度内即可将离子加速到相对论能量。激光加速得到高流强、短脉冲的离子束，在癌症治疗、聚变科学、质子成像、空间辐射等多个方向都具有重要应用。根据激光脉冲和靶体的参数匹配，激光离子加速可以分成靶后鞘层场加速（TNSA）、光压加速（RPA）、库伦爆炸、激波加速等多种机制。其中，光压加速具有加速效率高，离子品质好等优点，越来越受到人们的重视。本项目以北京大学自主提出的光压稳相加速为理论基础，结合等离子体镜透镜技术，进一步提高激光加速的能量转换效率，获得高品质的准单能离子束。主要研究成果包括：（1）研发纳米自支撑的类金刚石碳膜（DLC）靶体；与韩国光州大学合作，利用DLC靶体，获得能量为46MeV的质子束和230MeV的碳离子束。（2）等离子体透镜技术可以提高激光脉冲品质及加速效率，提出利用激光自身的预脉冲产生烧蚀预等离子体作为等离子体透镜的可行性，并进行了详细的理论模拟研究，显示在目前的百TW激光系统上加入合适参数的烧蚀脉冲，可以获得100MeV的质子束。（3）搭建等离子体透镜探测平台，包括束靶耦合、烧蚀脉冲延迟等系统，并开展了初步实验。更为系统的实验将在激光器改进后进行。该项目基金所开展的研究，为后续实现等离子体透镜技术打下了较好的理论和实验基础。