超强激光驱动的离子加速研究

Laser plasma accelerators can sustain extremely large acceleration gradient that is three orders of magnitude greater than conventional RF linacs, which provide a new way for particle acceleration. As the generated ion beams from laser-driven ion accelerators have the advantages of short duration, extremely brightness and collimation, it is attractive for many applications such as laser fusion, medical diagnosis and treatment, and ion imaging. With the development of laser technology, ultraintense laser pulses with peak intensity in excess of 10^23W/cm^2 will become available, which will provide available condition for realistic application of laser-driven ion accelerators. Theory and simulation study of this topic is of great importance for the related experiments. Our projects aims to doing deep theory research on high intensity laser-plasma interaction process, and explore new schemes for ion acceleration. The topics include: research on electron QED effect, laser propagation in plasma, ion acceleration from two-layer target, the plasma instability and ion acceleration from laser solid target interaction. Our research mainly relies on Particlein Cell simulation and analysis theory.

超短超强激光驱动的粒子加速器可以获得高于传统加速器三个量级以上加速梯度，为粒子加速提供了一个全新的思路。激光驱动离子加速器产生的离子束具有脉宽短、亮度高、方向性好等特点，这使其在激光聚变、离子束诊断和治疗、超快成像等方面都具有广泛的应用前景。随着激光技术的发展，激光的脉冲峰值强度即将达到并超过10^23W/cm^2，这种超强激光技术的发展将为激光驱动新型离子加速器走向实际应用创造条件，对其进行理论和模拟研究对相关实验的开展具有重要意义。本项目将对这种超强激光与等离子体相互作用的物理过程展开深入研究，并探索新的离子加速方案。具体内容包括：超强激光下电子量子电动力学效应研究，超强激光在等离子体中的传输，双层靶离子加速，等离子体不稳定性研究和超强激光与固体靶作用离子加速研究。本项目的研究手段以Particle in Cell模拟为主，解析理论为辅。

随着激光技术的发展，超强激光与等离子体相互作用是近年来一个非常热的研究主题，研究方向包括惯性约束核聚变，激光驱动电子和离子加速，超强激光引起的真空击穿效应等等。其中，激光驱动的离子加速因其比传统加速器高三个量级以上的加速梯度，在离子束治疗癌症，粒子注入，同位素生产等很多方面有重要应用。目前国际上主要研究的离子加速机制为光压加速机制和靶后壳层加速机制。对于靶后壳层加速机制，激光击打到靶的前表面时，与靶前表面等离子体相互作用产生超热电子，这些电子传播到靶后时，在靶后建立起壳层场，离子在壳层场中被加速到高能量。因此靶前超热电子的产生机制对于靶后壳层离子加速至关重要。. 该研究基于二维和三维PIC模拟, 我们系统地研究了超强激光在近临界密度等离子体中传播时的超热电子动力学行为。 理论和模拟结果表明在此密度区域, 激光和等离子体耦合作用非常强, 将产生远高于有质动力势能的超热电子。这些电子传输到靶后时能建立起更强的壳层电场，从而加速离子到更高能量。模拟研究表明通过此方法能够提高激光加速离子能量2-3倍。. 此模拟结果得到了最新的实验结果证实。通过和德国慕尼黑大学和马普所的实验团队合作，在英国卢瑟福实验室的Gemini激光器上开展了超短超强激光击打双层靶的实验。实验中双层靶由前面一层几微米的碳纳米管和后面一层几个纳米的类金刚石薄膜靶构成。实验结果发现，通过双层靶的结构设计，靶后质子加速的能量和单层靶比提高了2.4倍，和模拟工作吻合，这对于激光离子加速的实际应用具有重要意义。进一步研究表明, 双层靶对于重离子加速也有显著好处, 通过和北京大学的实验团队合作, 在韩国的CORELS中心的激光器上开展的实验产生了质量高达48MeV/u的碳离子束。基于PIC 模拟发现，高能量的碳离子来自于靶前的光压加速之后到达靶后进行第二次的靶后壳层加速。这种双阶段加速的方式能够有效地提高碳离子能量。