新型高效激光等离子体加速机制的理论和实验研究

In recent years, the laser plasma accelerator can generate mono-energetic GeV-level electron beam in cm scale, while it is hard to accelerate ion because the it is thousands time heavier than the electron. The radiation pressure acceleration (RPA) can efficiently accelerate the ions theoretically if hitting the foil by an ultraintense laser pulse, which was demonstrated experimentally. However, most of laser energy is wasted when laser breaks through the foil, because the transverse instabilities always destroy the foil quickly. In this project, we are aiming at the new acceleration mechanism based on the critical dense plasmas and related complex target, there will be new breaking results for application of laser plasma accelerator in the near future.

近年来激光等离子体加速取得了重要突破，已经可以在厘米的尺度上获得GeV量级准单能电子束。通常离子比电子重几千倍，相比而言加速更为困难。光压加速在理论上可以有效加速离子，我们在前期研究中提出和验实了光压稳相加速机制的存在，加速得到了几十MeV的质子和准单能碳离子。由于存在不稳定性，在激光穿透薄靶之后，大部分激光能量不能继续用来加速离子，从而限制了激光的转化效率。在纳米靶之前增加临界密度等离子体，可以有效提高激光的吸收效率，近期我们也在实验上初步证实能够提高离子加速效率2~3倍以上。本项目拟在前期研究基础之上，着重研究临界密度等离子体靶和相应的复合结构靶（例如碳纳米管和尺度可控的预等离子体），进一步从理论和实验上探索新的加速机制和方法，在激光离子加速中取得重要突破，力争获得40~60MeV的质子，推动激光离子加速器走向应用。

作为一种新型先进加速器的设想，使用强激光来加速电子和离子与传统加速器相比具有加速梯度高、装置小型化的优点，但目前也存在加速离子能散大，束流不稳定等问题。项目围绕强激光驱动离子加速开展了理论、数值模拟和实验研究。在理论上获得了接近TeV的质子加速；提出了基于激光驱动光子对撞机的新方案。实验上通过激光加速观察到了580MeV碳离子。此外，项目攻克了飞秒激光长距离传输技术、波前自反馈整形技术、纳米靶材靶体制备技术、束靶耦合技术、离子束诊断技术和远程控制技术等多个难关，提出了一套激光离子束流的点点相成像传输新方案，建成了一台可以实现3-9 MeV，能散可控（1%~5%）的质子加速器，首次实现了激光加速到激光质子加速的跨越。该激光质子加速器的建立对质子加速器的小型化提供了非常重要的理论基础及技术累计，对发展激光加速质子治癌有重大科学意义。同时利用建成的CLAPA装置，开展了粒子辐照、生物成像和等离子体磁场诊断的相关研究工作。