强激光和等离子体相互作用过程中质子加速物理机制研究

Recently the search for mono-energetic protons has gained great interests, particularly in applications such as proton therapy for cancer treatment. Proton therapy holds great promise to revolutionize the treatment of certain cancers because of the lower collateral damage to healthy tissue, an issue that is critically important for pediatric patients.Therefore, there is a strong demand for the development of a compact source of high-quality protons (high enough flux, low divergence, nearly mono-energetic and tunable) of energy 50-250 MeV suitable for widespread dissemination for cancer therapy. Combined radiation pressure,shock wave and solitary wave accleration induced from laser thin foil plasma interactions is an attractive alternative way to obtain such high quality proton beams.In this project, We will investigate the acceleration mechanism and the acceleration process. Energy scaling and parameter study of laser and plasma also will be investigated.

高能质子辐照肿瘤，在杀死癌细胞的同时，却能保证对身体的健康组织细胞破坏较小。因此，准单能高能质子束的研究以及其在肿瘤治疗的巨大应用引起了人们很大的兴趣。但目前基于回旋加速器的此类医疗设备费用昂贵，很难普及。因此研建一种低成本高质量（高能流，低散射度，近单能和可调谐）质子束源就是推广质子治疗肿瘤的首要步骤。而激光与等离子体相互作用为人们提供了新的粒子加速机理；用超强激光驱动的相对论等离子体加速为新一代粒子加速技术发展提供了新的机遇。本项目中我们用二维粒子模拟程序研究激光和等离子体相互作用过程中高质量质子束产生的物理机制。

我们用二维粒子模拟程序研究激光和等离子体相互作用过程中高质量质子束产生的物理机制,以及影响高质量质子束产生的磁场因素，电子加速情况，以及其加速的质子束对中子产生的影响，不稳定性情况等。.重要结果、关键数据及其科学意义：.１.　关于激光和等离子体相互作用产生的物理机制以及影响高质量质子束产生的磁场因素方面，电子加速情况，我们利用二维粒子模拟程序研究了激光与磁化或者非磁化等离子体相互作用产生的冲击波的物理机制,给出了冲击波波前处磁场的产生放大特性。研究发现，作用过程中的自生磁场可以储存能量，从而进一步加速电子，从而加速质子。当存在外加磁场时，由冲击波加速的电子和离子的能量都比同条件下非磁化等离子体的能量高;与天文观测中推断的磁场与背景磁场相比放大千倍这一研究结果的比较可以看出，天体冲击波周围磁场放大应该主要是由局域内生磁场导致的。外加磁场有助于冲击波加速离子到更高的能量，有助于得到50-250MeV能量的离子，从而实现小型化粒子加速治疗肿瘤。.２.　激光和等离子体相互作用产生的质子来获得中子的影响，不稳定性等，我们利用超短超强激光和氘金双层球腔靶相互作用产生后向加速的氘离子，激光注入球腔靶后，在球腔靶中多次反射，只有少部分激光被反射回去，吸收率可达70%以上。激光加速电子围绕金腔做Z字形运动，部分电子在中心汇聚，形成的鞘场加速离子，形成的鞘场加速离子也在中心汇聚，由于汇聚，形成静电激波。离子在中心并没有停止，而是继续向前运动，最终离子由于碰撞，不稳定性等作用，共有两种中子产生机制，一种是束靶相互作用产生，一种是热核反应中子，我们分别给出了产额，束靶作用中子大概为10e6.这种方法可以实现中子源的小型化。