相对论强激光驱动加速高品质单能高Z重离子束研究

Laser particle accelerator can provide three-order higher magnitude of the accelerating field than the conventional accelerator, resulting in reduction of the accelerator size by more than one thousand times and accordingly significant drop of the cost, which will bring a new revolution of accelerator technologies. However, most of current studies concentrate only on accelerations of electrons, protons and light ions. High-energy high-Z heavy ion beams have much broader applications in the fields of nuclear physics, high-energy density physics and medicines due to their large masses, high charges, accurate projected ranges and large energy deposition areal densities. This project is to theoretically and numerically investigate the interaction of high-Z targets with relativistically intense laser pulses by taking into account multiple complicated physical effects such as collision, ionization, radiation reaction and quantum electrodynamics (QED) etc. In this project, novel potential routes to obtaining high-quality, high-Z, heavy ion beams will be proposed and the corresponding optimum laser and target conditions will be explored. The features of laser-driven high-Z heavy ion acceleration and the dependences of the achieved heavy ion energies on the laser intensity and target material Z and thickness will be investigated. Preliminary study of high-energy heavy ion beam with matter will be also carried out. The outcome of the project will provide the scientific basis for the next generation of laser heavy ion accelerators.

激光粒子加速器是国际上的前沿研究热点，其产生的加速电场可以比常规加速器至少高出三个量级，加速器的尺寸相应降低千倍以上，可以更加经济地实现带电粒子的加速，必将带来一场新的加速器技术革命。目前激光粒子加速器的研究都集中于电子、质子或轻离子，而高能高Z重离子束由于其质量大、所带电荷多，射程确定、能量沉积密度大等特性在核物理，高能量密度物理、和医学方面都有着更加广泛和重要的应用。本项目拟理论和数值研究相对论强激光与高Z材料靶相互作用物理，自洽分析碰撞、离化、辐射反应以及QED等复杂的混合物理效应；在此基础上探索相对论强激光加速产生高品质单能高Z重离子束的新物理机制和激光与靶的设计新方案，并给出高Z重离子激光加速的基本特点，如峰值能量对激光强度、靶材料Z及厚度等的标度率，最佳激光和靶参数条件等。项目还将开展高能重离子束与物质相互作用的初步研究，为未来我国建设新一代激光重离子加速器提供理论基础。

激光驱动离子加速在过去近二十年间引起了广泛的研究兴趣，这是因其加速梯度相较于传统射频加速器高出三个量级以上，且其产生的离子束具有横向发射度小、脉冲周期短等在应用方面的潜在优势。目前激光粒子加速的研究都集中于电子、质子或轻离子，而高Z重离子束由于质量大、所带电荷多，射程确定、能量沉积密度大等特性在核物理，高能量密度物理和生命医学方面都有着更加重要的应用。项目中，我们通过理论与数值模拟结合对相对论强激光驱动加速重离子的动力学过程进行了深入系统的研究，厘清了碰撞、离化、辐射阻尼以及量子电动力学等复杂物理效应对加速过程的影响，并发展了相应的可计算物理建模和程序模块。在光压加速方面，通过不稳定性细致研究，我们提出了获得高品质高Z重离子束的“离化动态致稳”新型光压加速方案，并给出了优化的最佳参数条件和加速定标率，包括激光和靶结构设计与参数等，其主要物理思想是利用加速薄靶前高Z涂层材料的动态离化效应补充电子来稳定重离子的辐射压加速。三维模拟表明，在10^22W/cm^2的激光驱动下，可获得峰值能量为3.8GeV、粒子数为10^10的准单能Al离子束。在无碰撞激波加速方面，针对重离子特点，我们提出了利用横向被约束的近临界密度等离子体实现激光驱动稳定无碰撞激波离子加速的物理方案，从而利用千焦皮秒激光获得能量分布在50~80MeV，粒子数达到10^12的高通量离子源。在此基础上，我们进一步提出了激波加速与磁涡旋诱导加速相结合的全光学级联离子加速方案，不仅能大幅提高离子的最大能量，还能调制离子能谱获得准单能离子束。此外，我们还总结和梳理了强激光离子加速目前主要加速机制及其存在的问题，提出从热压至光压到未来静电压加速的新思想。针对未来极端强场激光，我们提出了利用数周期激光辐照多组分纳米薄靶实现类电容器电场离子加速的新机制。上述研究成果，为未来建设新一代激光重离子加速器及其在国防、核物理和聚变能源方面的应用提供了理论支撑。