高对比度超强激光级联加速高能质子束

With the development of the laser technology, relativistic pronton beam can be generated by the interaction of intense laser pulse with plasmas.It would be interesting to increasing the maximum proton energy or equivalently the effciency of energy transfer from the laser pulse into accelerated protons without increasing the energy of the laser pulse.In this project, the generation of the proton beam with higher erergy and marrower energy spectra by a cascaded target normal sheath acceleration (TNSA) scheme is investigated.The main content of this project is as follow.Firstly, the maximum proton energy is improved by using a high contrast laser (~1e11 at 100 ps before the peak of the main pulse) in a single TNSA. Secondly, the maximum proton energy is further improved by a cascaded TNSA scheme. Thirdly, a mono-spectral proton beam is generated by a cascaded acceleration scheme in a double-stage setup. Lastly, the experimental parameters and design for the gerneration of the proton beam with high energy and mono-energy spectra by a high contrast laser are found. This project can help us to understand the intrinsic physics of the generation of high-quality proton beam with high energy and mono-energy spectra.

超强激光与等离子体相互作用产生高性能质子束已成为可能，其应用广泛。在不提高激光能量的前提下，提高质子的能量或者提高激光能量转化到质子束能量的效率是非常有意义的一件事情。本项目主要研究通过使用超高对比度激光与薄膜靶的TNSA级联作用，提高质子束的最高截止能量和改善质子能谱的单能性。本项目的主要内容为：1、利用中科院上海光机所强光实验室的高对比度激光（主脉冲前100ps处对比度~1e11）与超薄靶作用，提高单级TNSA作用产生的质子束的最高截止能量。2、进行级联TNSA，进一步提高质子的能量。3、采用两步式级联TNSA改善质子能谱，得到准单能的质子束。4、结合模拟和实验，总结在高对比度相对论激光条件下，得到准单能、高能质子束的实验参数和设计要求。本项目有助于揭示高性能（能量高，准单能）质子束产生的物理本质。

自从2000年开始利用超强激光驱动离子加速实验以来，质子加速的已经发展了十几年，但是，更接近实际应用的质子能量和能谱方面的改善却进展缓慢，如何在现有实验室条件下，进一步提高质子束能量，改善质子束能谱，是质子加速领域内的一个难题，我们的项目试图通过级联加速方式来改善这一难题，经过努力，最终我们在实验中实现了质子两级级联加速，并验证了：在现有实验室条件下，进行更高能量质子束的级联加速是可能的。. 本项目组基本合理完成了项目合同的要求，不仅在质子加速方面取得丰富的成果，同时还进一步实现了质子成像的应用，为将来的实验提供了探测手段。最后依靠质子成像这一技术手段，在实验中实现了高效级联质子加速。另外，本项目组开展的实验中的物理结果间接反映了实验室的激光器运行情况，为激光器的升级发展提供了可靠的实验依据。目前世界上只有一个实验小组成功实现了级联TNSA实验，当时他们获得1MeV的准单能质子束。我们现在通过改良的质子成像技术手段，在空间和时间上成功实现了对级联质子加速的精确调控，获得了5MeV的准单能质子束，打破了之前的级联TNSA加速质子束的能量的世界纪录。. 目前，国内对超高对比度激光进行的TNSA研究并不多，其中的物理本质和规律并不是很清楚，还有许多细节问题需要解决，我们的工作意义重大，它不仅可以揭示高性能（能量高，准单能）质子束产生的物理本质，而且可以指导以后的理论工作，并为实验提供必要的经验，具有重大的应用价值和经济效益。