碳纳米管泡沫作为临界密度靶材在激光离子加速中的应用研究

Owing to the advances in nanomaterial and nanotechnology, carbon nanotube foam (CNF) has been successfully introduced in laser-driven ion acceleration as ultrathin, sharp-edged, highly uniform near-critical-density targets. Previous study has confirmed the feasibility of using CNF as plasma lens in significantly enhancing the proton energy by a factor of 2-3. This proposal is aimed to further explore all possibilities on applying CNF as near-critical-density targets in the field of laser-driven ion acceleration. Chemical vapor deposition method will be used to obtain CNFs with larger parameter interval of density and thickness and better homogeneity. The enhanced acceleration of ions with double-layer targets will be thoroughly studied by adjusting the parameters of targets and lasers. By using free-standing CNF films, novel regimes such as collisionless shock acceleration, relativistic transparency acceleration and ion wave-breaking acceleration will be explored in experiments. Magnetic vortex acceleration will be studied depending on the progress of the target fabrication technique of CNF with density gradient.

借助于纳米材料制备技术的突破，碳纳米管泡沫薄膜近期被成功的应用到激光离子加速实验中。这种材料的出现使得我们可以可控地将超薄的临界密度等离子体作为靶体。前期的实验研究已经证实了碳纳米管泡沫作为等离子体透镜增强RPA的可行性，离子能量相比于单层靶增加了2-3倍。本项目拟进一步深入研究碳纳米管作为临界密度等离子在离子加速中的应用。采用化学气相沉积方法获得密度及厚度参数区间更大、宏观均匀的临界密度靶材。深入研究双层靶离子加速过程，在更大的参数空间内得到最优化的双层靶加速结果。利用自支撑碳纳米管泡沫薄膜开展无碰撞静电冲击波加速、相对论自透明加速、离子波破加速等新型加速机制的实验研究。在具有密度梯度的碳纳米管泡沫制备技术突破的基础上，开展磁偶极子涡旋加速离子的实验研究。

激光加速过程发生在激光到靶后微米-飞秒量级的时空尺度内。传统的靶主要包括惰性气体及由常见固态材料制成的膜片，其组分单一、结构简单，无法实现精巧复杂的加速过程。本项目中，我们进一步发展了基于碳纳米管的先进靶材体系，并利用他们在实验中产生了高能的质子、碳离子与超重离子。在靶材制备方法上，通过对催化剂供给率及碳纳米管生长环境的优化调控，实现了对密度、厚度、均匀性的精确控制，研发出电子密度在0.2nc-10nc的碳纳米管临界密度靶体系，完全覆盖了次临界密度区（0.1nc<ne<1nc）与超临界密度区（1nc<ne<10nc），并成功制备出碳纳米管靶多与种金属纳米靶相结合的复合靶。在激光离子加速研究方面，提出并实现了基于次临界密度碳纳米管靶的级联加速重离子方案，打破飞秒激光加速碳离子能量纪录，产生最高能量为580MeV的碳离子。使用金+碳纳米管的复合靶首次将金离子加速至1.2GeV，将之前飞秒激光加速金离子能量纪录提高了6倍，并在实验中采用自校准重离子能谱仪首次获得了高能金离子的电荷态分布。测量结果结合数值模拟全面揭示了电离动力学在超重离子加速过程中的关键影响。这些工作为未来基于激光加速超重离子的激光核物理研究奠定了重要基础。除此之外，我们还从理论上研究了利用临界密度碳纳米管靶产生巨孤立阿秒脉冲、大电量高能电子、高亮度X射线的方法，在实验上利用碳纳米管泡沫靶实现了高达0.5%/sr的水窗段软X射线辐射效率。这些工作为基于临界密度靶的激光驱动新型光源的研发提供了重要支撑。