场增强效应对激光加速质子过程的影响-一种激光加速质子新方法的探索

利用超短激光与薄膜靶相互作用得到的高能质子束有可能应用于治疗癌症，但是目前质子束的能量E和单能性ΔE/E（分别为数MeV和100%左右）都和实际应用的要求相差甚远（分别为200MeV和0.1%左右）。本项目旨在一种特殊制备的纳米纤维薄膜，即在背面有高度为数微米、直径为数十纳米的纤维阵列的薄膜，实验考察纳米纤维尖端产生的巨大场增强效应对质子加速过程的影响，探索激光质子加速的一种新途径。项目有可能在小型台面激光器（数十太瓦）上产生远大于目前利用普通平面薄膜靶得到的质子能量，并有可能得到单能性更好的质子束。

本项目利用背面带有尖端阵列的薄膜，探索电场增强效应对激光离子加速（靶面法线鞘层加速机制）的影响。针对的是激光照射平面薄膜靶得到的离子能量低、能量分散大的缺点。基本思想是：靶材尖端电场大幅增加后，碳原子全部电离，因电荷数较大，比低价离子受到较大的电子鞘的吸引力，因而可能产生能量较高的离子；另外，因离子处于同一电离态，受到电子鞘相同的吸引力，有可能产生能量分散更低的离子。我们找到一种满足条件的碳氢靶材，基底厚度约15微米，背面有锥状突起阵列，底宽约150nm，高度约200nm，顶宽约20nm，锥间距300nm。制作了可以在线测量的汤姆逊离子谱仪。在10^18W/cm^2的激光强度，以及10^8和10^6高低两种对比度的条件下进行了实验，并与普通的平面薄膜靶进行了对比。目前实验结果与普通平面靶材大致相同，没有得到预期的结果。我们认为，激光对比度不足仍然是主要原因，如果将激光对比度进一步提高到10^9以上，有可能看到预期效果。我们将在以后继续利用更高对比度的激光进行实验。