利用超短超强激光产生准单能质子束的实验研究

One of the most important physical natures of ultrashort and ultraintense laser-plasma interactions is particle (electron and ion) acceleration by the high-gradient quasistatic fields. The laser wakefield electron acceleration has been developing rapidly since the first demonstration of quasi-monoenergetic electron beams in 2004. In contrast, ion acceleration has developed slowly. One of the most difficulties is that one can not produce quasi-monoenergetic ion spectra. For the normal intense short-pulse lasers, with an intensity of 10^18-<10^20W/cm^2 and a contrast of 10^(5-8), the ions are mainly accelerated with the target normal sheath acceleration (TNSA) mechanism. The sheath acceleration field is not uniform in space and evolves rapidly in time. Such a rapid change field will lead to an ion beam with an exponential energy spread. This project will study how to generate a quasi-steady sheath field by designing new targets, and produce qusi-monoenergtic proton beams.

超短超强激光与等离子体相互作用的重要特征是在等离子体中激发>GV/m的超高静电场，该场可以在很短的尺度将粒子（电子、离子）加速到很高能量。自2004年成功演示准单能电子束以后，激光电子加速进入了一个快速发展时期。相比之下，激光离子加速的研究相对滞后。制约离子加速发展的关键瓶颈之一是如何产生准单能结构，这是离子束走向应用必须面对的问题。在目前主流超短超强激光所能达到的实验条件（光强10^18-<10^20W/cm^2,对比度10^5-10^8）下，离子主要通过靶面鞘层加速（TNSA）机制进行加速。由于鞘层加速场横向分布不均匀，且随时间快速衰减，所以被加速离子的本征能谱是连续的指数分布。本项目将通过有特色的靶物理设计，产生相对稳定的鞘层加速场，进而获得准单能质子束。这对于推动激光离子加速的发展具重要意义。

在超短超强激光与等离子体相互作用中，带电粒子（电子、离子）可在很短的时间和空间尺度内被加速到很高能量。目前制约离子加速发展的关键瓶颈之一是如何产生准单能结构，这也是离子束走向应用必须解决的问题。该（结题）项目主要从实验和理论两个方面研究了在目前主流超短超强激光所能达到的实验条件下，如何通过特色的靶物理设计产生准单能离子束。诊断方面，研制了具有空间分辨的离子谱仪，以及由汤姆逊谱仪、闪烁体、成像系统等单元组成的离子实时诊断系统，并已在实验中应用推广。实验获得了具有较低能散的离子束以及具有平台能谱结构的质子束；研究了靶后离子加速和太赫兹辐射的关联性，初步尝试了靶后激光预烧蚀处理的方案。这些结果对于离子能谱的调控具有重要的借鉴意义，为今后实现更低能散的准单能质子束打下了坚实基础。. 项目执行期间发表论文33篇，会议报告23次；培养博士研究生6名；进行了3次国际联合实验。