激光辐射压加速中单能离子束和硬X射线产生机制研究

Laser radiation pressure driven proton/ion acceleration has attracted a lot of attention these years. We study the detailed acceleration mechanism and process of stable ion acceleration in this regime. To further enhance the laser-to-ion energy conversion efficency and improve the beam quality such as the energy spread, ion peak energy, and beam divergency, we try to pursue a new solution to overcome transverse instabilities during the laser-solid foil interaction. Considering the synchrontron radiation in the particle-in-cell code, we develop a special module to calculate the electron synchrotron radiation during the laser-foil interaction and discuss its effects on the ion acceleration. The electron dynamic behavior is analysised and the radiation parameters such as the emission angle, radition intensity, and radiation power are carefully evaluated which may benefit the research on the noval fs-class ultra-bright light source in the future.

针对近年来提出的激光辐射压离子加速问题，研究超强激光和超薄固体靶（纳米量级）相互作用时稳定的质子和重离子加速机制和相关细致物理过程；探究抑制横向不稳定性的技术方案并有效提高激光能量转化效率；改善辐射压加速产生的质子和重离子的束流特性如能散、峰值能量和束发散度；开发电子同步辐射程序包计算近似条件下激光固体靶相互作用时的电子同步辐射并讨论其对离子加速过程的影响；分析电子的动力学行为，研究辐射压加速中硬X射线-伽马射线的产生机制及其物理特性如发散角、辐射强度、辐射功率等，为新型fs级辐射源提供技术方案和理论参考。

该课题针对超强激光等离子体相互作用驱动高能离子加速和新型辐射源问题做了深入细致的研究，主要包括：1、研究了超强激光和超薄固体微型靶相互作用时稳定质子加速的细致物理过程，通过三维粒子模拟得到了GeV的高能质子束；2、提出了通过靶前横向周期性调制结构来抑制质子加速的横向不稳定性的技术方案，有效提高了激光能量转化效率，改善了辐射压加速产生的质子束流特性如能散、峰值能量和束发散度；3、开发了电子同步辐射程序包，并利用该程序计算了超强激光固体靶相互作用时的电子同步辐射，分析了电子的动力学行为，讨论了辐射阻尼对离子加速过程的影响，得到了高亮硬X射线-伽马射线辐射；4、建立了电子类betatron共振的物理模型，分析了激光固体微型靶相互作用时的类betatron辐射机制及其物理特性如发散角、辐射强度、辐射功率等，为下一代新型fs级辐射源提供了技术方案和理论参考。. 在该基金的资助下，截至目前共发表SCI学术论文23篇，其中物理学顶级杂志Phys. Rev. Lett.论文1篇，应用物理杂志J. Appl. Phys.封面论文1篇，获军队科技进步三等奖1项。课题组成员参加国际学术会议5次，参加国内学术会议12次，课题组举办国际研讨会1次，邀请意大利科学院院士来课题组交流访问并讲课1次。此外，依托该项目的研究，新获批国家自然科学基金面上项目1项（90万，2015.1-2018.12），新获批国防科技大学杰出青年基金1项（40万，2014.8-2018.7），新获批人才基金1项（校“青年拔尖人才”培养计划，30万，2014.3-2017.3）。课题组组长余同普副教授荣获2015年度国家留学基金委首届“未来科学家”基金重点资助。此外，三年内我们还先后培养毕业博士研究生1名，硕士研究生2名，目前在该项目前期资助及部分资助下，在读博士研究生3名，在读硕士研究生3名，本科学员（毕业论文选题）5名。. 总之，该项目研究圆满达到了课题预想的研究结果，超额完成了各项参数指标，并有力带动了课题组青年学术骨干的成长，为下一步申请其他基金和后续深入研究打下了坚实基础。