基于超强激光与近临界密度等离子体相互作用的增强正电子产生及正电子加速研究

With the quickly advancement of laser technology, investigation of electron-positron pair generation via ultra intense laser interacting with materials has attracted considerable recent interest. High-energy and high-density positrons have extensive and important applications in many subjects and fields of technology, such as theoretical physics, laboratory astrophysics, material science, atomic and molecular physics and biomedicine. The key issues to be solved at present are enhancing positron generation to increase the positron yield and density, lowering the laser intensity required in the positron generation BW process, and accelerating positrons to high energy. Based on the multi-photon positron generation process via ultra intense laser irradiating near-critical-density plasmas, this project mainly investigates increasing the controlling parameters of radiation and positron generation, in order to enhance the positron generation to lower the required laser intensity in the BW process. The positron acceleration mechanism is also investigated to obtain high energy positrons. This project can further facilitate the realization of the BW positron generation in state-of-art lasers and the diverse applications.

随着超强激光的快速发展，基于超强激光与物质相互作用的正负电子对产生研究成为新的研究热点。高能量高密度正电子在理论物理、实验室天体物理、材料科学、原子分子物理及生物医学等多个学科和技术领域都有着广阔而重要的应用。目前，急需解决的问题是增强正电子的产生以提高正电子产额和密度、降低BW过程正电子产生的激光阈值及高能正电子的获取。本项目基于超强激光与近临界密度等离子体相互作用中的多光子正电子产生过程，研究提高辐射控制参数和正电子产生控制参数，通过增强正电子产生降低BW过程的激光阈值，实现当前实验室激光强度下的BW正电子产生，并研究正电子的加速机制，获得高能正电子。本项目对于实现实验室激光条件下的BW正电子产生及正电子的进一步应用具有重要的意义。

正电子在材料的无损检测、实验室天体物理、反物质的人工制备以及军事领域都有重要的应用。激光正电子源具有高产额、高密度、高能量、低发散角等特点，成为研究热点备受关注。通常正电子产生的BW过程要求激光强度较高，阻碍了激光正电子源的发展。项目研究了双束激光在近临界密度厚靶内对撞增强正电子产生和收集正电子的物理过程，激光重叠后产生驻波，有效收集提升了正电子的密度。研究了密度横向分布的通道靶内正电子产生和加速过程，正电子产生后，通过激光的直接加速，其截止能量达到了20GeV以上。研究了超强激光斜入射平面靶增强伽马辐射的物理机制。斜入射光场和反射光场的叠加，密度约~300nC的电子被拉出获得加速，并辐射出强伽马射线，亮度达到~4×10^23photons s^-1mm^-2mrad^-2/0.1%BW。研究了激光啁啾脉冲驱动尾波场加速中离化注入现象，提出了一种准单能可调、低能散、几百MeV中心能量、电量数十pC的电子束产生方案。研究了10PW激光与凹靶作用增强伽玛光子辐射和光子能量的过程机制，半圆形凹可以实现入射激光进一步聚焦，提升激光场强80%，单个方向上辐射亮度为3.6×10^25photons/(mm^2 mrad^2 0.1%BW)，正电子产额为3.0×10^8。对比研究了四种不同电子密度分布的等离子体靶内正电子产生物理过程。密度递增靶有助于增强伽玛光子辐射和正电子产生，当入射激光为2.8×10^23Wcm^-2时，在37T_0时刻，正电子产额就已经达到1.5×10^8，截止能量达到2GeV。研究了高能电子束与激光的对撞过程，对撞增加了康普顿背向散射和正电子的产生截面。当激光强度小于10^22Wcm^-2时，仍有3.3×10^7个正电子产生，且正电子最大密度达到2.3×10^24m^-3，截止能量~4GeV。研究降低了BW过程所需的激光强度，增强了正电子产生，获得了高能正电子，极大促进了正电子相关研究及应用。