随着激光技术的不断发展,特别是啁啾脉冲放大技术被提出以来,超强激光脉冲驱动的离子加速研究逐渐吸引了国内外科学家们的广泛关注,在离子能量提升、发散角控制和单能性提高等方面相继取得一系列重要进展。由激光与等离子体相互作用产生的离子束具有能量高、脉宽窄和方向性好等特点,具有许多潜在应用。本文通过回顾激光驱动离子加速的研究历程,对离子加速的主要作用机制、基本理论模型、数值模拟和实验研究等进行详细的阐述,同时对激光驱动离子加速的重要应用进行归纳总结。最后根据当前国内外大型激光装置的发展趋势,对极端光场中的离子加速进行展望。

The collective interaction between intense ion beams and plasmas is studied by simulations and experiments, where an intense proton beam produced by a short pulse laser is injected into a pre-ionized gas. It is found that, depending on its current density, collective effects can significantly alter the propagated ion beam and the stopping power. The quantitative agreement that is found between theories and experiments constitutes the first validation of the collective interaction theory. The effects in the interaction between intense ion beams and background gas plasmas are of importance for the design of laser fusion reactors as well as for beam physics.

采用3D particle-in-cell(PIC)数值模拟方法, 研究高品质高能质子束经由脉冲电流螺线管传输并聚焦于远端的情况。模拟结果表明:初始时刻中心能量为250 MeV, 能散度为10%, 空间发散角小于15 mrad的质子束, 通过长度为760 mm、中心磁感应强度为10.87 T的通电螺线管, 可以被聚焦于距离质子源约2.5 m的远端, 焦斑横截面直径约为1.2 mm, 小于模拟初始时刻的1.8 mm, 质子数目的损失小于3%。研究结果表明利用通电螺线管来传输和调控高能质子束流的方案是可行的。该方案可用于优化质子束流品质, 促进激光驱动质子加速在癌症治疗等对质子束单能性和发散角要求较高的领域得到早日应用。

基于粒子云网格计算方法, 对质子束轰击靶面产生二次电子的效应进行了模拟研究, 得到了不同电场强度对质子束的品质以及其产生的二次电子的数量的影响。研究表明, 50 kV电压下, 质子束束腰宽度1.8 mm, 并有近10%的质子束打在阴极侧壁上; 150 kV电压下, 质子束束腰宽度1.2 mm。这说明, 抽取电场强度小时质子束分散, 其束流品质下降; 抽取电场强度大时质子束紧凑。通过调控抽取、加速电压, 可以有效地控制到靶质子流的聚散状况, 以及由此产生的二次电子的强度及分布。

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题, 对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析, 并采用2维粒子模拟方法, 对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明, 当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构, 在激光辐射压的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场; 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量, 质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。

研究了激光辐射压驱动的两级质子加速的相关问题。当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时, 在固体靶后部形成一个电子层-离子层组成的双层结构。在激光的不断推进下, 双层结构在背景等离子体里以一定速度传播, 可以看成运动在背景等离子体中的电场。这样, 在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量。通过二维PIC模拟方法和理论分析研究了质子加速的相关问题。研究结果表明, 被加速质子的最大能量达到20 GeV。