1 潍坊学院 物理与光电工程学院, 山东 潍坊
2 光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津
随着固体激光技术发展以及啁啾脉冲放大技术加持, 激光峰值功率得到极大的提高, 促进了激光物质相互作用领域的研究并衍生出若干具有很好前景的应用。激光驱动的台面级离子加速器便是其中重要的应用领域之一。激光加速的质子具有源体积小、脉冲时间短和时间分辨高等特点, 可以广泛应用于成像、医疗及科研领域, 并能有效降低这些领域的相关成本, 促进其高效发展。影响获得优质离子束的条件很多, 文中从靶形状及与激光作用后形成的等离子体性质角度对近期该研究方向的一些进展进行了总结及展望。
靶形状 等离子体性质 激光驱动 质子加速 target shape plasma properties laser-driven proton acceleration
1 中国科学院 高能物理研究所, 北京 100049
2 东莞中子科学中心 加速器技术部, 广东 东莞 523803
介绍了束流损失测量系统探测器的选型、前置放大电子学的功能、数据采集系统的硬件配置及本地站显示界面, 着重介绍了本系统在加速器不同能量段的束流调试中的应用。DTL低能段成功观测到了束流损失, 针对RCS段脉冲高功率设备, 对本系统的干扰提出了解决方案, 便于加速器调束时区分干扰与束损, 针对RTBT微脉冲大信号的束损进行了积分展宽, 满足数据采集系统带宽需求。
强流质子加速器 束流损失 探测器 前置放大电子学 数据采集 用户界面 high-currentprotonaccelerator beam loss detector preamplifier data acquisition user interface 强激光与粒子束
2019, 31(1): 15102
新疆大学 物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046
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。
激光技术 质子加速 辐射压加速 粒子模拟方法 高能量质子束 laser technique proton acceleration radiation pressure acceleration particle-in-cell simulation scheme high-energy proton beam
新疆大学 物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046
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。
强激光 质子加速 辐射压加速 PIC模拟 高能质子束 intense laser proton acceleration radiation pressure acceleration particle-in-cell simulation scheme high-energy proton beam 强激光与粒子束
2016, 28(11): 112003
北京大学 核物理和核技术国家重点实验室, 北京 100871
根据束流动力学设计方案，使用电磁场计算软件CST Microwave Studio对带窗四翼型射频四极场(RFQ)结构进行了模拟研究，分析了加速腔结构参数对其物理特性的影响，得到了200 MHz质子带窗四翼型RFQ优化结构方案。该结构的比分路阻抗为79.5 kΩ·m，模式间隔达25.802 MHz。与传统的四翼型RFQ比较结果表明: 带窗四翼型RFQ具有较低的工作频率范围、良好的电稳定性以及较高的比分路阻抗。
带窗四翼型射频四极场 质子加速器 结构模拟 4-vane RF quadrupole with window proton accelerator structure simulation 强激光与粒子束
2014, 26(7): 075102
中国科学院 高能物理研究所 加速器中心, 北京 100049
对质子加速器中半波长谐振腔（HWR）型的设计进行了研究，完成一种新型HWR超导腔的初步设计。通过对超导腔设计方法及设计原则的研究，结合相关半波长谐振腔的研究现状，充分利用电磁设计软件的功能，对325 MHz低β大孔径的半波长谐振腔进行了设计研究。在建模中，针对腔体的不同部位进行比较分析，优化模型形状；在计算中，采用新型有限元网格，使计算快速而结果稳定；在后处理中，使用参数扫描，实现了腔形参数优化；在腔形分析中，计算了二次电子倍增效应，验证了腔体形状的可行性。通过此设计过程，使所设计的新型β为0.12的HWR腔具有较好的电磁参数，满足质子加速器的要求，并可应用到实际工程中。
质子加速器 半波长谐振腔 电子倍增 二次电子发射系数 proton accelerator half wave resonator cavity multipacting secondary electron yield
为了研究等离子体中Compton散射对靶背法向方向加速质子的影响, 采用多光子非线性Compton散射模型和等离子体模拟方法, 对Compton散射下等离子体中的质子加速进行了理论分析和数值模拟, 提出了将入射光和Compton散射光作为在等离子体靶表面处形成的静电场加速质子的新机制, 得到了质子加速的一些重要数据。结果表明,Compton散射使等离子体内产生的高能电子数增加, 高能电子靶表面上所产生的静电场增强, 从而使质子获得更高的加速能量; 散射使静电场增强效应, 有效地补偿了因激光调制不稳定性增强而造成电子在向等离子体输运过程中的能量损失, 从而使质子从平缓密度标长等离子体中获得的加速能量高于从陡峭密度标长等离子体中获得的加速能量。因此, 采用Compton散射下的平缓密度标长等离子体加速质子较为理想。
激光物理 等离子体 超强激光 质子加速 等离子体模拟方法 多光子非线性Compton散射 laser physics plasma ultra-intense laser proton acceleration plasma particle-in cell simulation multi-photon nonlinear Compton scattering
在能量11 mJ、波长744 nm、脉宽120 fs、功率密度6×1016 W/cm2的超短脉冲装置上，开展了超短脉冲激光与2.1 μm和5.0 μm金薄膜靶相互作用产生质子束的实验研究。利用Thomson谱仪测量了产生的质子能谱，发现利用2.1 μm金薄膜靶时，质子能谱由于质子源数量不足而在74 keV附近出现单能峰，5.0 μm的金薄膜靶产生的质子计数和能谱均比2.1 μm的金薄膜靶产生的低，主要原因是超热电子穿过薄膜靶时出现的能量损失和几何倾斜降低了电子回流所致。interaction with thin gold foils
超短激光 薄膜靶 质子加速 能谱 ultra-short laser thin foil proton acceleration energy spectrum
1 黄淮学院电子科学与工程系， 河南 驻马店 463000
2 黄淮学院信息工程学院， 河南 驻马店 463000
应用多光子非线性Compton散射模型和二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟程序，研究了Compton散射下等离子体初始温度对质子产生的影响，并进行了数值模拟。结果表明：与Compton散射前相比，随着等离子体初始温度的增加，产生的质子数有更显著的增加，靶前和靶后质子能谱曲线趋于平滑，加速质子数量的差别减小。当入射激光强度增强时，随着等离子体初始温度的增加，质子增加的相对幅度有明显减小。当入射激光强度减弱时，随着等离子体初始温度的增加，质子能谱曲线仍有清晰的区别，质子数量和速度都有明显的增加。
非线性光学 等离子体 质子加速 二维Particle-in-cell粒子模拟程序 多光子非线性Compton散射 激光与光电子学进展
2012, 49(8): 081902
1 电子科技大学 物理电子学院, 大功率微波电真空器件技术国防科技重点实验室, 成都 610054
2 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心, 四川 绵阳 621900
为了更细致地理解鞘场质子加速机制，应用2维数值模拟程序Flips2D研究了质子的初始位置对加速以后质子束特性的影响。数值模拟结果表明:质子的初始位置对质子束特性的影响非常明显。质子的出射角与其在横向的初始位置有关，初始位置离激光轴越远，其出射角越大。
质子加速 鞘场加速机制 粒子模拟 质子束质量 proton acceleration target normal sheath acceleration particle-in-cell simulation proton beam quality
