超短超强激光与等离子体相互作用中质子发射一些研究进展

超短超强激光与等离子体相互作用中得到的高能质子在质子成像、粒子加速、诊断超短超强激光与等离子体相互作用的物理过程、“快点火”和治疗癌症等方面有一定的应用。使得对超短超强激光与等离子体相互作用得到的高能质子的研究成为目前的研究热点。文章综述了产生质子的两种主要加速机制以及在不同实验条件下超短超强激光与等离子体相互作用过程中得到质子的能量、角分布、产额以及相关的原理。     

超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展

随着超短超强脉冲激光技术的发展，人们可以在台面尺度获得光强超过10¹⁸W·cm^-2、脉宽小于100fs的超短脉冲激光.这种超短脉冲激光很容易把初始静止的电子加速到相对论能量.而更重要的是超短激光脉冲可以通过其有质动力激发大振幅的等离子体波（称为激光尾波场），把电子加速到更高的能量.其加速梯度可达到100GeV·m^-1，即在1mm的空间尺度把等离子体电子加速到100MeV.国际上4个实验室在2004年报道通过激光尾波场加速获得能量单色性以及方向性极好的电子束，使人们看到了激光尾波场加速电子的实际应用前景.文中简要介绍等离子体中激光尾波场加速电子的物理机制和方案、及该领域的最新进展和展望.     

在激光尾场加速中电子密度和初始动量对其自注入及加速的影响

利用哈密顿理论给出了等离子体电子在尾场中捕获及其加速与激光、等离子体参量的关系表达式.讨论了等离子体电子密度和初始动量对电子自注入和加速的影响机制.研究结果表明:静止电子不能被尾场捕获并加速,而具有一定初始动量的电子容易自注入至激光尾场中并得到加速.等离子体密度越小,激光尾场场强越强,电子将获得更大的能量.2维粒子模拟结果与理论结论一致.所得结果对超强超短脉冲激光尾场加速电子的方案具有理论指导意义.     

激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的模拟计算

通过理论分析,建立了激光等离子体加速电子与固体靶相互作用产生相对论正电子的物理模型,以及Geant4模拟程序.以100 Me V量级的激光等离子体加速电子束参数为输入,模拟研究了不同靶材和靶厚条件下正电子束的产额、能量、角分布等主要物理参数.结果表明:金靶和钽靶是较优秀的电子—正电子转换靶材;对于相同的金属靶材面密度,正电子产额与原子序数Z的四次方成正比,与原子质量数A的平方成反比,即Ne+∝(Z2/A)2;对于不同的靶材,正电子产额有Ne+∝d2,其中d为靶材厚度,但仍存在一个最佳靶厚度.与利用拍瓦、皮秒激光束与固体靶相互作用产生正电子束的方案相比,利用本方案有望获得更高能量以及更小角发散的相对论正电子束,其流强可达107/shot.     

激光等离子体相互作用中产生的磁场与电子热传导

本文应用三维相对论电磁粒子模拟程序,研究超强超短脉冲激光与等离子体薄靶的相互作用中产生的磁场与电子热传导。研究结果表明,被激发的磁场使电子束在非常短的距离内沉积能量,同时对在激光有质动力推开电子时形成的电子热流产生抑制作用。对这些物理过程的细致研究对更好的理解快点火物理中自生磁场的产生,快电子输运等过程有重要意义。     

相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用产生快电子的模型

该文研究的是两束相向超短超激光脉冲与中间薄膜靶相互作用之间产生快电子的一种简单自洽模型理论，由理论推知，当满足一定条件时，由于激光有质动力与靶电子的谐振作用，在靶表面的电子云层中的电子被强烈加速产生快速高能电子。     

准直准单能靶面电子加速实验研究

实验上使用大能量、亚ps激光脉冲大角度入射固体靶,获得了沿靶面方向定向传播、发散角仅有2°、峰值能量为3–4 Me V的准直、准单能电子束.实验发现激光对比度对靶面电子束的产生起到了至关重要的作用,最佳的对比度为5×10-6.在此最优化条件下,通过背向散射光谱分析发现,共振吸收激发的等离子体波加速可能是电子的主要加速机制.探针光阴影成像及等离子体自发光的精细结构显示,预脉冲与固体靶相互作用中产生了尺度100μm左右的过临界密度预等离子体.这种等离子体的作用类似于等离子体反射镜,使得激光脉冲被限制在预等离子体区与靶面之间,因而最终造成了电子束沿靶面方向的导引.这种靶面电子束因其合适的能量范围、高度的准直性及沿靶面方向定向传播的特性有望在惯性约束聚变尤其是锥靶快点火中得到应用.     

超热电子渡越辐射与高能质子发射的比较研究

在超短超强激光-固体靶相互作用过程中,通过对超热电子输运产生的渡越辐射光斑与高能质子发射的空间分布图案进行比较,渡越辐射光斑与高能质子发射的空间分布图案非常相似,都呈圆盘状．通过对渡越辐射光强随靶厚度的关系曲线、超热电子输运能量沉积随靶厚度的关系曲线以及文献中已有的高能质子能量随靶厚度的关系曲线进行比较,3条曲线的形状也非常相似,都在10μm靶厚度处存在转折点．分析表明,超热电子输运产生的渡越辐射与高能质子发射存在一定的内在联系,而这个联系就是超热电子输运而产生的静电场。     

飞秒康普顿光源驱动的超短、高能正电子束

利用飞秒康普顿伽玛光与高Z靶相互作用,产生超短脉冲的高能正电子束.模拟研究表明,10 fs、4.2 × 108/s、最高能量为23 MeV的康普顿伽玛束和厘米级的铅靶相互作用(对产生)时,可以获得通量为4.2×107/s、峰值能量约为7 MeV的超短脉冲(≤100 fs)正电子束.此短脉冲、高能正电子束在精确探测或诊断材料内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态,以及研究材料和生物体结构的超快动力学等领域有重要的应用前景.     

自注入电子束的加速及其对激光尾场的影响

在激光等离子体相互作用中对自注入电子束的加速及其对尾场的影响进行了理论研究.自注入电子束在空泡底部削弱了激光尾波静电场.随着自注入电子束电荷密度的增加,尾波场结构明显改变和空泡纵向变长.随后的鞘层电子须以较高的初始纵向动量才能自注入到不断演化的空泡尾场中.当自注入电子束的库仑场大于空泡内静电场时,该电子束将驱动等离子体尾波场.     

利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子

随着超强脉冲激光技术的不断发鼹,利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子的研究,在激光惯性约束中的“快点火”,医学中的射线治疗和台式激光加速器等领域广泛应用．木文用二维粒子模拟方法研究了超强短波脉冲激光与平扳等离子体薄靶相互作用中产生的超热电子．以研究结果表明,在平板等离子体薄靶后表面所产生的超热电子,角分布较小,定向性好,能获得很高的能量。     

科学触角

正用激光获得反物质2016年3月,中国科学院上海光学精密仪器研究所沈百飞团队在Physics of Plasmas发表研究,宣布通过超强超短激光成功产生了反物质——正电子。他们首先利用飞秒(10~(-15)秒)拍瓦(10~(15)瓦)激光装置和高压气体靶相互作用,产生大量高能电子;然后高能电子和高原子序数(高Z)材料靶相互作用,生成高强度伽马射线;伽马射线随之再和高Z原子核作用产生正负电子对;最后,利用正负电子在磁场中的不同偏转特性,实验中在单发条件下就成功     

北京大学超小型激光加速器系统研究进展

超强激光与等离子体相互作用可以获得高于传统加速器三个数量级以上的加速电场梯度,更加有效地加速离子,从而能够显著缩小加速器的体积和造价．鞘层加速（TNSA）和光压稳相加速（RPA）是目前研究得最多的两种主要激光加速机制．与鞘层加速相比,光压稳相加速的加速效率和离子能量更高、单能性更好．在提出光压稳相加速原理的基础上,北京大学正在建造一台基于该原理的超小型激光加速器系统．本文将介绍北京大学在激光加速研究方面的进展和激光加速器系统的研制情况,包括理论模拟、前期准备实验、自支撑纳米靶的制备以及离子输运线的初步设计．     

基于激光等离子体的太赫兹脉冲驱动电子偏转

传统电子加速装置以射频场作为驱动场.相比之下,太赫兹辐射波长更短,加速梯度更高,是未来紧凑型电子加速装置的一种潜在驱动场.此外,太赫兹脉冲可以提供一个超快调制场用于压缩和测量电子脉宽.近年来,太赫兹场与电子的相互作用引起了广泛关注.强激光与等离子体相互作用可同时产生大能量的太赫兹脉冲和大电量的超短电子束,这一优势使其有望成为太赫兹场调控电子、太赫兹泵浦-电子探测的新型独特平台.本文以一种可行的实验布局为例,研究了激光等离子体产生的太赫兹脉冲对同向传播电子束的偏转作用.通过计算模拟,系统讨论了各参数对太赫兹场引起的电子偏转的影响,发现太赫兹电场强度或脉宽增加会使偏转现象更为显著,另外,偏转现象与太赫兹波形有关.初步的演示性实验定性验证了数值分析结果.     

超强激光脉冲与等离子体相互作用中电子流聚束及其不稳定性的研究

在线极化超强超短激光脉冲与低密度等离子体相互作用过程中，由于激光有质动力的作用，纵向将形成强相对论性的电子流，电子流诱发的准静态磁场又将使电子流产生聚束；同时在横向，由于激光电场的作用，聚束后的电子流将发生扭曲，因而产生扭曲不稳定性。该文从分布函数出发，对其进行讨论，得到了这种情况下的稳定性条件。     

基于SiC材料的激光加速质子束辐照特性研究

通过辐照核能材料SiC, 表征激光加速质子束连续宽能谱、短脉冲和高瞬态流强的特点。将SiC样品放置在距离靶体4 cm处, 连续进行300发满足指数能谱分布的能量为1~4.5 MeV的激光加速宽能谱连续质子束辐照。表面和截面拉曼光谱显示辐照后的SiC散射峰强度减小, 且拉曼光谱截面测量的整体趋势可以与SRIM模拟的能谱加权后的深度能损分布对应, 从而通过实验对能量连续分布的激光加速质子束进行表征。此外, 实验结果显示, 激光加速质子束的短脉冲特性可在SiC表面产生相当高的瞬时束流密度。这种快速的宽能谱辐照为模拟反应堆中子辐照提供了可能性。     

圆偏振强激光真空中加速电子最佳参数的分析

利用一维粒子模拟和解析的方法对圆偏振强激光在真空中加速电子进行了研究.研究表明,电子获得的最大能量与激光的强度有关,并且电子在激光场中加速有个最佳的加速距离,即当电子的位置与激光脉冲的峰值位置重合时,电子获得最大的能量,而最佳加速距离与激光脉冲的宽度和振幅有关.在电子获得最大能量的位置加入一个挡板能挡住激光而电子可以穿过,从而将电子从激光场中分离出来.     

超强超短激光脉冲与低密度等离子体相互作用中快电子流聚束现象的研究

本文通过建立一个超强超短激光脉冲与低密度等离子体相互作用的简单模型，讨论了相互作用过程中的快电子流聚束现象，得到了产生快电子流聚束的条件以及快电子流聚束后的半径所满足的关系．     

锥形飞秒强激光等离子体中Compton散射的能量转换

应用相对论性电子与多光子集团非弹性碰撞模型和经典相对论电动力学理论,分析、计算了锥形飞秒强激光等离子体中多光子非线性Compton散射的能量转换.发现等离子体中的耦合激光场会引起能量转换效率的振荡,而静电场会降低能量转换效率.当高能电子与光子发生双光子非线性Compton散射时,电子能获得最大的能量转换效率.     

超短超强激光等离子体相互作用研究的进展及其潜在的应用

从激光技术的发展、超短超强激光等离子体相互作用研究的特点、方法、内容及其潜在的应用等5个方面对强场物理在国内外的情况作了论述,进一步指出强场物理的实验研究及其应用依赖于激光装置的发展,而超短超强激光技术的发展又使得强场物理的研究变得更具前景、更具挑战性.