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拍瓦激光脉冲独立质子束加速研究

发布时间: 2018-06-20 16:18:46   作者:本站编辑   来源: NATURE COMMUNICATIONS   浏览次数:

 

 

一般而言,关于激光加速离子束的能量分布控制的实验解释是复杂的,多种相互竞争的动力学过程同时对测量的离子信号起作用。本研究报道了一束纯净离子束加速的实验结果。这是采用微观三维控制的近临界密度等离子体实现的,离子从一微米直径的塑料半球中演化出来,它被放置在拍瓦激光脉冲的聚焦焦点。质子束可重复性地观测,中心能量介于2040MeV之间,能散度低至25%并且无低能背景。

产生强流快离子喷射已经获得了广泛关注,近期多个实验也报道了质子束能量超过85MeV。加速场由相对论电子调控,可产生时空变化的MV/μm强度的电场。对应的宽离子能谱分布可通过限制被烧蚀作用的靶上离子在空间占比,或者采用液滴靶实现。将离子厚度降至激光趋附深度量级,也会产生非单调的、峰值分布的离子且在高能段具有高转换效率。类似的辐射压或体加速机制共性是焦斑中心处的大部分电子均被激光作用力同时推动,此后一起拉动离子运动。实验观测到的离子信号与激光聚焦中心外区域的信号叠加后,使得总信号变得模糊。电子同激光场间的相互作用需等离子体密度达到临界密度附近。等离子体密度超过临界密度后对激光将不再透明。而密度低于临界密度则是透明的,利用10微米波长的优势,CO2激光器和适当的气体靶实现了类似构想。只不过低密度严重地限制了加速粒子数目。空间上控制的靶材,或称为质量控制靶材在理论和实验上均引起了广泛关注。

实验示意图

在本项工作中,研究人员探究了一个目前难以达到的参数范围:利用1PW激光装置与直径1微米的悬浮塑料球作用。在激光的上升沿阶段,球体碰撞成对近红外激光而言是近临界密度的微米尺寸等离子体。相互作用产生的单质子束包含了大部分质子,并被加速至窄能谱(半高全宽约5MeV)。中心能量从2040MeV

计算结果表明约产生了1010个质子,相当于微球的14%,质子束纵向长度为4微米,横向发散度约为20o,值得关注的是500fs脉宽的激光脉冲可产生50fs的短脉冲束,这比传统加速器低了4个数量级。

摘译自:P. Hilz et al. Isolated protonbunch acceleration by a petawatt laser pulse. NATURE COMMUNICATIONS (2018)9:423 

 
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