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采用相对论激光整形对近临界密度等离子体中的离子加速

发布时间: 2015-11-18 13:28:45   作者:本站编辑   来源: PRL   浏览次数:

 

激光离子加速在几微米长度即可将离子加速至几十兆电子伏特,为离子加速提供了新的途径。目前大多数实验均探索靶后壳层加速——靶后离子由热电子形成的强电场直接加速。

除此外,辐射压加速机制中,在反射激光脉冲的辐射压力下,超薄靶内产生加速电场。而靶后壳层加速机制中,电子的加热效应应该受到抑制,从而避免靶的膨胀,这需要利用突然强度提高的圆偏振光。

1(a)激光透过率测量曲线(b)激光脉冲的时间分布图

原则上超高的聚焦强度并且陡峭的上升沿可通过利用电子的相对论振荡速度实现。高强度激光使相对论质量上升并将产生时空的非线性,从而引起相对论自聚焦,脉冲前端突然陡峭等。激光驱动稠密等离子体中电子加速,也可在毫米长的尺度传输过程中得到优化并获得目标时空波形实现空泡加速,最终获得近吉电子伏特的电子束。将这一想法推广至离子加速领域,特别是辐射压加速,产生足够均匀的近临界密度,毫米尺度的等离子体。

相对论自聚焦和脉冲前沿陡变可以理解为由于相对论质量造成的时空折射率变化,如图1a所示为激光透射率随靶面密度的变化曲线,图1b将测量的脉冲波形与模拟对比,两者吻合较好。PIC模拟中呈现较强的空间自聚焦,因此激光强度达到了10倍的真空聚焦强度。同时,上升沿下降到了约4fs。而增强的激光则直接与类宝石碳靶DLC相互作用。

如图2a所示即C6+离子的能谱分布图,比未镀膜的DLC靶最大强度增长了2.7倍。与此对比,能量增长了约1.5倍。此外,在不同偏振激光下的质子能谱如图2b所示。碳纳米管泡沫可实现相对论自聚焦,将质子能量提高了约3倍,这种可控的微米长度的近临界密度等离子体在高能电子加速,强电磁场,高能辐射领域有重要应用价值。

2(a)不同靶厚度下C6+能谱图(b)不同激光偏振下的C6+能谱图

田野摘译自:Ion Acceleration Using Relativistic Pulse Shaping in Near-Critical-Density Plasmas, J. H. Bin et.al. PRL 115, 064801 (2015)

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