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我院院士专家团队成员马文君及院长颜学庆在强激光驱动的超重离子加速及诊断研究中取得重要进展

激光离子加速器 超重离子加速
发布:2021-06-14 21:18:00     来源:重离子物理研究所
近日,北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室马文君研究员、颜学庆教授与韩国基础科学研究院IlWooChoi研究员、ChangHeeNam教授等合作,在强激光驱动的超重离子加速及诊断研究中取得重要进展。
 
激光离子加速器的加速场强比传统加速器高三个量级以上,具有源尺寸小、脉宽短、束流密度高等优势,在肿瘤放疗、核物理、天体物理和温稠密物质的产生等方面具有重要的应用前景。目前,实验上已获得最高能量接近100MeV的质子束和约80MeV/u的碳离子束;相比之下,超重离子(质量数~200)的最高能量只停留在MeV/u量级,这是由于一方面,靶表面沾污层或靶内的质子和低Z离子会对重离子加速产生屏蔽效应;另一方面,超重离子极难被电离至高价态,难以被有效加速。作为激光离子加速最后的难题,超重离子加速理论与实验研究亟待突破。
 
联合研究团队前期解决了碳纳米管泡沫不能在纳米高分子膜、金属膜等材料表面沉积的难题,制备出多种类型的复合纳米靶材,为开展超重离子的加速实验提供了先进靶材支持。在此基础上,使用紧聚焦的离轴抛物面镜将拍瓦级超短脉冲激光(22fs)聚焦至1.6μm左右,产生>1022W/cm2的超高峰值光强并作用于纳米靶前表面,通过激光加热靶后表面降低质子、碳和氧对超重离子加速的抑制作用,成功获得最高电荷态为61+、最高能量达1.2GeV/u的金离子束,将原飞秒激光金离子加速能量纪录提高了6倍。他们提出并采用基于汤姆森离子谱仪的自校准探测方法,在无需标定实验的情况下,不仅可以获得准确的绝对能谱,还可以测量金离子的电荷态分布。粒子网格法模拟结果表明,不同横向位置的金离子所经历的电离动力学过程(起始电离时间、电离速率、最高电荷态等)存在较大差异,导致其在加速过程(相位匹配和加速效率)中的能量差异。理解超重离子的电离动力学细节,对于进一步提高离子束能量、提升束流品质有重要的意义。
 

▲(a)最高能量为1.2GeV的TPS实验结果;(b)超重离子(Au)的电荷态分布:绿色为实验结果,红色为PIC模拟结果
 
强激光与等离子体相互作用中的瞬态强场(激光场、鞘层加速场等)测量长期以来一直是巨大的挑战。该研究工作表明,利用实验测得的金离子电荷态分布,通过单、双层靶实验结果对比,可以诊断靶后鞘层场的峰值强度;结合不同光强下的PIC模拟结果,可以诊断激光的峰值光强。在后续研究中,该方法有望扩展至在时间、空间两个维度诊断瞬态强场的信息。
 
相关研究成果以“超短超强激光驱动的超重离子加速”(Super-heavyionsaccelerationdrivenbyultrashortlaserpulsesatultrahighintensity)为题,2021年6月3日在线发表于《物理评论X》(PhysicalReviewX,11,021049(2021));物理学院2016级博士研究生王鹏杰为第一作者(导师马文君),IlWooChoi、颜学庆、ChangHeeNam和马文君为共同通讯作者。这是该期刊所发表的第一项激光离子加速领域的研究工作。
 
上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京高等学校卓越青年科学家计划、及北京市发展与改革委员会、北京市怀柔科学城、广东省新兴激光等离子体技术研究院等支持。
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