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激光光压离子加速动态致稳新方案

发布时间:2019-12-05 10:21:13

强与物质相互作用中,其电荷分离场可高达100 GV/m, 比传统射频加速器高 个数量级,能够在厘米量级的距离内将带电粒子加速到GeV能量,因此利用激光加速器取代传统加速器引起了科学界的广泛兴趣。

在诸多激光离子加速机制中,光压加速(Radiation Pressure Acceleration,RPA)理论上获得的离子束具有能散小、束流密度大、能量转化效率高等特点,是当下研究的前沿和热点。虽然RPA理论及一维模拟结果极具吸引力,但目前实验上还难以获得预期的好结果。究其根源,除去实验上激光靶参数不够理想外,最关键的原因就是高维条件下不稳定性的剧烈发展。主流认为主要是类瑞利-泰勒(RT)不稳定性在起负面影响。这种不稳定性发展最终会引发同步加速等离子体片中电子的加热和大量损失,导致等离子片发生库仑爆炸,加速被破坏,最终获得的离子束品质差。

如何抑制不稳定性的发生是目前RPA研究最具挑战性的问题之一,诸多方法被提出和研究,但实际效果一直都不理想。

图1 光压加速动态致稳方案示意图

经过数年的深入研究,北京大学乔宾课题组,另辟蹊径,按照完全不同的思路,考虑如何动态地弥补光压加速中RT等不稳定性带来的破坏作用而非仅仅抑制不稳定性发生这一想法,首次提出利用高Z涂层的电离效应在激光光压加速过程中动态补充电子,弥补RT不稳定性带来的加速等离子体片的电子损失,从而实现动态致稳RPA(图1)。这一全新方案非常“皮实”,三维粒子模拟显示在目前真实的激光和靶参数条件下,此方案可实现稳定的光压离子加速,并且可以应用于加速高Z重离子源(图2)。

图2 三维粒子模拟结果。考虑电离(a)与不考虑电离(b)情况下,在激光作用结束时,Al1 +离子密度等值面分布图;(c)相应Al1 +离子能谱(红线代表考虑电离的情形,蓝线表示不考虑电离的情形)。

相关研究成果于近期发表在Physical Review Letters [118, 204802 (2017)]上。PRL审稿人对该方案给出了高度评价,认为该工作为激光光压加速研究领域做出了重要贡献,揭示了动态电离在强激光与重离子相互作用中的重要意义。

乔宾课题组博士研究生沈晓飞为该论文第一作者,乔宾研究员为通讯作者,合作者包括周沧涛研究员、贺贤土院士等。

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