強激光驅(qū)動的高品質(zhì)離子源在聚變能源、醫(yī)療、核物理和粒子物理等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。近日，北京大學(xué)沈曉飛、喬賓和賀賢土院士等合作提出了一種實現(xiàn)激光光壓離子加速的動態(tài)致穩(wěn)新方案，解決了困擾激光光壓離子加速多年的不穩(wěn)定性導(dǎo)致加速被過早破壞的難題。
2017中國光學(xué)重要成果推薦
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圖1 光壓加速動態(tài)致穩(wěn)方案示意圖
強激光與物質(zhì)相互作用中,其電荷分離場可高達100 GV/m, 比傳統(tǒng)射頻加速器高3個數(shù)量級，能夠在厘米量級的距離內(nèi)將帶電粒子加速到GeV能量,因此利用激光加速器取代傳統(tǒng)加速器引起了科學(xué)界的廣泛興趣。
在諸多激光離子加速機制中，光壓加速（Radiation Pressure Acceleration，RPA）理論上獲得的離子束具有能散小、束流密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高等特點，是當(dāng)下研究的前沿和熱點。雖然RPA理論及一維模擬結(jié)果極具吸引力，但目前實驗上還難以獲得預(yù)期的好結(jié)果。究其根源，除去實驗上激光靶參數(shù)不夠理想外，最關(guān)鍵的原因就是高維條件下不穩(wěn)定性的劇烈發(fā)展。主流認為主要是類瑞利-泰勒（RT）不穩(wěn)定性在起負面影響。這種不穩(wěn)定性發(fā)展最終會引發(fā)同步加速等離子體片中電子的加熱和大量損失，導(dǎo)致等離子片發(fā)生庫侖爆炸，加速被破壞，最終獲得的離子束品質(zhì)差。
如何抑制不穩(wěn)定性的發(fā)生是目前RPA研究最具挑戰(zhàn)性的問題之一，諸多方法被提出和研究，但實際效果一直都不理想。
經(jīng)過數(shù)年的深入研究，北京大學(xué)喬賓課題組，另辟蹊徑，按照完全不同的思路，考慮如何動態(tài)地彌補光壓加速中RT等不穩(wěn)定性帶來的破壞作用而非僅僅抑制不穩(wěn)定性發(fā)生這一想法，首次提出利用高Z涂層的電離效應(yīng)在激光光壓加速過程中動態(tài)補充電子，彌補RT不穩(wěn)定性帶來的加速等離子體片的電子損失，從而實現(xiàn)動態(tài)致穩(wěn)RPA（圖1）。這一全新方案非常“皮實”，三維粒子模擬顯示在目前真實的激光和靶參數(shù)條件下，此方案可實現(xiàn)穩(wěn)定的光壓離子加速，并且可以應(yīng)用于加速高Z重離子源（圖2）。
圖2 三維粒子模擬結(jié)果。考慮電離（a）與不考慮電離（b）情況下，在激光作用結(jié)束時，Al13+離子密度等值面分布圖；（c）相應(yīng)Al13+離子能譜（紅線代表考慮電離的情形，藍線表示不考慮電離的情形）。
相關(guān)研究成果于近期發(fā)表在Physical Review Letters [118, 204802 (2017)]上。PRL審稿人對該方案給出了高度評價，認為該工作為激光光壓加速研究領(lǐng)域做出了重要貢獻，揭示了動態(tài)電離在強激光與重離子相互作用中的重要意義。
喬賓課題組博士研究生沈曉飛為該論文第一作者，喬賓研究員為通訊作者，合作者包括周滄濤研究員、賀賢土院士等。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.204802
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