《激光驱动离子加速器的理论和方法研究》

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粒子加速器是前沿研究中最为重要的工具之一,随着加速能量的不断提升,加速器变得越来越庞大,占地和造价成本高昂。激光等离子体加速具有极高的加速梯度,实验已证实激光尾场加速可以在9cm距离内产生>4GeV准单能电子束,但加速比电子重1800倍以上的离子束则比较困难。通常采用靶后鞘层加速,结果离子能量低、能散大(100%能散)。项目提出和实现了稳相光压加速和临界密度等离子体透镜等新方法,可实现大梯度、低能散和高效率的离子加速,有望成为新一代的加速方法。该项目主要成果如下:

针对激光加速离子束能量低、能散大等问题,提出和实现了稳相光压加速机制。当激光场振幅和固体面密度满足一定匹配关系时,利用激光和薄膜靶相互作用可同时实现对离子的加速和聚束。理论上可提高离子加速效率二个量级,能散降低到10%以下。单篇论文SCI最高他引188次。采用光压加速机制国际上已经实现了500MeV碳离子和93MeV质子的能量记录。俄罗斯Sergeev在Phys. Rev. Lett.和美国UCLA的Joshi在Nat. Phys.等论文中给予了大篇幅引用。

针对实验中发现的等离子体不稳定性等瓶颈性物理问题,提出了临界密度等离子体透镜方法,可以实现对相对论激光的聚焦和整形,提高激光聚焦光强一个量级。项目进一步提出纳库级自聚焦GeV质子束新方案,解决了光压加速过程中存在不稳定性和中心击穿等瓶颈问题,激光离子加速器有望成为高能加速器的低能前级注入器。单篇论文SCI最高他引223次。意大利Macchi在物理权威综述期刊Rev.Mod.Phys.进行了大篇幅引用。

利用化学气相沉积技术,制备出平均密度约为1%固体密度的碳纳米管泡沫薄膜。单篇论文SCI最高他引154次。权威综述论文Chem. Rev.等进行了大篇幅引用。已有实验证实该纳米泡沫薄膜等离子体透镜可提高离子能量3-4倍。

该项目研究成果被欧美俄等国家和地区的知名学者作为重要进展写入专著或综述论文(如Rev.Mod.Phys.,Rep. Prog. Phys., Rev. Acc.Sci.&Tech., Nat. Phys.和Phys. Rev. Lett.等),8篇代表文章共被他引905次(SCI 839次),其中稳相光压加速文章入选ESI高被引论文榜,也获得国家发明专利两项。这些工作是对激光加速理论的发展,对于激光离子加速理论和应用起到重要的推动作用。世界上已经广泛地开展了激光驱动质子束用于肿瘤细胞辐照和温稠密态产生的研究,未来激光离子加速器也可以作为高能加速器的低能前级注入器,甚至发展新一代光源等。

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