强场物理研究新进展:强激光加速产生高能质子束新方案
 
发布日期:2009-09-29
 


    强激光加速带电粒子在过去5年里获得了一系列重大突破。特别是在电子加速方面,人们已经可以在一厘米的空间尺度把等离子体电子从静止加速到GeV,并且产生的电子束具有较好的单色性和方向性。10GeV量级的电子束产生已经成为国际上多个实验室的下一步研究目标。而用强激光来加速质量大得多的离子虽然取得不少进展,但基于现有的一些方案目前仍难以获得100MeV以及更高能量的准单能质子束。对于特别令人感兴趣的肿瘤治疗等应用,所需能量要200MeV以上。基于传统加速器技术的离子束治疗加速器目前正在一些西方国家和日本建造或已经建成,但其昂贵的造价和维护费用,使得治疗费用极其昂贵。所以一直以来人们期望通过采用激光加速质子来实现“桌面”小型质子加速器,以降低其造价。目前这是个强场物理界的热点课题。

    在2008年盛政明教授与北京大学重离子物理研究所合作发现了由圆偏振强激光加速离子的所谓“稳相加速”区域[X.Q. Yan et al., Phys. Rev. Lett. 100, 135003 (2008)]。数值模拟表明,在该加速区即使采用峰值功率在100TW量级的激光器,就可以将薄膜靶质子加速到200MeV以上的能量,并且产生质子束具有很好的单能性。该工作发表至今的一年时间里,已经被引用22次,得到极大关注。另一方面,要在实验上实现该加速机制,还存在除了激光技术和制靶技术的其他问题。这就是在薄膜靶被激光加速过程中产生的类“瑞利-泰勒不稳定”和类“成丝不稳定”。这些不稳定将引起稳相加速过程终止,并使质子束能谱变坏。

    针对此问题,最近盛政明继续和北大颜学庆博士、陈佳洱院士以及德国Düsseldorf大学陈民博士(中科院物理所毕业博士,原张杰院士和盛政明教授的研究生)等合作,提出三个解决方案。一是发现在上述不稳定发展的后期,存在一种自组织过程,它使得被激光加速的薄膜靶在光束边缘区域首先被激光脉冲击穿,而后在光轴附近的靶物质被激光束包围而获得长时间加速;二是提出采用两个横向Hermite-高斯光束模式的组合,来抑制加速过程的不稳定的激发,达到延长加速时间的目的;三是采用厚度不均匀的薄膜靶,其中靶的厚度分布与横向光强的分布基本成正比,即光轴附近靶的厚度大,由此该薄膜靶可以获得比较均匀的加速。

    数值模拟表明,上述三种方案都能产生准单能高能质子束,其中第一种方案采用简单靶形状,通过非线性自组织现象选择性地产生质子加速,对需要产生高重复率的质子束的应用方面是非常有吸引力的;后两种方案是通过激光脉冲和靶形状的设计来主动控制高能质子束的能量和能谱。上述方案对实验研究具有实际指导意义。

    上述工作近期分别发表在Phys. Plasmas 15, 113103 (2008);Phys. Plasmas 16, 044501 (2009);Phys. Rev. Lett. 103, 024801 (2009);Phys. Rev. Lett. 103, 135001 (2009)。上述工作得到国家973项目、国家863项目、及国家自然科学基金委重点项目的资助。

    相关链接:
    
    Phys. Rev. Lett. 103, 024801 (2009)

    Phys. Rev. Lett. 103, 135001 (2009)



   
 
 
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