强脉冲激光驱动固体薄膜靶的单能离子加速机制研究

超强超短脉冲激光驱动高品质离子束可以广泛应用于癌症治疗、超快物理成像、同位素产生以及激光聚变点火等重要领域。不过，上述系列应用对离子束品质如数目、能散、发散角等物理量均提出极其苛刻的要求。目前，基于超强激光与等离子体相互作用产生的高能离子束存在两种主要加速机制，即靶后鞘层电场离子加速机制和激光辐射光压离子加速机制。其中，鞘层加速机制主要利用激光加速固体靶前表面的高能电子输运到固体靶后，在后表面形成的极强电荷分离场并实现离子加速。该加速机制产生的离子束具有低密度、宽能散和大发散角的特征。相比较而言，激光光压加速机制主要利用超强激光有质动力，在固体靶前表面形成稳定的电荷分离场。该加速结构能够有效俘获加速离子并实现长时间、高效率的加速过程。加速产生的离子束具有高效率、低能散和较好的方向性，是当前强场物理研究的一个热点研究方向。本项目中，我们采用理论分析和大规模粒子模拟相结合的方法研究了超强超短脉冲激光驱动固体薄膜靶的单能离子加速机制。通过分析激光光压离子加速过程中存在的各种等离子体不稳定性和辐射阻尼效应对离子加速过程影响和内在物理机制，提出多种有效的优化离子加速物理方案,得到加速离子能量、能散、束流品质、转换效率等与激光强度、固体靶参数的三维定标关系。同时，针对激光离子加速过程中存在的各种关键物理问题如超热电子产生、输运以及离子加速过程中伴随的高亮辐射问题开展深入研究，获得重要研究成果。相关研究结果对于未来开展紧缩性台面离子加速器与辐射源研制具有非常重要的指导意义。