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物理学院乔宾教授课题组与合作者提出拍瓦飞秒强激光驱动产生准单能离子束新方案

北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室乔宾教授课题组与合作者提出通过拍瓦飞秒强激光辐照微胶带靶获得峰值能量高于100 MeV、能散为1%的高品质离子束的新方案。2021年10月4日,相关研究成果以《飞秒激光与微胶带靶相互作用产生准单能离子束》(Monoenergetic high-energy ion source via femtosecond laser interacting with a microtape)为题,在线发表于《物理评论X》(Physical Review X)。

强激光离子源具有比传统射频源高三个数量级以上的加速电场,有望实现加速器的小型化、商业化,在聚变能源、医疗健康、核物理和粒子物理等领域都有重要的应用前景。目前,实验上获得的质子能量最高接近100MeV,但其能谱呈现指数下降的宽谱特征严重限制了在癌症治疗等方面的应用。事实上,在目前已知的诸多激光离子加速机制中,由于受到激光器条件和不稳定性的影响,如何获得达到医疗临床要求的能散在1%量级的准单能离子束长期悬而未决。

最近,北京大学物理学院、核物理与核技术国家重点实验室乔宾教授课题组与德国杜塞尔多夫大学理论物理研究所AlexanderPukhov教授课题组合作,提出通过拍瓦飞秒强激光辐照微胶带靶获得高品质离子束的新方案(如图)。联合研究团队对微胶带靶进行精密设计,使其表面在激光辐照时激发出强表面等离子体波,进而加速电子共振,获得具有超大电荷量、超小发散角的高能电子束;当电子束注入真空时,由于电子电荷量远大于离子电荷量,自发形成稳定的箍缩电场,实现在高效加速质子的同时不断压缩质子的相空间,最终获得单能性极好的高品质离子束。三维粒子模拟结果显示,利用现有拍瓦飞秒强激光,可以获得峰值能量高于100 MeV、能散为1%的高品质离子(质子)束。

(a)拍瓦飞秒强激光与微胶带靶相互作用离子加速新方案示意图;(b)质子密度的三维粒子模拟结果;(c)质子能谱的三维粒子模拟结果

北京大学核物理与核技术国家重点实验室2019届博士毕业生、杜塞尔多夫大学理论物理研究所博士后沈晓飞为论文第一作者,乔宾与AlexanderPukhov为共同通讯作者。上述工作得到国家自然科学基金等项目支持,为激光离子加速机制提供了一条全新的途径,有望解决离子能散大这一长期存在的难题,为激光驱动的质子治疗肿瘤等应用奠定基础。


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