解析高能激光系统离子加速机制研究最新进展

辐射压(RPA)加速[/New]

辐射压将靶表面的等离子体向内推进并形成碗状的形变，对厚靶而言，该形变在脉冲持续时间内并不能达到靶后表面，该作用领域定义为打洞效应(HB)。模拟结果表明HB –RPA产生的离子具有较小的能散度，特别是正入射的圆偏振激光。Brookhaven国家实验室采用圆偏振二氧化碳激光器a0=0.5与H2作用，获得了能散度约10%的1MeV质子。当靶厚度远小于vHBτ时，RPA进入“光帆”(LS)模式，一般而言靶的厚度为几纳米。利用VULCAN拍瓦激光(~800fs，I=0.5×10^19~3×1019W/cm2)，Kar等观测了重离子谱及质子谱，能量最高达10MeV。

相对论透明加速机制[/New]

相对论透明机制将导致高能离子能量，特别是截止能量超过100MeV的质子。该机制一项重要的标志为离子数目和能谱的峰值并不是位于轴向方向，而是位于一些角度处(如10°)。该效应在三维模拟中展现，类似于图3中结果(线偏振)。此外该文[New J. Phys.15 023007，2013]结果显示C离子的有效加速，共计产生了5×10^11个，转换效率近6%。

无碰撞冲击波加速[/New]

UCLA开展了采用CO2激光与氢气喷气靶的实验。激光为线偏振。质子谱峰值为22MeV，单位发散度达到10^7个，该实验的基础机制即无碰撞冲击波加速机制(CSA)电子以及密度峰由激光脉冲驱动无碰撞冲击波所产生，速度为vs=Mcs(其中cs=(ZTe/Amp)1/2，即非相对论等离子体气在玻尔兹曼平衡下的声速，M>1代表马赫数)该冲击波由被冲击前端所反射的离子形成，并产生速度为2vs的单能束。若冲击波由热电子支持，则能获得较高数值的vs。CSA机制产生超过100MeV的质子需要高能CO2的产生以及密度约为10^21cm^-3的靶材。

激光脉冲的对比度在固体靶实验中起重要作用，特别是超薄靶实验中。未来激光系统的研发将拓展未知领域的探索。诚然，激光和靶参数的定标率仍在探索中，因此激光系统对实验的影响值得期待，此外，对不同机制的并行计算模拟亟需快速发展。