超短超强激光加速质子束的聚焦实验
强激光与物质相互作用产生高能质子束是当前研究的热点，而产生高强度、良好聚焦的质子束更将有可能在高能量高密度学科开启新的研究方向，并将应用于放疗、肿瘤学、天体物理学、医学成像和质子束快点火等诸多学科。
 本文利用PIC程序LSP对所产生的质子束运动过程进行了模拟，发现大部分测试质子一开始都是沿着垂直靶面的方向加速，而后开始做偏离轴向的运动。这与“垂直靶面鞘层加速”模型相一致，该模型认为强激光与物资相互作用产生的大量热电子会形成垂直于靶面的加速鞘层。模拟得出的焦斑直径与实验结构相符。质子束的弯曲轨迹还可以通过分析质子束内的径向电场变化情况得到定性的解释。在靶面附近，热电子受正电荷质子的影响而聚集在一起，而从靶面向外观察，发现电场在由向内到向外逐渐演化。更高的激光强度可以产生更高能量的电子，从而会增大径向压缩力。模拟显示质子束内的径向压缩场达到了MV每100微米的强度，这足以在FI结构的空间尺度内对MeV量级的质子束产生有效的偏转。此外，根据该模型可以得出质子束能量越高，则偏转半径越小的结论，这也与实验的结果相同。  图11.横轴为质子能量，a中纵轴为焦斑直径，b为焦点位置 质子束的聚集特性还受到热电子空间均匀性的影响，由于径向电场是由于热电子在靶面的横向运动造成的，如果将热电子源(激光焦点)的直径由90微米增大至360微米，会减低初始热电子鞘层的径向梯度，得到更均匀的电子鞘层，从而使得质子束的焦斑直径由60微米减少至35微米。此外，模拟还发现，在锥体内没有碳氢膜的条件下，该直径还可以进一步减少至20微米，这是因为碳氢膜的存在会对径向电场有一定的削弱作用。基于以上结果，我们认为改进激光焦斑的均匀性、优化锥体结构等从而获得聚焦性能更[好的质子束将对高能高密度科学的诸多领域产生巨大的应用价值。  图12.测试质子的模拟结果。曲线为质子的运动轨迹，颜色反映质子的密度 编译自：Focusing of short-pulse high-intensity laser-accelerated proton beams. Teresa Bartal,Mark E. Foord,Claudio Bellei, et.al. Nature Physics 8,139~142(2012) |
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