物理學院喬賓課題組在《物理評論快報》發文提出激光光壓離子加速動態致穩新方案

強激光碟機動的高品質離子源在聚變能源、醫療、核物理和粒子物理等領域都有重要應用。近日，北京大學物理學院喬賓研究員課題組在《物理評論快報》【Physical Review Letters 118, 204802 (2017)】上發表文章，提出一種實現穩定激光光壓離子加速的動態致穩新方案，解決了困擾激光光壓離子加速多年的不穩定性導致加速被過早破壞的難題，獲得國際同行關注。

強激光與物質相互作用中,其電荷分離場高達100 GV/m, 比傳統射頻加速器高3個數量級，能夠在厘米量級的距離內將帶電粒子加速到GeV能量,因此利用激光加速器取代傳統加速器引起了科學界的廣泛興趣。在諸多激光離子加速機制中，光壓加速（Radiation Pressure Acceleration，RPA）理論上獲得的離子束具有能散小、束流密度大、能量轉化效率高等特點，是目前研究的前沿和熱點。雖然PRA理論及一維模擬結果極具吸引力，但目前實驗上難以獲得預期的好結果。究其根源，除去目前實驗上激光靶參數不夠理想外，最關鍵的原因就是高維條件下不穩定性的劇烈發展（F. Pegoraro et al, PRL 2007; A.P.L. Robinson et al, NJP 2008; X.Q. Yan et al, PRL 2009; B. Qiao et al, PoP 2011; Y. Wan et al., PRL 2016），目前主流認為是類瑞利-泰勒（RT）不穩定性。這種不穩定性發展最終會引發同步加速等離子體片中電子的加熱和大量損失，從而導致等離子片發生庫侖爆炸，加速被破壞，獲得的離子束品質差。如何抑制不穩定性的發生是目前RPA研究最具挑戰性的問題之一，諸多方法（B. Qiao et al, PRL 2010, T. P. Yu et al, PRL 2010, D. Wu et al, PoP 2014）被提出和研究，但實際效果一直都不理想。

經過數年的深入研究，喬賓課題組另闢蹊徑，按照完全不同的思路，考慮如何動態地彌補光壓加速中RT等不穩定性帶來的破壞作用而非僅僅抑制不穩定性發生這一想法，首次提出利用高Z塗層的電離效應在激光光壓加速過程中動態補充電子，彌補RT不穩定性帶來的加速等離子體片的電子損失，從而實現動態致穩RPA。這一全新方案非常皮實，三維粒子模擬顯示在目前真實的激光和靶參數條件下，此方案可實現穩定的離子光壓加速，並且可以應用於加速高Z重離子源。PRL審稿人對該方案給出了高度評價，認為該工作為激光光壓加速研究領域作出了重要貢獻，揭示了動態電離在強激光與重離子相互作用中的重要意義。

(a)光壓加速動態致穩方案示意圖；(b)和(c)三維粒子模擬結果：帶有Cu塗層的Al靶加速後Al離子密度分布和能譜

喬賓課題組博士研究生沈曉飛為該論文第一作者，喬賓研究員為通訊作者，合作者包括賀賢土院士等。該工作得到了國家自然科學基金委、國家重點研發計劃、千人計劃和挑戰計劃的大力支持。

編輯：安寧

論文原文

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