前沿进展 | 上海光机所羲和激光首轮实验获得60 MeV质子束

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“前沿进展”栏目，旨在介绍科研人员在光学领域发表的具有重要学术、应用价值的论文，促进研究成果的传播。部分论文将推荐参与“中国光学十大进展”评选。

01 导读

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队报道了上海超强超短激光实验装置(羲和激光，SULF)10 PW平台磨合阶段的首个实验结果，利用SULF-10 PW激光轰击金属靶，获得了能量高达62.5 MeV的高能质子束。
相关成果以“Acceleration of 60 MeV proton beams in the commissioning experiment of SULF-10 PW laser”为题发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第4期上，并被评选为“封面文章”。2022 | 前沿进展

02 研究背景

目前，全球有多个已建成或在建的10 PW级激光装置，如ELI、Vulcan-10 PW、Apollon-10 PW和SULF-10 PW。SULF激光装置是国内首个10 PW级激光装置，由中科院上海光机所于2016年开始建设，2018年成功实现10 PW激光功率输出。羲和原指《山海经》中记载的中国太阳女神，她生下了10个太阳，正好对应激光装置的10 PW——相当于太阳辐照到地球总功率的10倍。

这些超强激光装置可在实验室中创造前所未有的极端物理条件，能极大推动激光驱动粒子加速、x/γ射线辐射、实验室天体物理、激光核物理等领域的研究。其中，基于等离子体的激光离子加速因其有望实现加速器的小型化、台式化而受到极大的关注，在肿瘤治疗、聚变能源等领域具有重要的应用前景。

03 研究创新点

上海光机所团队建立了全球第一个10 PW激光物理实验平台，利用SULF-10 PW激光与铜金属平面靶相互作用开展激光驱动质子加速的研究，在靶后法线鞘层加速机制（Target Normal Sheath Acceleration, TNSA）下获得了能量高达62.5 MeV的高能质子束，该结果是国际上已报道的飞秒激光质子加速最高水平之一。

这是首次在SULF-10 PW物理实验平台上开展的磨合实验。实验中，激光脉宽为30 fs、能量为72±9 J、焦斑为6 μm（半峰全宽，FWHM），到靶的激光功率和光强分别是2.4 PW、2.0×10²¹ W/cm²。  

激光方向和法线方向的质子截止能量随铜靶厚度的变化曲线如图1（b）所示，其中汤姆逊谱仪（Thomson parabola spectrometer，TP）测量激光方向和法线方向的质子能谱，辐射变色膜（Radiochromic film, RCF）堆栈谱仪测量质子的空间分布，成像板（Image plate，IP）堆栈测量电子的空间分布。

从图1（b）可以清楚地看到，当厚度从1 μm增加至4 μm时，质子截止能量逐步增加，而厚度进一步增加到10 μm时，质子能量则逐渐下降，因此对应的最佳靶厚是4 μm。这种变化趋势与靶后法线鞘层加速机制一致，其中电子回流效应和预脉冲导致靶的膨胀效应使得质子加速存在最佳靶厚。

图1（a）实验布置示意图；（b）激光方向和靶后法线方向的质子截止能量随铜靶厚度的变化曲线；（c）不同靶厚条件下的质子能谱。

在不同的靶厚条件下，法线方向的质子能量都高于沿激光传播方向的能量，且质子能谱呈指数衰减的宽谱分布，如图1（c）所示。对于厚度为4 μm的铜靶，根据三发的实验数据，质子的平均截止能量为60 MeV，最高能量达到62.5 MeV。

在最佳铜靶厚度（4 μm）条件下，电子束的分布以及电子能谱如图2所示。通过拟合实验获得的电子能谱，可以得到电子的温度为7.6 MeV。同时，当靶后法线鞘层加速机制主导时，电子温度遵循有质动力定标律，根据激光光强可得到电子温度的理论值为8.6 MeV。因此，实验结果与理论结果基本相符，进一步证明了靶后法线鞘层加速机制在激光驱动微米铜靶加速质子中起主导作用。

图2 铜靶厚度为4 μm时，电子束的分布（a）以及电子能谱（b）

该团队还开展了基于纳米薄膜靶（CH）的激光质子加速实验研究。不同厚度下（30 nm、40 nm和70 nm）CH靶的质子束分布如图3所示。当靶厚为30 nm和40 nm时，RCF上呈现出清晰的环形轮廓，表明质子并未有效加速，这是因为纳米靶的预膨胀可能导致相对论透明效应。当靶厚增加至70 nm时，RCF会呈现丝状结构，这可能与等离子体中的Weibel不稳定性有关，表明预等离子体相对于主激光是不透明的。

图3 不同厚度（a1-a4）30 nm、（b1-b4）40 nm和（c1-c4）70 nm薄膜靶的质子束分布

04 总结与展望

SULF-10 PW磨合阶段首个实验结果表明，其10 PW激光系统具有较高的聚焦光强和良好的光束对比度等条件。未来通过对关键参数的进一步优化，预计可得到10²² W/cm²级的激光光强与更高的激光对比度，有望获得百MeV级的高能质子束，推动激光质子源在能源、材料、生命等方面的重大应用，同时为极端强场与高能量密度物理研究提供领先的实验条件。

该论文的第一通讯单位是中国科学院上海光机所，第一作者是中国科学院上海光机所李昂骁博士和秦承宇博士，通讯作者是张辉副研究员、吉亮亮研究员、沈百飞研究员和李儒新院士。SULF激光装置运行团队对实验给予了大力支持。该研究获得了中科院先导B类专项、国家自然科学基金及中科院青促会等项目的支持。

论文链接：

https://www.researching.cn/articles/OJf374d9b9c2cc4015

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编辑 | 方紫璇

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