基于希腊最强的超短激光系统的磁涡旋质子加速方案

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导读

希腊等离子体物理与激光研究所（The Institute of Plasma Physics and Lasers, IPPL）位于Rethymnon，隶属于希腊地中海大学（the Hellenic Mediterranean University, HMU）研究中心。IPPL的旗舰装备是希腊最强大的超短激光脉冲系统，输出功率45 TW（1.1 J，<25 fs，10 Hz），其聚焦强度超过10²¹ W/cm²，满足尖端研究领域的多类型实验。IPPL还拥有一个脉宽为7 fs的激光系统，以及脉宽为ps和ns的现代固体激光器系统，可以输出不同波长的激光。IPPL的专业设备包括脉冲光电功率装置（Plasma Focus, Z-pinch, X-pinch），用于产生致密的热等离子体，有助于研究等离子体动力学以及开发新型应用。它还拥有装备精良的实验用真空靶室，包括各类诊断装置。这些条件为激光粒子加速研究提供了良好的条件。

图1 ZEUS TW-class超快激光系统

（图片源自网络）

前言

激光驱动的粒子加速因其与基础物理密切相关，并且具有广阔的潜在应用前景，引起了学界的广泛兴趣。例如，在惯性约束聚变的快点火方案中需要利用超热质子进行能量沉积；癌症治疗等方面依赖于高能质子束的产生。希腊地中海大学的实验团队专注于利用ZEUS装置产生最佳的冲击波剖面，以此来加速大量的质子到尽可能高的能量。

IPPL的科研人员通过数值模拟研究了激光加速质子实验中，气体靶密度剖面的光学整形方法。利用含有多个爆炸冲击波的流体模型，模拟了气体靶中近临界密度的产生。爆炸冲击波由低强度激光在平行或交叉的不同构型下产生。激波波阵面的迎面相撞可以有效压缩气体，从而产生尖锐的、高度压缩的气体剖面。IPPL Vasilis Dimitriou等人研究了ZEUS超短超强激光装置产生最佳压缩剖面的实验设置参数，以用于粒子的磁涡旋加速。

相关成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2022年第5期的封面文章。

I. Tazes, S. Passalidis, E. Kaselouris, et. al. A computational study on the optical shaping of gas targets via blast wave collisions for magnetic vortex acceleration[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(5): 05000e31

激光质子加速

在近临界密度区域，主流的质子加速机制有磁涡旋加速、无碰撞冲击波加速以及原子团簇的库仑爆炸。就粒子能量与激光能量的标度率来说，磁涡旋加速是最有效的。磁涡旋加速需要在特定的时空域内产生极为尖锐的高密靶轮廓。激光脉冲在近临界密度气体中传播，会加速其尾迹的电子形成电子细丝，从而产生极强的电流。由此会形成一个强大的角向磁场，并维持在等离子体通道内。当激光脉冲穿越高密度区域传入真空时，被束缚的磁场开始扩散，从而产生一个很强的纵向电场来加速质子。图2中嵌入的左上方小图显示了加速的质子丝进一步被磁涡旋箍缩，产生了准直的高能粒子束。

图2 气体被四束和两束激光脉冲压缩

然而一般的气体密度难以满足磁涡旋质子加速的要求。本文采用了多束ns激光驱动的爆炸冲击波方式对气体进行压缩，将相互作用区域的等离子体提高到近临界密度。这里采用了835 mJ能量的6 ns基频光，其强度近10¹⁴ W/cm²，瑞利长度为295 μm。模拟中，每束光含有20000条光线。如图2所示，四束脉冲互成直角入射可最大程度上压缩气体靶，压缩后的气体密度比初始密度提高了20倍以上。压缩后的等离子体密度极度尖锐，这有利于质子加速实验的开展。这些被压缩的等离子体可以维持几百个ps。两个爆炸冲击波交叉呈60°角可将密度提升10倍，压缩状态维持长达2.5 ns，时间窗口提升10倍以上。这十分适合质子加速，因其时间尺度为纳秒量级，从而降低了实验上对激光脉冲同步性的要求。此外，在这种设置中，冲击波前沿非常陡峭。

利用粒子模拟（particle-in-cell）程序，理论工作者验证了45 TW的ZEUS激光通过磁涡旋机制加速质子的效率。如图3所示，ZEUS主脉冲激光与四束垂直交叉光束形成的冲击波面相互作用，加速产生了轴向质子束。图3（a）、3（b）给出了不同视角下的质子束空间分布情况。图3（c）所示在600 fs时，可发现加速质子的截止动能约为16.5 MeV。图3（d）给出了角向磁场分布随时间的变化过程。

图3 质子的磁涡旋加速结果

总结与展望

本文的数值研究工作确定了IPPL实验条件下的最佳光学整形参数。高密度气体喷靶通过一个空气驱动氢气助推器和一个电磁阀来输送，可以承受100 MPa的托压。一束850 mJ、1 ns的激光束被用来产生爆炸冲击波。ZEUS装置将安装到直径为1.5 m的主真空靶室上，其中ZEUS激光脉冲将用来辐照临界密度面。ZEUS产生的激光脉冲将由离轴抛物面镜聚焦到气体靶上，其焦斑约为3 μm，这意味着极值光强可达10²⁰ W/cm²以上。数值模拟研究显示，双交叉纳秒激光脉冲构型的效率和限制要求更有利于相关实验计划，目前正在进行实验参数的多维度研究，以进一步优化气体的压缩，并延长密度剖面的时间窗口。该研究为基于数十TW的激光系统驱动高能质子加速提供了一种可行的方案。

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科学编辑 | 赵耀

编辑 | 周琦雅

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