我国科学家在激光加速领域取得重要进展
日期 2019-01-30  来源:数理科学部  作者:李会红 蒲钔

       在国家自然科学基金项目(批准号:11775010,11575011,11535001,61631001和11605111)、国家重大科技基础设施培育项目和国家重大仪器专项等支持下,北京大学颜学庆教授团队在激光等离子体加速领域取得重要进展,基于高品质拍瓦激光,实验上首次利用人工设计的微纳靶材,获得了能量高达580兆电子伏特的碳离子,将原飞秒激光加速重离子能量记录提高了两倍;并提出采用微结构管靶获得产额1014/发和发散角小于3度的超高亮度伽马辐射源新方案,亮度比之前研究报道结果高出两个数量级。相关结果以“Creation of Electron-positron Pairs in Photon-photon Collisions Driven by 10-PW Laser Pulses”(基于十拍瓦激光的光子对撞与正负电子对产生新方案)和“Laser Acceleration of Highly Energetic Carbon Ions Using a Double-Layer Target Composed of Slightly Underdense Plasma and Ultrathin Foil”(双层靶激光级联加速产生高能碳离子)为题,于2019年1月9日和10日连续在线发表于Physical Review Letters(《物理评论快报》)上。论文链接: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014802,https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.014803。

  随着啁啾脉冲放大技术(CPA)的发展,特别是10-100拍瓦(PW,1PW=1x1015瓦)激光器的建成,激光光强可以达到1023W/cm2以上。超强激光与物质相互作用是一种极端非线性过程,不仅可以用于电子、质子和重离子的加速,也可以产生从太赫兹到X/γ射线的超短超强宽带相干辐射。正是由于CPA激光在粒子加速和辐射领域的重要潜力和贡献,Mourou and Strickland获了2018年度诺贝尔物理奖。

  高能重离子在肿瘤治疗、生物辐照、核物理与核能等领域有着广泛的用途。利用超强飞秒脉冲激光加速重离子一直是激光加速领域的难点。之前的大量实验中,通常只能获得最高能量为几兆电子伏特每核子的重离子。而在相同条件下,质子可被加速至近百兆电子伏特,远高于重离子。要有效加速重离子,需要将其在加速初始阶段就电离到高电荷态注入到加速场中,并且保持足够长的加速时间。2019年北京大学的研究人员设计并制备出了一种由超薄超低密度碳纳米管泡沫与类金刚石纳米薄膜组成的双层复合靶材,成功地同时实现了这两个条件。复合靶材在超强飞秒脉冲激光作用下,位于类金刚石纳米薄膜中的碳离子,先后经历了光压电离注入与长达数百飞秒的鞘场加速两个过程,最终速度达到了光速的30%。这是首次利用超短脉冲在实验中实现了重离子的级联加速。数值模拟工作表明这种高效的加速方案也适用于金、钍、铀等重离子,未来可产生能量为数十兆电子伏特每核子、密度为传统束流109倍的高能高密度重离子束流。这种高能高密度重离子束流将为超重元素合成、短寿命核素加速、温稠密物质等温加热等重要物理难题的解决提供新的方案。

  北京大学研究人员在前期的工作中对产生超高亮度伽马光源进行了深入的研究,首次从理论上系统阐明了微通道结构靶中,纵向电场主导了电子的加速过程,同时电子的横向加速可以得到有效的抑制,因此可以获得高准直性的电子束,当这些电子束在横向场中的相位发生反转时,电子就会在管道边界处产生强伽马辐射。由于电子的发散角决定了伽马辐射的发散角,因此可以获得准直性非常好的伽马辐射源。数值模拟中10 PW激光所能获得的发散角小于3度,亮度比之前研究报道结果高出两个数量级。该超高亮度的伽马射线可以应用于光子对撞机,计算结果表明可以获得超高信噪比(>103),且每一发正负电子对信号(>108)远高于现有测量技术的探测极限。通过该方案将可以在实验室中验证光子相互作用过程中由能量到物质的转换过程,将提供激光驱动光子对撞机研究的新途径,也将极大的促进光子对撞物理的发展。未来有望依据该方案建设基于重频拍瓦飞秒激光的高亮度伽马源及其应用装置。

图1 本研究结果(红星标注)与已有重离子加速实验结果汇总

图2 本方案研究结果(红星连线)与已有伽马光源亮度结果汇总