一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)及其加速方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)及其加速方法。本發(fā)明的激光離子加速系統(tǒng)包括：激光脈沖以及靶；其中，激光脈沖包括激光主脈沖和激光預脈沖；靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分。本發(fā)明利用激光預脈沖與透鏡部分相互作用產生臨界密度等離子體，相對論強度激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡并對激光主脈沖進行整形，提高激光主脈沖的峰值光強以及對比度，滿足光壓加速條件，激光主脈沖與加速部分相互作用，從而有效的實現(xiàn)離子束流加速的增強，提高離子束流能量和能散等參數(shù)。
【專利說明】—種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)及其加速方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及高能粒子加速技術，尤其涉及一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)及其加速方法。

【背景技術】
[0002]激光加速是一門新興的加速器學科，利用強激光與物質相互作用，從而產生帶電粒子束流。與傳統(tǒng)的加速器相比，激光加速的加速梯度高出三個數(shù)量級，體積較小。目前，激光加速已經(jīng)步入實驗階段，加速電子和離子都已經(jīng)在實驗中實現(xiàn)。激光加速電子已經(jīng)取得了相當?shù)某煽?，而激光加速離子相對發(fā)展緩慢，并且離子束流品質還有待進一步提高。目前，激光加速是采用相對論光強(光強超過1018W/cm2)的飛秒(或皮秒)激光與ym(或nm)厚度的金屬等靶相互作用，來產生離子束流。激光以及靶的參數(shù)對于加速離子束流的品質都有影響。
[0003]實驗上一般基于靶后鞘層場加速理論，實現(xiàn)了激光離子加速，但是進一步提高束流品質較難。2004年T.Esirkepov等人提出高效率的離子加速方案——光壓加速機制。其利用強相對論激光(光強超過102°W/cm2)與納米薄膜靶作用，在激光波前區(qū)域擊穿薄膜靶。激光推動電子離子薄層整體運動，激光被反射同時部分能量轉化為等離子體能量，從而得到準單能的GeV量級的離子束流。強相對論激光與薄膜靶作用，擊穿層薄膜靶速度接近光速，且反射率R?1，實現(xiàn)非常好的離子單能性(離子能量集中分布)以及超高的激光到離子轉換效率。然而，要實現(xiàn)這種加速機制，需要滿足一定的條件:第一、合適的靶厚度，最佳厚度處于激光的推動作用和靶的靜電分離相互平衡，同時剛好可以被激光穿透，當光強過高時，激光能量大部分穿透靶，電子被激光推出而離子跟不上電子，則離子無法得到有效加速。當光強過低時，激光也無法把靶做為一個整體來推動；第二、高性能的激光脈沖，主要指激光的對比度以及光強，需要超高的對比度(優(yōu)于10_9)以保證薄膜靶在激光主脈沖到達之前不被破壞。預脈沖光強較高(低對比度)很可能將薄膜靶完全破壞，無法形成穩(wěn)定的加速結構。另一方面，光強達到102°W/cm2以上，光壓加速基本假設才能得以滿足。現(xiàn)有的激光技術很難同時滿足光強、對比度以及脈沖包絡的需求。
[0004]預脈沖是實驗室激光脈沖難以避免的重要的組成部分，位于激光主脈沖前端，光強低于主脈沖幾個數(shù)量級(該數(shù)量級一般為4?12)，持續(xù)時間在ns量級。預脈沖的產生主要是由于激光放大過程中，激光增益介質的自發(fā)放大輻射。描述預脈沖的參數(shù)主要有:脈沖持續(xù)時間和對比度。對比度是預脈沖和激光主脈沖的光強的比值。相對論強度激光的預脈沖對于激光離子加速有重要的影響:預脈沖在主脈沖到達之前與薄膜靶相互作用，造成薄膜靶的燒蝕和變形。燒蝕變形后的薄膜靶，由于其結構的改變直接影響了加速電場的穩(wěn)定性，特別是對于納米厚度薄膜靶，預脈沖完全破壞其結構并直接導致加速結構無法形成。因此，目前激光加速普遍采用的是激光與微米量級厚度的靶相互作用，以避免預脈沖的負面效果。
[0005]近年來，人們研究發(fā)現(xiàn)，強相對論激光在臨界密度等離子體中傳播時，由于激光脈沖改變等離子體密度分布，等離子體的折射率受密度分布影響從而改變激光的傳播，產生聚焦的作用。當聚焦效果與激光傳播的散焦效果相當時，激光穩(wěn)定的傳播，形成相對穩(wěn)定的自適應通道。在以上的調制作用中，激光脈沖光強和對比度得到提高，激光光束得到整形，光束品質得到大幅度改善，足以滿足與納米薄膜靶相互作用的要求。整形后的激光結合納米薄膜靶可以極大提高激光加速的效率和離子束的品質。然而，目前激光脈沖整形的理論，研究了均勻分布的臨界密度等離子體中激光脈沖的整形，這是一種基于理想條件的理論研究，由于無法控制以及操作性的問題，很難在實驗中實現(xiàn)。


【發(fā)明內容】

[0006]針對以上現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)及其加速方法，使用激光預脈沖，燒蝕金屬靶前表面，制備臨界密度等離子體，并以此實現(xiàn)激光脈沖整形并應用于后續(xù)離子加速，實現(xiàn)方法簡單易行。
[0007]本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)。
[0008]本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)包括:激光脈沖以及靶；其中，激光脈沖包括激光主脈沖和激光預脈沖；靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，激光預脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生臨界密度等離子體；激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形；整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射。
[0009]本發(fā)明通過激光預脈沖與靶的透鏡部分作用產生臨界密度等離子體，隨后而至的激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用產生等離子體透鏡效應，并產生強聚焦整形，該強聚焦相對于激光本身強度而言提高3倍以上，與此同時產生高能量密度的電子束流。通過等離子體透鏡聚焦整形后的激光主脈沖，由于光強以及對比度均滿足光壓加速條件，因此與加速部分相互作用產生離子束流，于此同時聚焦整形過程中產生的高品質的電子束流將進一步增強加速效果。對于利用等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)，激光聚焦以及高能量密度電子束流，由臨界密度等離子體的參數(shù)決定。技術核心在于臨界密度等離子體的制備與控制，其密度的分布直接決定了“透鏡”對于激光主脈沖的整形效果，而且與激光主脈沖參數(shù)不匹配的等離子體甚至對加速產生負面效應。因此通過激光預脈沖控制臨界密度等離子體的參數(shù)，使其與強相對論的激光主脈沖匹配，提高臨界密度等離子體與激光主脈沖的能量耦合效率，從而最終實現(xiàn)有效地增強離子束流加速。
[0010]靶的兩部分采用均一的金屬材料，原子數(shù)不小于13，如鋁等；厚度在I?10 μ m之間。激光預脈沖可以采用人為加入的激光燒蝕脈沖，或者也可以采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1fs?10fs之間；激光預脈沖的光強在KTW/cm2?1014W/cm2之間，持續(xù)時間在1ps?Ins之間。
[0011]以上是由預脈沖產生等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)，本發(fā)明的激光離子加速系統(tǒng)中的等離子體透鏡還可以通過復合靶實現(xiàn)。
[0012]本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)包括:激光脈沖以及靶；其中，激光脈沖包括激光主脈沖和激光預脈沖；靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，透鏡部分的密度為臨界密度，激光主脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形；整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射。
[0013]靶的兩部分采用不同的材料，即復合靶，透鏡部分采用碳納米管陣列，加速部分采用類晶剛石DLC納米薄膜板；碳納米管陣列的密度在0.01?0.lg/cm3，為臨界密度，厚度在10?100 μ m ;類晶剛石DLC納米薄膜板的厚度在5?10nm之間。激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，寬度在1fs?10fs之間；激光預脈沖不可避免，激光脈沖的對比度要求高于101(1，且對于不可避免的激光預脈沖的強度低于1012W/cm2，脈沖持續(xù)時間低于ps，從而不會破壞靶的透鏡部分。
[0014]本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法。
[0015]本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，包括以下步驟:
[0016]I)激光器發(fā)出激光脈沖，包括激光主脈沖和激光預脈沖，靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分；
[0017]2)激光預脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生臨界密度等離子體；
[0018]3)激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形，同時產生高能量密度的電子束流；
[0019]4)整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射，聚焦整形的同時產生的高品質電子束流進一步增強加速效果。
[0020]其中，在步驟I)中，靶的兩部分采用均一的金屬材料；激光預脈沖可以采用人為加入的激光燒蝕脈沖，或者也可以采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖。靶的兩部分采用均一的金屬材料，原子數(shù)不小于13，如鋁等；厚度在I?ΙΟμπι之間。激光預脈沖可以采用人為加入的激光燒蝕脈沖，或者也可以采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1fs?10fs之間；激光預脈沖的光強在liTW/cm2?1014W/cm2之間，持續(xù)時間在1ps?Ins之間。
[0021]在步驟2)中，強相對論激光脈沖與靶相互作用，靶的前表面被燒蝕而膨脹，形成指數(shù)型密度分布的臨界密度等離子體，在燒蝕過程中臨界密度等離子體不斷地產生、積累并膨脹。激光預脈沖無法穿透臨界密度面(12Vcm3)，激光預脈沖的吸收發(fā)生在臨界密度面以及低密度區(qū)域，一般來講，非相對論強度(光強低于1018W/cm2)的激光預脈沖，其主要的能量吸收方式是臨界密度面處的共振吸收，由于激光預脈沖的頻率與產生的等離子體的頻率一致，通過共振的方式把激光能量轉化為等離子體能量。而在低密度區(qū)域處，逆軔致輻射方式起到主導作用，所吸收能量效率明顯較弱。臨界密度面處能量吸收產生的熱壓，向靶內和靶前兩個方向傳播。靶前的自相似膨脹則形成低密度的臨界密度等離子體，是產生等離子體透鏡的主體部分；向靶后傳播的壓力波，壓縮等離子體密度形成燒蝕前沿，到達靶后迅速破壞靶后結構對后續(xù)加速產生負面影響。臨界密度等離子體的密度分布由激光預脈沖的強度和脈沖持續(xù)時間共同決定。
[0022]在步驟3)中，在激光預脈沖燒蝕靶的透鏡部分形成臨界密度等離子體后，隨后而至的相對論強度的激光主脈沖在臨界密度等離子體中，由于非線性效應將激光主脈沖的持續(xù)時間和聚焦焦斑進行整形，縮短激光主脈沖的持續(xù)時間并壓縮聚焦焦斑。非線性現(xiàn)象包括，相對論自聚焦，相對論自相位調制和相對論自穿透這些非線性效應:1)激光相對論自聚焦導致的激光聚焦焦斑變小，光強增加；11)激光相對論自相位調制導致激光縱向脈沖壓縮和脈沖前沿變陡；111)激光相對論自穿透導致的激光預脈沖的吸收，最佳的激光整形條件是臨界密度等離子體的長度等于自聚焦的距離時。激光主脈沖的光強與臨界密度等離子體的密度相互匹配的條件:a/n=常數(shù)，其中a是激光主脈沖的歸一化電場振幅矢量，η為臨界密度等離子體的密度，經(jīng)過整形過程的激光焦斑能夠聚到I?10 μ m，激光主脈沖的強度提高超過一個量級，并且產生一個準臺階狀的前沿，得到高強度高對比度的激光主脈沖。
[0023]在步驟4)中，聚焦后的激光主脈沖的強度得到3倍以上提高，對比度提高2?5數(shù)量級，滿足光壓加速條件，同時激光整形過程中產生的高能高密度電子。整形后的激光主脈沖以及高能量高密度電子共同作用于靶的加速部分，實現(xiàn)離子束流的加速。對比于傳統(tǒng)的激光與靶相互作用，由于激光主脈沖的光強提高以及高能量高密度電子的共同作用，力口速得到的離子的能量以及分布集中度都得以提高。
[0024]以上是由預脈沖產生等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，本發(fā)明的激光離子加速系統(tǒng)中的等離子體透鏡還可以通過復合靶實現(xiàn)。
[0025]本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，包括以下步驟:
[0026]I)激光器發(fā)出激光脈沖，激光脈沖包括激光主脈沖和不可避免的激光預脈沖，靶沿激光主脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，透鏡部分的密度為臨界密度；
[0027]2)激光主脈沖與具有臨界密度的透鏡部分相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形，同時產生高能量密度的電子束流；
[0028]3)整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射，聚焦整形的同時產生的高品質電子束流進一步增強加速效果。
[0029]其中，在步驟I)中，靶的兩部分采用不同材料的復合靶；其中，透鏡部分的密度為臨界密度的碳納米管陣列，加速部分采用類金剛石DLC納米薄膜板。碳納米管陣列的密度在0.01?0.lg/cm3，為臨界密度，厚度在10?100 μ m ;類晶剛石DLC納米薄膜板的厚度在5?10nm之間。激光主脈沖的光強在1019ff/cm2?1022ff/cm2之間，寬度在1fs?10fs之間；激光預脈沖不可避免，激光脈沖的對比度要求高于101(1，且對于不可避免的激光預脈沖的強度低于1012W/cm2，持續(xù)時間低于ps，從而不會破壞靶的透鏡部分。
[0030]在步驟2)中，相對論強度的激光主脈沖在臨界密度的靶中，由于非線性效應將激光主脈沖的持續(xù)時間和聚焦焦斑進行整形，縮短激光主脈沖的持續(xù)時間并壓縮聚焦焦斑。非線性現(xiàn)象包括，相對論自聚焦，相對論自相位調制和相對論自穿透這些非線性效應:1)激光相對論自聚焦導致的激光聚焦焦斑變小，光強增加；11)激光相對論自相位調制導致激光縱向脈沖壓縮和脈沖前沿變陡；111)激光相對論自穿透導致的激光預脈沖的吸收，最佳的激光整形條件是臨界密度等離子體的長度等于自聚焦的距離時。激光主脈沖的光強與臨界密度等離子體的密度相互匹配的條件:a/n =常數(shù)，其中a是激光主脈沖的歸一化電場振幅矢量，η為臨界密度等離子體的密度，經(jīng)過整形過程的激光焦斑能夠聚到I?10 μ m，激光主脈沖的強度提高超過一個量級，并且產生一個準臺階狀的前沿，得到高強度高對比度的激光主脈沖。
[0031]在步驟3)中，聚焦后的激光主脈沖的強度得到3倍以上提高，對比度提高2?5數(shù)量級，滿足光壓加速條件，同時激光整形過程中產生的高能高密度電子。整形后的激光主脈沖以及高能量高密度電子共同作用于靶的加速部分，實現(xiàn)離子束流的加速。對比于傳統(tǒng)的激光與靶相互作用，由于激光主脈沖的光強提高以及高能量高密度電子的共同作用，力口速得到的離子的能量以及分布集中度都得以提高。
[0032]本發(fā)明的優(yōu)點:
[0033]本發(fā)明利用激光預脈沖與透鏡部分相互作用產生臨界密度等離子體，相對論強度激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡并對激光主脈沖進行整形，提高激光主脈沖的峰值光強以及對比度，滿足光壓加速條件，激光主脈沖與加速部分相互作用，從而有效的實現(xiàn)離子束流加速的增強，提高離子束流能量和能散等參數(shù)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1 (a)?圖1 (d)為本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法的流程圖；圖2為根據(jù)本發(fā)明的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法與現(xiàn)有技術的質子能譜對比圖。

【具體實施方式】
[0035]下面結合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步說明。
[0036]實施例一
[0037]在本實施例中，靶包括透鏡部分21和加速部分22，兩部分采用均一的金屬材料，鋁；厚度在2?5 μ m之間。激光脈沖包括激光主脈沖12和激光預脈沖11，采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖11 ;激光主脈沖12的強度在102°W/cm2?1022W/cm2之間，寬度在20fs?50fs之間；激光預脈沖11的強度在10nff/cm2?1013ff/cm2之間，寬度在10ps?500ps之間。
[0038]本實施例的基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，包括一下步驟:
[0039]I)激光器發(fā)出激光脈沖，包括激光主脈沖12和激光預脈沖11，靶的作用表面垂直于激光脈沖的傳播方向，靶沿激光脈沖的傳播方向分為透鏡部分21和加速部分22，如圖1 (a)所示；
[0040]2)激光預脈沖11與靶的透鏡部分21相互作用，產生臨界密度等離子體，如圖1 (b)；
[0041]3)激光主脈沖12與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形，同時產生高能量密度的電子束流3，如圖1(c)；
[0042]4)整形后的激光主脈沖12滿足光壓加速條件，與靶的加速部分22相互作用，產生離子束流4出射，聚焦整形的同時產生的高品質電子束流3進一步增強加速效果，如圖1(d)所示。
[0043]臨界密度等離子體作為為等離子體透鏡，將對相對論強度的激光主脈沖進行整形，增強激光主脈沖的強度，以期進一步離子束流加速的增強效應。只有在臨界密度等離子體的參數(shù)與激光主脈沖的參數(shù)匹配的情況下，這種增強效應得以體現(xiàn)，而臨界密度等離子體的密度分布是重要的影響因素。臨界密度等離子體的膨脹距離過小，透鏡對于激光主脈沖的整形不足，光強未能提高至極值。而臨界密度等離子的體膨脹距離過大，則激光主脈沖在經(jīng)歷最優(yōu)整形之后，在臨界密度等離子體中繼續(xù)傳播，而此時非線性現(xiàn)象如:成絲和散焦等，造成一定的負面效果。因此最優(yōu)的整形效果，對應著相應的透鏡密度分布，使得激光主脈沖得到最高強度并在同一時刻作用于靶的加速部分。而臨界密度等離子體的密度分布由激光預脈沖的強度和脈沖持續(xù)時間共同決定的。在給定的激光脈沖系統(tǒng)中，激光預脈沖光強可以通過旋光波導技術在一定范圍內調節(jié)。旋光波導技術通過旋光效應，使得光強低于閾值的線偏振激光衰減，一般用于降低激光預脈沖的光強。
[0044]實施例二
[0045]靶包括透鏡部分21和加速部分22，兩部分采用不同的材料，即復合靶，透鏡部分21采用碳納米管陣列，加速部分22采用類晶剛石DLC納米薄膜板；碳納米管的密度在0.01?0.lg/cm3，厚度在10?100 μ m，此時碳納米管陣列的密度為臨界密度，激光主脈沖可直接與碳納米管陣列相互作用，產生等離子體透鏡效應；類晶剛石DLC納米薄膜板的厚度在5?10nm之間。激光預脈沖不可避免；激光主脈沖12的強度在1019W/cm2?122W/cm2之間，寬度在1fs?10fs之間，對于不可避免的激光預脈沖，能量盡可能小，不會破壞靶的透鏡部分，激光脈沖的對比度要求高于101(1，且激光預脈沖的強度低于1012W/cm2，脈沖持續(xù)時間低于ps。
[0046]目前的激光加速方案中的參數(shù)為例，激光強度1018W/cm2至102°W/cm2，在傳統(tǒng)激光離子加速中出射離子束流最高能量達到I?lOMeV。而采用本發(fā)明的技術方案，利用激光預脈沖先產生臨界密度等離子體，激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用形成透鏡效應對激光主脈沖進行整形后，激光主脈沖與靶的加速部分相互作用，可提高離子束流的最高能量至20?50MeV。最優(yōu)出射離子束流的品質對應于最高等離子體能量耦合效率，而能量耦合效率決定于臨界密度等離子體的參數(shù)。因此，對于給定的激光脈沖系統(tǒng)，可以通過調整激光預脈沖的參數(shù)，控制臨界密度等離子體的溫度和密度分布等參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)化的離子束流加速。圖2是采用本發(fā)明的方法加速質子束流的質子能譜與傳統(tǒng)方法加速質子能譜的比較，其中，實線代表本發(fā)明的方法得到的質子能譜，虛線代表現(xiàn)有技術的方法得到的質子能譜。從圖2中可以看出，由于本發(fā)明通過形成等離子體透鏡效應對激光主脈沖進行整形，對質子束流的加速具有顯著的增強作用。
[0047]最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于實施例所公開的內容，本發(fā)明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
【權利要求】
1.一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)，其特征在于，所述激光離子加速系統(tǒng)包括:激光脈沖以及靶；其中，激光脈沖包括激光主脈沖和激光預脈沖，靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，激光預脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生臨界密度等離子體；激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形；整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射；祀的兩部分采用均一的金屬材料，原子數(shù)不小于13,厚度在I?10 μ m之間；激光預脈沖用人為加入的激光燒蝕脈沖，或者采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1fs?10fs之間；激光預脈沖的光強在lC^W/cm2?1014W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1ps?Ins之間。
2.一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)，其特征在于，所述激光離子加速系統(tǒng)包括:激光脈沖以及靶；其中，激光脈沖包括激光主脈沖和激光預脈沖；靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，透鏡部分的密度為臨界密度，激光主脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形；整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射；靶的兩部分采用不同的材料，透鏡部分采用碳納米管陣列，加速部分采用類晶剛石DLC納米薄膜板；碳納米管陣列的密度在0.01?0.lg/cm3,厚度在10?100 μ m ;類晶剛石DLC納米薄膜板的厚度在5?10nm之間；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，寬度在1fs?10fs之間；激光脈沖的對比度要求高于101(1，且激光預脈沖的強度低于1012W/cm2，持續(xù)時間低于ps。
3.一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，其特征在于，所述加速方法包括以下步驟: 1)激光器發(fā)出激光脈沖，包括激光主脈沖和激光預脈沖，靶沿激光脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分； 2)激光預脈沖與靶的透鏡部分相互作用，產生臨界密度等離子體； 3)激光主脈沖與臨界密度等離子體相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形，同時產生高能量密度的電子束流； 4)整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射，聚焦整形的同時產生的高品質電子束流進一步增強加速效果。
4.如權利要求3所述的加速方法，其特征在于，在步驟I)中，靶的兩部分采用均一的金屬材料，原子數(shù)不小于13，厚度在I?10 μ m之間；激光預脈沖用人為加入的激光燒蝕脈沖，或者采用激光脈沖本底就具有激光預脈沖；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1fs?10fs之間；激光預脈沖的光強在K^W/cm2?1014W/cm2之間，脈沖持續(xù)時間在1ps?Ins之間ο
5.如權利要求3所述的加速方法，其特征在于，在步驟3)中，激光主脈沖的光強與臨界密度等離子體的密度相互匹配的條件:a/n =常數(shù)，其中a是激光主脈沖的歸一化電場振幅矢量，η為臨界密度等離子體的密度。
6.一種基于等離子體透鏡的激光離子加速系統(tǒng)的加速方法，其特征在于，所述加速方法包括以下步驟: I)激光器發(fā)出激光主脈沖，激光脈沖包括激光主脈沖和不可避免的激光預脈沖，靶沿激光主脈沖的傳播方向包括透鏡部分和加速部分，透鏡部分的密度為臨界密度； 2)激光主脈沖與具有臨界密度的透鏡部分相互作用，產生等離子體透鏡效應，對激光主脈沖聚焦整形，同時產生高能量密度的電子束流； 3)整形后的激光主脈沖滿足光壓加速條件，與靶的加速部分相互作用，產生離子束流出射，聚焦整形的同時產生的高品質電子束流進一步增強加速效果。
7.如權利要求6所述的加速方法，其特征在于，在步驟I)中，靶的兩部分采用不同的材料，透鏡部分采用碳納米管陣列，加速部分采用類晶剛石DLC納米薄膜板；碳納米管陣列的密度在0.0l?0.lg/cm3,厚度在10?100 μ m ;類晶剛石DLC納米薄膜板的厚度在5?10nm之間；激光主脈沖的光強在1019W/cm2?1022W/cm2之間，寬度在1fs?10fs之間；激光脈沖的對比度要求高于101(1，且激光預脈沖的強度低于1012W/cm2，持續(xù)時間低于ps。
8.如權利要求6所述的加速方法，其特征在于，在步驟2)中，激光主脈沖的光強與臨界密度等離子體的密度相互匹配的條件:a/n =常數(shù)，其中a是激光主脈沖的歸一化電場振幅矢量，η為臨界密度等離子體的密度。
【文檔編號】H05H15/00GK104349569SQ201410596887
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年10月30日 優(yōu)先權日:2014年10月30日
【發(fā)明者】顏學慶, 林晨, 趙栓, 趙研英 申請人:北京大學