近日，beat365官方网站、核物理與核技術國家重點實驗室馬文君研究員、顔學慶教授與韓國基礎科學研究院 Il Woo Choi研究員、Chang Hee Nam教授等合作，在強激光驅動的超重離子加速及診斷研究中取得重要進展。
激光離子加速器的加速場強比傳統加速器高三個量級以上，具有源尺寸小、脈寬短、束流密度高等優勢，在腫瘤放療、核物理、天體物理和溫稠密物質的産生等方面具有重要的應用前景。目前，實驗上已獲得最高能量接近100 MeV的質子束和約80 MeV/u的碳離子束；相比之下，超重離子（質量數～200）的最高能量隻停留在MeV/u量級，這是由于一方面，靶表面沾污層或靶内的質子和低Z離子會對重離子加速産生屏蔽效應；另一方面，超重離子極難被電離至高價态，難以被有效加速。作為激光離子加速最後的難題，超重離子加速理論與實驗研究亟待突破。
(a) 最高能量為1.2 GeV的TPS實驗結果；(b) 超重離子（Au）的電荷态分布：綠色為實驗結果，紅色為PIC模拟結果
聯合研究團隊前期解決了碳納米管泡沫不能在納米高分子膜、金屬膜等材料表面沉積的難題，制備出多種類型的複合納米靶材，為開展超重離子的加速實驗提供了先進靶材支持。在此基礎上，使用緊聚焦的離軸抛物面鏡将拍瓦級超短脈沖激光（22 fs）聚焦至半高全寬為1.6 μm的焦斑上，産生>1022W/cm2的超高峰值光強并作用于納米靶前表面，通過激光加熱靶後表面降低質子、碳和氧對超重離子加速的抑制作用，成功獲得最高電荷态為61+、最高能量達1.2 GeV的金離子束，将原飛秒激光金離子加速能量紀錄提高了6倍。他們提出并采用基于湯姆森離子譜儀的自校準探測方法，在無需标定實驗的情況下，不僅可以獲得準确的絕對能譜，還可以測量金離子的電荷态分布。粒子網格法模拟結果表明，不同橫向位置的金離子所經曆的電離動力學過程（起始電離時間、電離速率、最高電荷态等）存在較大差異，導緻其在加速過程（相位匹配和加速效率）中的能量差異。理解超重離子的電離動力學細節，對于進一步提高離子束能量、提升束流品質有重要的意義。
強激光與等離子體相互作用中的瞬态強場（激光場、鞘層加速場等）測量長期以來一直是巨大的挑戰。該研究工作表明，利用實驗測得的金離子電荷态分布，通過單、雙層靶實驗結果對比，可以診斷靶後鞘層場的峰值強度；結合不同光強下的PIC模拟結果，可以診斷激光的峰值光強。在後續研究中，該方法有望擴展至在時間、空間兩個維度診斷瞬态強場的信息。
相關研究成果以“超短超強激光驅動的超重離子加速”（Super-heavy ions acceleration driven by ultrashort laser pulses at ultrahigh intensity）為題，2021年6月3日在線發表于《物理評論X》（Physical Review X, 11, 021049 (2021)）；beat3652016級博士研究生王鵬傑為第一作者（導師馬文君），Il Woo Choi、顔學慶、Chang Hee Nam和馬文君為共同通訊作者。這是該期刊所發表的第一項激光離子加速領域的研究工作。
上述工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃、北京高等學校卓越青年科學家計劃，及北京市發展與改革委員會、北京市懷柔科學城、廣東省新興激光等離子體技術研究院等支持。
論文鍊接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.021049
