強(qiáng)激光離子源具有比傳統(tǒng)射頻源高三個(gè)數(shù)量級(jí)以上的加速電場(chǎng)，有望實(shí)現(xiàn)加速器的小型化、商業(yè)化，在聚變能源、醫(yī)療健康、核物理和粒子物理等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用前景。目前，實(shí)驗(yàn)上獲得的質(zhì)子能量最高接近100 MeV，但其能譜呈現(xiàn)指數(shù)下降的寬譜特征嚴(yán)重限制了在癌癥治療等方面的應(yīng)用。事實(shí)上，在目前已知的諸多激光離子加速機(jī)制中，由于受到激光器條件和不穩(wěn)定性的影響，如何獲得達(dá)到醫(yī)療臨床要求的能散在1%量級(jí)的準(zhǔn)單能離子束長(zhǎng)期懸而未決。
最近，北京大學(xué)物理學(xué)院重離子物理研究所、核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室喬賓教授課題組與德國(guó)杜塞爾多夫大學(xué)理論物理研究所Alexander Pukhov教授課題組合作，提出通過拍瓦飛秒強(qiáng)激光輻照微膠帶靶獲得高品質(zhì)離子束的新方案(如圖)。聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)對(duì)微膠帶靶進(jìn)行精密設(shè)計(jì)，使其表面在激光輻照時(shí)激發(fā)出強(qiáng)表面等離子體波，進(jìn)而加速電子共振，獲得具有超大電荷量、超小發(fā)散角的高能電子束;當(dāng)電子束注入真空時(shí)，由于電子電荷量遠(yuǎn)大于離子電荷量，自發(fā)形成穩(wěn)定的箍縮電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)在高效加速質(zhì)子的同時(shí)不斷壓縮質(zhì)子的相空間，最終獲得單能性極好的高品質(zhì)離子束。三維粒子模擬結(jié)果顯示，利用現(xiàn)有拍瓦飛秒強(qiáng)激光，可以獲得峰值能量高于100 MeV、能散為1%的高品質(zhì)離子(質(zhì)子)束。
2021年10月4日，相關(guān)研究成果以“飛秒激光與微膠帶靶相互作用產(chǎn)生準(zhǔn)單能離子束”(Monoenergetic high-energy ion source via femtosecond laser interacting with a microtape)為題，在線發(fā)表于《物理評(píng)論X》(Physical Review X);北京大學(xué)核物理與核技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2019屆博士畢業(yè)生、杜塞爾多夫大學(xué)理論物理研究所博士后沈曉飛為論文第一作者，喬賓與Alexander Pukhov為共同通訊作者。
上述工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持，為激光離子加速機(jī)制提供了一條全新的途徑，有望解決離子能散大這一長(zhǎng)期存在的難題，為激光驅(qū)動(dòng)的質(zhì)子治療腫瘤等應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
論文鏈接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.11.041002
