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利用低对比度飞秒激光与金属-石墨烯靶材实现靶背鞘层加速机制下的质子与碳离子加速

DOI：10.1002/ctpp.201900076 期刊：Contributions to Plasma Physics 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 采用强度约为10^18 W/cm2、对比度为10^-5的飞秒脉冲激光辐照薄箔，研究靶背鞘层加速（TNSA）机制。使用由金属片构成的1/11微米厚度箔材（其单面或双面沉积有10纳米厚的还原氧化石墨烯薄膜）开展前向离子加速实验，通过飞行时间法配置的碳化硅半导体探测器检测前向加速离子。低对比度条件下产生的强长预脉冲会形成预等离子体破坏箔材，导致后续主激光脉冲与膨胀等离子体而非过密固态表面相互作用，因而无法将质子加速至1 MeV以上。实验结果表明，在最佳加速条件下可获得约700 keV的质子最大能量及4.2 MeV以上的碳离子更高能量。离子能量与电荷态测量证实：通过质子能量可测算各电荷态的加速情况，验证了库仑-玻尔兹曼位移理论模型。但由于质量与低速特性，重离子无法被驱动轻离子加速的快速强电场作用。如后文所述，通过优化激光焦点定位及箔材厚度、成分与结构可实现离子加速效果提升。
作者： Lorenzo Torrisi，Mariapompea Cutroneo，Alfio Torrisi
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

利用低对比度飞秒激光和金属-石墨烯靶材研究靶背鞘层加速(TNSA)机制下质子和碳离子的加速过程。

研究成果

实验结果表明，在最佳加速条件下，可获得约700 keV的质子最大能量以及4.2 MeV以上的碳离子更高能量。通过调节激光焦点定位、箔片厚度、成分及结构，可优化离子加速效果。

研究不足

使用产生低对比度的强烈长预脉冲无法将质子加速至1 MeV以上，因为这会生成破坏箔片的预等离子体，导致后续主激光脉冲与膨胀的等离子体相互作用，而非与过密固体表面作用。重离子因质量大且速度低，无法承受驱动轻离子加速所需的快速强电场，因而也无法被加速。

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