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高强度激光辐照下固体薄膜中多电荷金离子的电离与加速
摘要： 本文研究了高强度短脉冲激光（强度范围I=10^20-22 W/cm2）辐照薄金膜时的电离机制及伴随的多电荷金离子加速过程。通过采用包含原子与碰撞弛豫过程的扩展粒子模拟程序进行一维数值模拟表明：空腔烧蚀辐射压力加速（RPA）和靶背面鞘层加速（TNSA）两种机制共同产生了动能约10 MeV/u的高电荷离子。这两种加速过程中，由不同机制激发的纵向静电场主导了原子向高电荷态的电离，并将其从受激光辐照的正面相反的背面区域加速至真空区。其中场致电离过程主要使高能离子达到高电荷态，而大量能量<1 MeV/u的离子则通过电子碰撞电离过程产生。在TNSA中，虽然RPA在正面产生的离子具有最高电荷态，但背面产生的多电荷离子最终获得最大能量；然而水蒸气等污染物的存在会抑制TNSA的离子能量——因其鞘层场会优先加速质子和氧离子，导致金离子加速滞后。我们推导的理论标度律通过关联背面附近纵向静电场分布与经典隧道场致电离模型，描述了有无污染物情况下各电荷态离子的最大能量。
关键词： 加速度、多电荷金离子、RPA（相对论等离子体近似）、TNSA（靶后鞘层加速）、高强度激光、电离、固体薄膜
更新于2025-09-23 15:19:57
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激光多通道靶相互作用中靶面法向鞘层加速的增强
摘要： 研究了>100飞秒相对论激光脉冲辐照由一排平行长导线和平面背箔组成的多通道靶材时产生的离子靶面法向鞘层加速（TNSA）现象。二维粒子模拟显示：激光从导线中拉出大量致密的热阿秒电子束团，这些电子束团受到激光相对论性有质动力力与导线间真空通道激发的横向磁模式纵向电场的协同前向加速作用。这些电子具有显著的双温能谱特征，高能电子温度接近有质动力势能的两倍。当电子穿透背箔后，会在其后表面诱导产生比无通道情况更强且前沿延伸更远的鞘层电场，从而使TNSA离子获得更高最大能量和激光-离子能量转换效率。研究发现：当激光强度为1.37×10^20 W/cm2、脉宽165飞秒、能量25.6焦耳时，可产生85 MeV质子和31 MeV/u碳离子，激光-离子能量转换效率达30%。研究还分析了通道尺寸和激光偏振对TNSA离子的影响。
关键词： 激光等离子体相互作用、离子加速、靶背鞘层加速、粒子模拟、TNSA、激光到离子的能量转换效率
更新于2025-09-12 10:27:22
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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
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。
关键词： TNSA、激光产生的等离子体、碳化硅探测器、等离子体中的离子加速
更新于2025-09-11 14:15:04