強激光驅動的高品質離子源在聚變能源、醫療、核物理和粒子物理等領域都有重要應用。近日，北京大學沈曉飛、喬賓和賀賢土院士等合作提出了一種實現激光光壓離子加速的動態致穩新方案，解決了困擾激光光壓離子加速多年的不穩定性導致加速被過早破壞的難題。
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圖1 光壓加速動態致穩方案示意圖
強激光與物質相互作用中,其電荷分離場可高達100 GV/m, 比傳統射頻加速器高3個數量級，能夠在厘米量級的距離內將帶電粒子加速到GeV能量,因此利用激光加速器取代傳統加速器引起了科學界的廣泛興趣。
在諸多激光離子加速機制中，光壓加速（Radiation Pressure Acceleration，RPA）理論上獲得的離子束具有能散小、束流密度大、能量轉化效率高等特點，是當下研究的前沿和熱點。雖然RPA理論及一維模擬結果極具吸引力，但目前實驗上還難以獲得預期的好結果。究其根源，除去實驗上激光靶參數不夠理想外，最關鍵的原因就是高維條件下不穩定性的劇烈發展。主流認為主要是類瑞利-泰勒（RT）不穩定性在起負面影響。這種不穩定性發展最終會引發同步加速等離子體片中電子的加熱和大量損失，導致等離子片發生庫侖爆炸，加速被破壞，最終獲得的離子束品質差。
如何抑制不穩定性的發生是目前RPA研究最具挑戰性的問題之一，諸多方法被提出和研究，但實際效果一直都不理想。
經過數年的深入研究，北京大學喬賓課題組，另辟蹊徑，按照完全不同的思路，考慮如何動態地彌補光壓加速中RT等不穩定性帶來的破壞作用而非僅僅抑制不穩定性發生這一想法，首次提出利用高Z涂層的電離效應在激光光壓加速過程中動態補充電子，彌補RT不穩定性帶來的加速等離子體片的電子損失，從而實現動態致穩RPA（圖1）。這一全新方案非常“皮實”，三維粒子模擬顯示在目前真實的激光和靶參數條件下，此方案可實現穩定的光壓離子加速，并且可以應用于加速高Z重離子源（圖2）。
圖2 三維粒子模擬結果。考慮電離（a）與不考慮電離（b）情況下，在激光作用結束時，Al13+離子密度等值面分布圖；（c）相應Al13+離子能譜（紅線代表考慮電離的情形，藍線表示不考慮電離的情形）。
相關研究成果于近期發表在Physical Review Letters [118, 204802 (2017)]上。PRL審稿人對該方案給出了高度評價，認為該工作為激光光壓加速研究領域做出了重要貢獻，揭示了動態電離在強激光與重離子相互作用中的重要意義。
喬賓課題組博士研究生沈曉飛為該論文第一作者，喬賓研究員為通訊作者，合作者包括周滄濤研究員、賀賢土院士等。
論文鏈接：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.204802
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