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ELI-NP装置上10拍瓦激光脉冲驱动碳离子加速的模拟研究

DOI：10.1017/S0263034619000648 期刊：Laser and Particle Beams 出版年份：2019 更新时间：2025-09-11 14:15:04
摘要： 我们展示了采用10拍瓦（PW）激光脉冲加速碳离子的二维粒子模拟（PIC）结果，研究了圆偏振（CP）和线偏振（LP）脉冲的情况。通过对固体碳靶进行厚度扫描，探究了在激光辐照强度为5×1022 W/cm?2的10 PW激光条件下碳离子加速机制的理想靶厚。研究了碳离子与电子的能量谱及其温度分布，并针对碳离子分析了其角发散特性。结果表明：碳离子加速的理想靶厚为120纳米，圆偏振与线偏振脉冲下碳离子的能量截止值分别为5 GeV和3 GeV，对应碳离子温度约为1 GeV和0.75 GeV；而电子能量截止值在线偏振和圆偏振激光脉冲下分别约为500 MeV和400 MeV。我们发现，在最优靶厚条件下，突破后燃烧机制很可能是导致碳离子获得如此高能量的加速原因。
作者： D. Sangwan，O. Culfa，C.P. Ridgers，S. Aogaki，D. Stutman，B. Diaconescu
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

在ELI-NP设施中研究10拍瓦激光脉冲对碳离子的加速效应，重点分析激光偏振态与靶材厚度对粒子加速过程及角向发散度的影响。

研究成果

研究表明，采用10拍瓦级圆偏振脉冲激光器可将碳离子加速至高达5 GeV的能量，其最佳靶材厚度为120纳米。研究确认突破后燃烧（BOA）机制是实现该最佳靶厚条件下高能离子加速的主要原因。该研究凸显了激光驱动离子加速技术在碳离子放射治疗等应用领域的潜力。

研究不足

该研究仅限于二维模拟，可能无法完全捕捉激光-等离子体相互作用中涉及的所有三维物理过程。此外，模拟未包含量子电动力学（QED）效应，而在所研究的辐射强度下，这些效应可能具有重要意义。

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