PHELIX激光装置新进展：最高质子加速能量93 MeV（HPL, 2020, e24）

High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期论文：

J. Hornung, Y. Zobus, P. Boller, et al. Enhancement of the laser-driven proton source at PHELIX[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(2): 02000e24

       在过去的二十多年里，研究者开展了大量关于激光驱动的质子加速研究。相比于传统加速器，激光驱动离子束的发散度和脉冲宽度要小数个量级，使得其在质子照相、癌症治疗和中子产生等方面有着广阔的应用前景。

       随着研究的不断深入，研究人员不断提出和验证了不同的加速机制，例如：靶后鞘场加速（TNSA）、光压加速（RPA）、冲击波加速（CSA）等。但即便是目前最稳定的TNSA机制，不同实验室的实验结果也有较大差异，一种解释是源自激光器参数的差异和到靶激光光强空间分布、时域分布等的不确定性。这些参数对激光加速的结果有着或有利、或不利的影响，比如：更薄的靶对于给定的激光来说有更好的加速结果；然而，为了可以使用超薄靶，提高激光对比度却降低了激光的吸收效率，可能不利于TNSA机制主导下的加速。

       近期发表在High Power Laser Science and Engineering的文章介绍了德国GSI实验室在激光驱动质子加速方面的研究进展。他们希望探索出一个稳定、高效（提高能量和离子数目）的离子加速方案，同时减少打靶过程中的靶体碎片、污染物对重要光学元件的损坏。

       研究者在PHELIX激光装置上对比了不同材质（玻璃和铜）的离轴抛物面镜（OAP）对激光加速的影响；发型在45°入射情况下，将激光由s偏振改为p偏振可以提高激光的吸收效率，获得了与0°入射、s偏振下可比拟的质子能量和离子数目，同时能够减少对最后一个光学元件的损坏。

       研究者将铜制OAP更换为高质量玻璃OAP，使得焦斑周围晕斑明显减少（图1所示），5 μm内能量集中度从35%提高到62%，10 μm内能量集中度从74%提高到85%，峰值光强提高了2.8倍，达到8×1020 W/cm2，并获得了PHILIX目前最高的质子能量93 MeV（图1所示）。通过研究质子最高能量与激光光强、激光功率定标率的关系，研究人员发现，在TNSA机制下，质子的最高能量与激光功率有更强的依赖关系。

图 1 （从上到下）使用不同材质OAP的聚焦情况；RCF探测器中最后五片EBT的信号；由汤姆森谱仪得到的质子能谱

为了减少靶体碎片对光学元件的损伤、降低损耗成本，研究者选择了增大激光入射角（45°）的方案，但这会降低质子的能量，因此需要提高激光的吸收效率来补偿。一种方法是通过降低激光对比度来增加预等离子体尺度，研究人员使用纳秒对比度为10-6的激光和10 μm的金靶（防止激光穿透靶体），发现质子能量降低15%，表明吸收效率的提高不及靶厚增加带来的能量降低；另一种方法是将激光由s偏振改为p偏振以触发更多的吸收机制，保持入射角不变，旋转靶体，这样不用添加波片便可以不损失激光能量，结果显示质子能量有60%的提高，离子数目有57%的提高，最有可能是真空加热占主导提高了激光的吸收效率。

图2 小角度（5°）s偏振激光和大角度（45°）p偏振激光与激光功率的关系

GSI的这一研究结果有助于更好地保护最后一个光学元件，减少打靶碎片、污染物对其的破坏，同时保证足够高的质子能量和数目满足众多应用需求。