“羲和”这个激光装置最近可不得了，专门去研究中等对比度的PW飞秒激光是怎么加速高能质子束的。其实这事儿吧，就是想看看怎么利用强激光来驱动离子加速，弄出那种既小巧又超快、电流还很大的离子源，以后用来做肿瘤放疗、拍个质子照、搞搞同位素生产或者搞快点火聚变，那前景都挺广阔的。不过话说回来，虽然咱们现在有了这种技术，可拿到手的离子束品质离真正的应用还差点意思。 大家最熟悉的那种叫靶后法线鞘层加速机制（TNSA），也就是Target Normal Sheath Acceleration。这玩意儿里头的门道在于，强激光先在靶子前头加热出一大堆超热电子，这些电子跑到后面就把那个几百伏每米的鞘层场给堆起来了，再靠这静电场把后面的离子电离并加速起来。跟别的光压加速比起来，TNSA最大的好处就是实验条件没那么苛刻，做出来的离子源参数也比较稳定。再加上现在全球都建了好些数拍瓦飞秒激光装置，像羲和还有ELI，咱们用这些大家伙来搞TNSA，很有希望把实际需要的离子束给造出来。 前两天研究团队就在“羲和”上做了一个系统的实验，就是要弄清楚激光预脉冲到底对TNSA有啥影响。你想啊，对于这种超短超强的装置来说，主脉冲还没到靶子上的皮秒或者纳秒时间里，肯定会碰到那种不可避免的预脉冲先跟靶互动了一下。这预脉冲一来二去的，先把靶子给预加热了、电离了甚至还扩散开了，这对后面的主激光跟靶互动那肯定是个干扰。 研究人员拿了三种不同对比度的PW激光去打那种几微米厚的铜平面靶。结果发现啊，在TNSA机制下中等对比度的激光反而能打出能量更高的质子束来。这一成果可是在2025年第6期的《物理评论快报》上发表的呢。 咱们看看实验的具体布置：打上去的激光功率是2PW，脉宽是30飞秒，光强1.2×1021W/cm2，还跟靶子成15度角呢。靶子后头沿着法线方向放了一堆辐射变色膜（Radiochromic Film, RCF）还有汤姆逊谱仪，专门用来测质子束是怎么分布的以及能量是多少。 这三种对比度里，低对比度的在纳秒和皮秒范围都有挺强的预脉冲；中等对比度的就皮秒范围有一点小信号；高对比度的是用等离子体镜提上去的。 看那图（b）和（c）的结果就知道了：低、中、高三挡激光条件下想把质子加速到最佳状态所需要的靶厚是不一样的，分别是2微米、4微米和15微米。比起低和高的情况来，中等对比度的把截止能量推到了最高——58.9MeV。 流体模拟还有粒子网格（Particle-in-Cell, PIC）模拟也说了（看图（d）和（e））：靶前的预等离子体能帮着电子加速从而提升质子效果；靶后的预等离子体会弱化鞘层场反而坏事。 对于中等对比度的激光来说啊，前面那个预等离子体的标长够长就能好好提升电子加速；后面那个标长短一点就能少衰减点鞘层场的威力。这时候你再结合起来看就是最好的加速效果了。 最后总结一下这次工作吧：咱们把TNSA里的预等离子体效应给拓展到了更大的参数空间里——数拍瓦级别、光强达到1021W/cm2——这对往后用TNSA来做质子源太重要了。 以后羲和肯定还得再优化优化焦点、提一提功率才能达到更高的光强。到时候说不定真能实现100MeV的高能质子束了呢。