近日，《自然通讯》(Nature Communications) 在线发表了论文 “Observation of a high degree of stopping for laser-accelerated intense proton beams in dense ionized matter”, 报道了我国科研人员在高能量密度科学基础科研领域取得的重要进展--基于星光III强激光装置测量了激光加速强流质子束在稠密等离子体中的能量沉积，发现了能量沉积新机制。研究工作由西安交通大学(XJTU)、中物院激光聚变研究中心 (LFRC)、浙江大学 (ZJU)、西安工业大学、北京应用物理与计算数学研究所、中物院研究生院、中科院近代物理研究所、咸阳师范学院 、中科院物理所、 中国科学院大学研究团队完成，任洁茹副教授 (XJTU) 和邓志刚副研究员 (LFRC)为本文的共同第一作者，赵永涛教授(XJTU)、周维民研究员(LFRC) 和吴栋副教授 (ZJU) 为本文的共同通讯作者。

       强流离子束在稠密等离子体中的能量沉积和输运特性是惯性约束聚变及高能量密度科学领域的前沿课题。随着离子束流强度密度的增加，离子束在等离子体中激发的自生电磁场效应会造成离子束的能量沉积和输运行为非线性变化。随着新一代离子加速技术和数值模拟技术的发展，强流离子束与稠密等离子体相互作用的研究条件日益成熟, 孕育着重要的新概念和新发现。

       目前实验室产生强流离子束大多基于TNSA激光加速机制，但是这种方式产生的离子束常常拥有较宽的能谱分布，不利于获取高精度的能损实验数据，研究团队利用高功率ps激光结合质谱法产生了中心能量为3.36 MeV，能量宽度约0.10 MeV的准单能强流质子束。利用高功率ns激光轰击金腔产生X射线加热TCA泡沫制备稠密等离子体样品 (图1b)，这种方式产生的等离子体具有样品尺度大 (~mm）、状态均匀、维持时间长(~10 ns) 等优势，通过测量分析等离子体的自发辐射谱，得到等离子体温度约17 eV,自由电子密度约4×1020/cm3。

       实验发现激光加速的准单能质子束在稠密等离子体中的能损比通常使用的两体碰撞理论预期值高一个量级(图1c)，PIC数值模拟显示，超短超强质子束引起的回流电子可以产生高达GV/m的纵向电场，质子束始终位于减速场中 (图1d)，该阻止电场引起的欧姆能损远远超过了两体碰撞能损，成为强流离子束能损的主导因素。

       强流离子束在稠密物质中的能损和输运是惯性约束聚变快点火和中心点火以及离子束驱动高能量密度物理研究中最为关键的核心科学问题之一，该工作发现和揭示了一种极端强流条件下可能起主导作用的欧姆能损新机制，从而促使人们重新认识和思考惯性约束聚变的相关物理设计。Nature Communications审稿人指出“该实验难度大，数据分析不易，但是作者们可以清晰地辨别质子束在等离子体中的能量沉积，期待候选人的工作可以打开读者们对下一代超强激光实验的研究思路(This experiment, itself, is very difficult and its analyzation is not so easy. However, they can show some clear difference between plasma and non-plasma condition… We also expect the readers of this article will open mind to feel the next generated experiments with ultra-high power lasers. It is very important.)”、“该工作为解决等离子体中阻止过程这一挑战性难题做出了突出贡献(add a splendid contribution to the very challenging field of proton stopping in dense classical plasma)”。

图1 (a)实验装置示意图；(b) ns激光轰击金腔驱动X射线加热TCA泡沫产生稠密等离子体；(c) 实验观测到质子束的能损比常用的两体碰撞理论预期(Bethe-Bloch, Li-Petrasso, SSM) 高一个量级; (d) 强流准单能质子束在等离子体中激发纵向电场，质子束位于减速场中。

消息来源：MRE期刊