相對(duì)論強(qiáng)激光與近臨界密度等離子體相互作用的質(zhì)子成像*

李曜均 岳東寧 鄧彥卿 趙旭 魏文青 葛緒雷 遠(yuǎn)曉輝? 劉峰 陳黎明3)?

1)(上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院,激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

2)(上海交通大學(xué),IFSA 協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

3)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所,北京 100190)

1 引 言

相對(duì)論強(qiáng)度超短脈沖激光與等離子體相互作用時(shí),可以產(chǎn)生極強(qiáng)的瞬變電場(chǎng)和磁場(chǎng).電磁場(chǎng)在非常短的時(shí)間尺度上演化,涉及到激光能量吸收、等離子體不穩(wěn)定性、超熱電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)等豐富的物理過(guò)程,深入研究這些過(guò)程對(duì)激光等離子體物理學(xué)領(lǐng)域具有重要的意義.而激光能量的吸收主要發(fā)生在臨界密度面nc附近(nc≈1021lμ–2cm–3,其中l(wèi)μ為入射電磁波的波長(zhǎng),單位為μm),此時(shí)激光頻率等于電子等離子體頻率,臨界密度面的共振會(huì)產(chǎn)生大量高能電子.近三十年來(lái),不少研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)對(duì)激光與近臨界密度等離子體相互作用的機(jī)理進(jìn)行了深入的理論和數(shù)值模擬研究[1?8],發(fā)現(xiàn)相互作用中涉及許多非線性效應(yīng):有效的激光能量吸收[1]、磁自通道[2]、等離子體不穩(wěn)定性和非線性相干結(jié)構(gòu)[4?8]等.激光在較高密度等離子體通道中傳輸時(shí),會(huì)通過(guò)激光直接加速等機(jī)制產(chǎn)生高能量密度的相對(duì)論電子束[9],這些高能電子隨后可以產(chǎn)生高亮度的超短脈沖X射線源[10]和驅(qū)動(dòng)質(zhì)子、離子加速[11],在諸如腫瘤治療[12]、X射線顯微成像[13]、慣性約束聚變快點(diǎn)火[14,15]等方面具有重要的應(yīng)用前景.

然而,該參數(shù)區(qū)間在實(shí)驗(yàn)中的研究相對(duì)較少.首先,對(duì)于可見(jiàn)光及近紅外激光驅(qū)動(dòng)激光,產(chǎn)生可控和可重復(fù)的近臨界密度等離子體的技術(shù)并不成熟.已知的產(chǎn)生近臨界密度等離子體的方法包括爆轟固體薄膜靶(exploding solid foil)[16,17]、采用低密度泡沫靶(foam)[18,19]以及超高密度氣體靶[20?23].爆轟金屬薄膜靶需要額外的高能量脈沖激光,由于能量、脈寬等參數(shù)并不穩(wěn)定,等離子體密度和溫度分布難以預(yù)測(cè)和模擬.低密度泡沫和納米微結(jié)構(gòu)靶,需要專門的設(shè)備和技術(shù)進(jìn)行制備,也是難以處理和模擬的.兩種方法都具有低重復(fù)率打靶和實(shí)驗(yàn)條件難以重復(fù)的缺點(diǎn).近年來(lái),隨著制靶技術(shù)的提升,可控、可重復(fù)的高密氣體靶逐漸被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)當(dāng)中.先后有多個(gè)團(tuán)隊(duì)利用長(zhǎng)波長(zhǎng)高能激光脈沖(10.6 μm CO2激光)與氣體密度為 1019cm–3的等離子體相互作用產(chǎn)生了準(zhǔn)單能的高定向離子束[20,22].利用近紅外驅(qū)動(dòng)激光的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則不夠理想[23],得到的離子能量(約1 MeV)和理論模擬預(yù)測(cè)(百M(fèi)eV量級(jí))相差較大.對(duì)近臨界密度等離子體結(jié)構(gòu)及其時(shí)間演化的研究將有助于解答差異存在的原因.

我們利用一束超短超強(qiáng)激光脈沖與高密度氣體相互作用產(chǎn)生了近臨界密度等離子體.使用另一束超短超強(qiáng)激光加速的質(zhì)子束作為帶電粒子探針[14,24],對(duì)近臨界密度等離子體的結(jié)構(gòu)和時(shí)間空間演化進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.通過(guò)分析成像質(zhì)子束的空間結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度分布,獲得了近臨界密度等離子體內(nèi)部電場(chǎng)的特性和時(shí)空演化規(guī)律,估算得到的等離子體電場(chǎng)約為109V/m.同時(shí)使用一維粒子模擬程序得到的電場(chǎng)大小以及其隨時(shí)間的演化規(guī)律與實(shí)驗(yàn)中的結(jié)果基本符合.

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)是在上海交通大學(xué)激光等離子體實(shí)驗(yàn)室的200 TW激光裝置上開(kāi)展的.實(shí)驗(yàn)布局如圖1(a)所示.中心波長(zhǎng) 800 nm、脈沖寬度 25 fs的激光脈沖進(jìn)入真空靶室經(jīng)平面反射鏡后被分光為兩束激光.其中第一束激光由2英寸的全反射鏡從105 mm直徑的主激光中截取,能量為0.2 J,經(jīng)過(guò)延遲光路系統(tǒng)后被第一塊離軸拋物面反射鏡(OAP1f/3)聚焦于直徑為400 μm的氣體噴嘴上方400 μm處,焦斑為 12 μm(半高全寬),對(duì)應(yīng)聚焦的功率密度為 3.6×1018W/cm2.氣體為高純度氦氣(99.99%),背壓為 240 bar(1 bar=105Pa),噴口開(kāi)啟時(shí)間為5 ms.為了測(cè)量氣體密度分布,采用基于沃拉斯頓棱鏡的光學(xué)干涉系統(tǒng),氣體密度變化會(huì)引起干涉圖像中的干涉條紋彎曲,對(duì)干涉條紋進(jìn)行阿貝爾變換可以得到氣體密度的分布.圖1(b)為利用光學(xué)干涉圖像反演獲得的距離噴口不同高度處實(shí)測(cè)的氣體密度分布.在噴嘴上方400 μm處,氣體密度約為 6×1020cm–3,激光焦點(diǎn)處全電離的電子等離子體密度約為0.7nc.

圖1 (a)實(shí)驗(yàn)布局圖;(b)距離噴口不同高度時(shí)的氣體密度分布圖Fig.1.(a)Experimental setup;(b)gas density lineout profile at different heights.

剩余部分的激光(CPA2)由第二個(gè)離軸拋物面反射鏡OAP2(f/4)反射聚焦到3 μm厚的不銹鋼平面薄膜靶上,靶面上的入射角為54°.激光能量為 1.5 J,聚焦焦斑直徑 6 μm,對(duì)應(yīng)的聚焦功率密度 5.4×1019W/cm2.通過(guò)靶后鞘層加速機(jī)制產(chǎn)生的質(zhì)子束被用作帶電粒子探針,診斷氣體等離子體的結(jié)構(gòu)和時(shí)間演化[14,24–26].質(zhì)子束的發(fā)射方向與氣體中第一束激光的傳輸方向垂直,因此質(zhì)子束是橫向穿過(guò)演化的等離子體.為了實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率的打靶實(shí)驗(yàn)要求,質(zhì)子信號(hào)的探測(cè)采用了300 μm厚塑料閃爍體(型號(hào)為EJ212),攜帶等離子體中電磁場(chǎng)信息的質(zhì)子信號(hào)被閃爍體接收后轉(zhuǎn)化為光信號(hào)并被Andor相機(jī)采集記錄.為防止雜散光影響,在閃爍體前覆蓋了一層13 μm厚的鋁膜,只有能量大于0.85 MeV的質(zhì)子才能穿過(guò)鋁膜被閃爍體接收.在本文實(shí)驗(yàn)條件中,由于質(zhì)子加速條件沒(méi)有得到優(yōu)化,最大質(zhì)子能量約為2 MeV.

固體靶與氣體靶中心距離為14 mm,與探測(cè)器距離為94 mm,質(zhì)子點(diǎn)投影成像的放大倍數(shù)約為6.7.氣體等離子體的時(shí)間演化通過(guò)更改第一束激光的延遲光路,從而改變“泵浦-探測(cè)”延遲而實(shí)現(xiàn).延遲系統(tǒng)由兩塊2英寸平面反射鏡和電動(dòng)平移臺(tái)組成,通過(guò)改變第一束激光相對(duì)于第二束激光的光程,達(dá)到對(duì)激光與近臨界密度等離子體相互作用過(guò)程中不同時(shí)刻的等離子體照相的目的,延遲調(diào)整的范圍為 0—43.3 ps.其中 0 ps設(shè)置為 2 MeV 質(zhì)子到達(dá)OAP1焦點(diǎn)的時(shí)刻.

3 結(jié)果與討論

圖2(a)為前期實(shí)驗(yàn)中的光學(xué)陰影成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以看到圖像中存在不透明區(qū)域,該區(qū)域具有清晰的邊界.這是由于等離子體密度較高,探針光無(wú)法穿過(guò).該黑腔結(jié)構(gòu)能穩(wěn)定地保持?jǐn)?shù)十皮秒.由于光學(xué)探針不帶電,無(wú)法給出等離子體區(qū)域中的電磁場(chǎng)信息.為了研究等離子體區(qū)域的電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),本文實(shí)驗(yàn)使用帶電的質(zhì)子束作為探針進(jìn)行診斷.

圖2 光學(xué)探針與質(zhì)子探針結(jié)果?(激光自左向右入射)(a)光學(xué)陰影成像;(b)原始質(zhì)子束斑;(c)打靶 3.3 ps后的質(zhì)子束斑;(d)打靶43.3 ps后的質(zhì)子束斑;(e)(g)打靶高度處對(duì)應(yīng)的質(zhì)子強(qiáng)度圖(黃線)Fig.2.Raw images of optical probe and proton probe:(a)Optical probe result;proton beam spot for(b)no gas,(c)3.3 ps after interaction,(d)43.3 ps after interaction;(e)?(g)the corresponding lineout intensity profiles.

圖2(b)—(d)為典型的質(zhì)子成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果.其中圖2(b)為沒(méi)有氣體噴嘴時(shí),閃爍體探測(cè)器記錄的固體靶產(chǎn)生質(zhì)子束的空間強(qiáng)度分布.可看出束斑基本為均勻分布,束斑在探測(cè)器上的尺寸約為15 mm,根據(jù)質(zhì)子點(diǎn)投影成像的放大倍數(shù),可推算出在氣體靶區(qū)域質(zhì)子束斑尺寸約為2.2 mm,該尺寸可以覆蓋整個(gè)激光-氣體等離子體相互作用的區(qū)域(通常為毫米量級(jí)[25]).圖2(c)和圖2(d)為噴氣狀態(tài)下,激光與等離子體相互作用之后兩個(gè)不同時(shí)刻的質(zhì)子成像結(jié)果,圖中下方的梯形深色陰影區(qū)域?yàn)闅怏w噴嘴輪廓,可看出質(zhì)子強(qiáng)度分布的中心區(qū)域位于噴嘴上方.根據(jù)右側(cè)的色標(biāo)(數(shù)值越大代表質(zhì)子數(shù)越多),探針質(zhì)子的累積在兩個(gè)區(qū)域.與圖2(b)對(duì)比發(fā)現(xiàn),質(zhì)子束經(jīng)過(guò)等離子體后被分為不均勻的兩部分,且右側(cè)束斑明顯比左側(cè)束斑強(qiáng),圖2(c)和圖2(d)中兩束斑的間距也不同.為了更直觀地展示質(zhì)子束斑的分裂間距,對(duì)圖2(b)—(d)黃線處的質(zhì)子束斑強(qiáng)度進(jìn)行歸一化處理,質(zhì)子束斑的一維強(qiáng)度分布如圖2(e)—(g)所示.可以看到,經(jīng)過(guò)等離子體后的質(zhì)子束有兩個(gè)密度尖峰,尖峰的間距隨時(shí)間變化,即質(zhì)子束斑的分裂距離隨時(shí)間演化,且右側(cè)束斑的質(zhì)子峰值強(qiáng)度明顯高于左側(cè)束斑.

下面討論質(zhì)子束斑分裂的原因.不少實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究表明,當(dāng)激光與固體靶相互作用時(shí),會(huì)形成以靶面法線為軸心的環(huán)形分布磁場(chǎng)[25,27];當(dāng)激光與近臨界密度等離子體相互作用時(shí),在等離子體內(nèi)部則會(huì)形成以激光傳播軸為軸心的類似渦旋狀分布的磁場(chǎng)[8,28,29].因此,當(dāng)質(zhì)子束從不同方向經(jīng)過(guò)等離子體區(qū)域時(shí),受到磁場(chǎng)的調(diào)制作用將有巨大差異[25,30].如果利用質(zhì)子束對(duì)該區(qū)域進(jìn)行正面投影成像,即質(zhì)子束傳播方向與靶面法線方向(固體靶情況)或者激光傳播方向(氣體靶情況)平行,那么質(zhì)子束會(huì)受到磁場(chǎng)強(qiáng)烈的調(diào)制作用;但如果質(zhì)子束從側(cè)面對(duì)等離子體投影成像,即質(zhì)子束傳播方向與靶面法線方向或者激光傳播方向垂直,則不會(huì)明顯地看到磁場(chǎng)對(duì)質(zhì)子束的調(diào)制.本文實(shí)驗(yàn)布置屬于后者.由于等離子體區(qū)域中的磁場(chǎng)以激光傳播軸為中心呈環(huán)形分布,在質(zhì)子傳播方向上,等離子體前和等離子體后的磁場(chǎng)大小相同,方向相反,那么質(zhì)子經(jīng)過(guò)等離子體區(qū)域后磁場(chǎng)對(duì)其偏折的作用基本抵消.因此,質(zhì)子束主要受到等離子體區(qū)域中電場(chǎng)的調(diào)制,而不是磁場(chǎng).

質(zhì)子束被偏折的原理如圖3所示.質(zhì)子從固體靶出發(fā),以一定的發(fā)散角沿靶后法線方向(圖中x方向)傳播,在小角度近似下,質(zhì)子可以看作只有y方向的速度.當(dāng)質(zhì)子經(jīng)過(guò)等離子體區(qū)域時(shí),受到電場(chǎng)力作用得到x方向與x反方向的加速度,其運(yùn)動(dòng)方程可以表示為這里E是等離子體中的電場(chǎng)強(qiáng)度,e是電子電荷量,mp是質(zhì)子的質(zhì)量.利用可得和vy分別表示質(zhì)子在x和y方向上的速度.如果等離子體區(qū)域尺寸大小為l,那么質(zhì)子經(jīng)過(guò)等離子體區(qū)域后在x方向上得到的運(yùn)動(dòng)速度為這里假設(shè)質(zhì)子只受到縱向的電場(chǎng)作用,且電場(chǎng)大小恒定.受到電場(chǎng)力作用的質(zhì)子將偏離原來(lái)的運(yùn)動(dòng)軌跡最后到達(dá)探測(cè)器.由于等離子體內(nèi)部電場(chǎng)不均勻,進(jìn)入x方向電場(chǎng)范圍的質(zhì)子數(shù)多于進(jìn)入x反向電場(chǎng)范圍的,因此被偏折到x方向上的質(zhì)子束更多,造成探測(cè)器上質(zhì)子束斑分裂成不均勻的兩部分.質(zhì)子在探測(cè)器上的偏折程度可以用估算,其中L是激光與等離子體相互作用區(qū)域到探測(cè)器的距離.對(duì)于能量為Ep的質(zhì)子,vy是確定的.這樣便可得到等離子體內(nèi)部電場(chǎng)大小的推算公式其中Ep=2 MeV,l=1 mm,L=80 mm,將不同延遲條件下的質(zhì)子束斑分裂距離代入公式,得到的等離子體內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間的變化如圖4所示,其中黑色點(diǎn)為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)值,利用Origin軟件的B-spline曲線對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合,得到了更直觀的電場(chǎng)強(qiáng)度變化趨勢(shì).可以看到,最大電場(chǎng)接近1010V/m,隨時(shí)間先迅速增強(qiáng)后緩慢減弱,在 0—8.3×109V/m 之間變化.

圖3 質(zhì)子束被等離子體電磁場(chǎng)偏折示意圖Fig.3.Schematic of proton beam deflected by plasma electromagnetic field.

圖4 等離子體內(nèi)部電場(chǎng)大小隨時(shí)間的變化Fig.4.Internal electric field size of the plasma changes with time.

對(duì)于質(zhì)子束斑分裂成不均勻的兩部分的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,可以在物理上作如下解釋:當(dāng)相對(duì)論強(qiáng)度激光入射到高密度氦氣中,氣體被迅速電離.激光有質(zhì)動(dòng)力的縱向和橫向分量將相互作用區(qū)域的等離子體中的電子排開(kāi),離子由于質(zhì)量較大維持不動(dòng),從而形成較強(qiáng)的空間電荷分離場(chǎng).作為探針的質(zhì)子束經(jīng)過(guò)相互作用區(qū)域時(shí),將受到這個(gè)電荷分離場(chǎng)的作用,被帶正電的離子排開(kāi),分裂成兩部分.由于激光傳輸方向的有質(zhì)動(dòng)力占優(yōu),推動(dòng)電子大量堆積在前端,導(dǎo)致局域的等離子體呈現(xiàn)出電中性失衡,前向的電場(chǎng)強(qiáng)度具有更大幅度.電場(chǎng)分布示意圖如圖5,激光傳輸方向電場(chǎng)強(qiáng)于激光背向的,而且進(jìn)入激光傳輸方向電場(chǎng)范圍(–30—100 μm)的質(zhì)子數(shù)多于進(jìn)入反向電場(chǎng)范圍(–100—–30 μm)的質(zhì)子數(shù),因此被偏折到激光傳輸正方向的質(zhì)子要比反向的質(zhì)子數(shù)目更多,從而造成探測(cè)器上的質(zhì)子密度分布不對(duì)稱,如圖2(c)和圖2(d)所示.

圖5 等離子體內(nèi)部電場(chǎng)分布模型Fig.5.Model of plasma internal electric field distribution.

圖6 不同密度等離子體中不同時(shí)刻的時(shí)間平均的縱向電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)分布(a)?(c)最高密度為 0.8×1021 cm–3;(d)?(f)最高密度為 1.2×1021 cm–3;(g)?(i)最高密度為 1.2×1021 cm–3Fig.6.Averaged longitudinal electric field and potential distributions with times of plasma with different density:(a)?(c)The highest plasma density is 0.8×1021 cm–3;(d)?(f)the highest plasma density is 1.0×1021 cm–3;(g)?(i)the highest plasma density is 1.2×1021 cm–3.

而質(zhì)子束斑分裂距離先增大后減小的現(xiàn)象反映了等離子體中電場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間是先增大后減小的.在初始階段,激光有質(zhì)動(dòng)力將電子排開(kāi),而離子由于質(zhì)量較大來(lái)不及響應(yīng)仍處于相對(duì)靜止的狀態(tài),電荷分離導(dǎo)致等離子體中的電場(chǎng)強(qiáng)度迅速增強(qiáng),因此質(zhì)子束兩部分分裂的距離迅速擴(kuò)大;當(dāng)激光作用結(jié)束之后,離子間的庫(kù)侖斥力會(huì)導(dǎo)致離子逐漸膨脹,但由于離子獲得的能量很小(百keV),膨脹和運(yùn)動(dòng)速度都較低,而電子吸收了激光場(chǎng)的能量得以繼續(xù)運(yùn)動(dòng),除了少部分超熱電子以相對(duì)論速度逃逸到真空外,大部分能量為數(shù)MeV的熱電子會(huì)堆積在等離子體前部[31],在這個(gè)過(guò)程中空間電荷分離場(chǎng)將維持較長(zhǎng)時(shí)間;在等離子體演化約數(shù)十皮秒后,膨脹開(kāi)的離子逐漸與回流的電子復(fù)合,電荷分離減弱直至最終消失,等離子體中電場(chǎng)對(duì)質(zhì)子束的排開(kāi)作用也隨之減弱,因此質(zhì)子束分裂的距離也相應(yīng)地減小.

為了驗(yàn)證等離子體內(nèi)部存在與圖5分布相近的電場(chǎng)結(jié)構(gòu),使用粒子模擬程序Osiris[32]對(duì)激光與近臨界等離子體相互作用過(guò)程進(jìn)行模擬分析.本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果是激光與近臨界密度氣體相互作用長(zhǎng)時(shí)間(數(shù)十皮秒,幾百倍激光周期)演化的結(jié)果.這與近臨界氣體分布空間較大(2000 μm)密切相關(guān).二維模擬受到計(jì)算資源的限制和數(shù)值發(fā)散的影響,無(wú)法有效分析這種大空間、長(zhǎng)時(shí)間的激光等離子體演化過(guò)程.一維模擬可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光傳輸縱向全空間、長(zhǎng)時(shí)間的演化分析,因此激光傳輸方向作為主要模擬分析的維度,并對(duì)三種不同密度等離子體進(jìn)行一維模擬,來(lái)近似替代二維模擬中不同距離噴嘴、不同高度的電場(chǎng)分布.模擬中,激光沿x軸正向傳播,波長(zhǎng)為 800 nm,脈寬為 25 fs.激光為 s偏振.模擬空間為–20 μm ≤x≤ 2000 μm,網(wǎng)格總數(shù)為60600,每個(gè)網(wǎng)格內(nèi)的宏粒子數(shù)為50個(gè)電子和25個(gè)He2+離子.等離子體密度分布為高斯分布,中心處(x=1000 μm)的最高密度分別為 0.8×1021,1.0×1021和 1.2×1021cm–3.為了排除數(shù)值計(jì)算的邊界效應(yīng)以及更好地展示模擬結(jié)果,僅給出 200 μm ≤x≤ 600 μm 范圍內(nèi)分別為對(duì) 2,4和10 ps時(shí)間的平均縱向電場(chǎng)和電勢(shì)分布,模擬結(jié)果如圖6所示.相互作用2 ps后(圖6(a)、圖6(d)、圖6(g)),激光到達(dá)密度上升沿區(qū)域.隨著密度繼續(xù)增大,激光群速度逐漸降低.電子能夠持續(xù)地從激光場(chǎng)中獲得前向動(dòng)量并隨之一起向前推進(jìn).而離子響應(yīng)較慢,電荷分離場(chǎng)效應(yīng)初步顯現(xiàn).在 4 ps時(shí)(圖6(b)、圖6(c)、圖6(h)),一部分從激光場(chǎng)中獲得較大能量的熱電子已經(jīng)隨激光離開(kāi),導(dǎo)致這一局域的等離子體整體呈現(xiàn)出微弱的電中性失衡,電勢(shì)差整體為正,密度最高處時(shí)間平均的縱向電場(chǎng)約為 5×108V/m.待激光傳輸至中心高密度區(qū)(圖6(c)、圖6(f)、圖6(i)),會(huì)激發(fā)更強(qiáng)的平均電場(chǎng).而不同密度等離子體中的電場(chǎng)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本一致,在密度較高的等離子體中激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度和電勢(shì)比低密度等離子體的更大.由于離子運(yùn)動(dòng)較慢,這種電中性失衡可以維持?jǐn)?shù)十皮秒的時(shí)間,這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象所示的時(shí)間尺度接近.

4 總 結(jié)

本文利用強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的質(zhì)子束作為探針,實(shí)驗(yàn)研究了另一束相對(duì)論超強(qiáng)超短脈沖激光與近臨界密度等離子體相互作用的等離子體時(shí)空演化.發(fā)現(xiàn)質(zhì)子束被分裂為不均勻的兩部分,分裂距離先迅速增大后緩慢減小.質(zhì)子束分裂的原因是激光與近臨界密度等離子體相互作用時(shí)局部等離子體中產(chǎn)生了電荷分離場(chǎng).由于其內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)間演化,分裂距離隨之發(fā)生變化.一維粒子模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合.我們計(jì)劃在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)中利用能量更高的質(zhì)子束對(duì)激光與近臨界密度等離子體相互作用的過(guò)程進(jìn)行診斷,進(jìn)一步研究近臨界密度等離子體內(nèi)部更精細(xì)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)結(jié)構(gòu),對(duì)激光尾場(chǎng)加速、離子加速、慣性約束聚變快點(diǎn)火等研究提供參考.