中文摘要：

正电子探针在材料微观尺度的缺陷检测中有独特的优势，在实验室产生高产额、短脉冲正电子束对大尺度样品微观缺陷检测和实验室研究反物质特性，以及天体物理中的伽马射线爆等极端物理现象有重要意义。随着超短超强激光功率密度的不断提高，激光与物质相互作用产生高产额、短脉冲正电子源成为可能，这种正电子产生新方法由于其巨大的应用前景和其中的新物理，成为当前激光物理与加速器物理的交叉学科前沿，但是相关研究尤其是实验研究开展还比较少，其中涉及的许多物理问题还需要深入研究，比如靶表面的鞘电场对正电子的准直和加速，如何优化和控制激光参数和靶参数，得到的正电子束的特性等。本课题拟采用理论和实验结合的方法，开展PW级超短超强激光与靶相互作用的正电子源特性研究，探索提高正电子束产额、能量及准直性的技术途径。

结论摘要：

激光正电子源作为一种新型的正电子源，其产生的正电子具有能量高（～MeV）、脉宽短（～fs或ps）、密度高（～1015cm-3）等特点，在实验室天体物理及高能物理领域具有广阔的应用前景。针对课题任务书研究内容和研究目标，课题组对超强激光与靶相互作用正电子束产生开展了理论和实验研究，获得了多项成果。在理论方面建立了Monte Carlo方法和particle-in-cell方法相结合的数值模拟方法，对相对论强激光与靶相互作用的正电子产生进行了细致研究。针对目前激光正电子产生的两种主要技术途径（我们称为“直接方式”和“间接方式”）分别开展了数值模拟研究。针对“直接方式”，也就是激光直接与高Z固体靶相互作用，研究了靶参数、超热电子参数等一系列参数对正电子产生的影响，分析了其中影响正电子特性的关键物理过程，如固体靶背鞘场加速等，获得了在激光功率密度与靶厚度、靶材料等参数的优化设计（Physics of Plasmas, 2012, 19(2): 023114），这种方式适合高能皮秒强激光产生正电子，我们在该方面的设计和理论分析被包括LLNL实验室的最新正电子实验所引用。所谓“间接方式”，也就是飞秒激光先通过与气体靶相互作用形成尾波场，然后获得百MeV级的高能电子，然后高能电子再与高Z转换靶相互作用产生正电子，这种方式特别适合飞秒相对论强激光产生正电子。通过Monte Carlo方法结合PIC方法，细致研究了气体靶密度、尾场加速电子能量及能谱对正电子产额、能谱的影响（Physics of Plasmas, 2013, 20(10): 103106），并首次比较了“直接方式”和“间接方式”的特点（Physics of Plasmas, 2013, 20(10): 103114）。在实验方面，研制了用于正电子探测的正负电子能谱仪，并在电子直线加速器上进行了测试，验证了该谱仪用于正电子能谱测量的可行性，获得了能量定标关系。根据前期细致理论设计，本课题组在国内率先利用皮秒强激光装置开展了正电子产生实验，采用所研制的正负电子谱仪测量到高信噪比正电子信号，正电子产额达到了109/shot，同时对可能增强正电子产生的多种方式进行了实验研究，通过改变靶直径，验证了靶背鞘场对正电子的加速效应。圆满完成了任务书研究内容和标的。