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超短超强激光加速质子束的聚焦实验

2015-03-23 09:23
月城清浅
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  强激光与物质相互作用产生高能质子束是当前研究的热点,而产生高强度、良好聚焦的质子束更将有可能在高能量高密度学科开启新的研究方向,并将应用于放疗、肿瘤学、天体物理学、医学成像和质子束快点火等诸多学科。例如,通过将MeV量级的强质子束入射到固态物质表面,可以产生T帕斯卡量级的高压,从而研究木星星核中热稠物质的特性。惯性约束聚变的快点火(FI)方案是利用强激光产生高能带电粒子来点燃高度压缩的氘-氚(DT)燃料,相比于发散的电子束而言,高能质子束可以更好的聚焦在点火点上,并且直接将能量传递给燃料。

  应用上对FI方案中的质子束有很高的要求,不仅需要它能够聚焦在20~40微米的精度上,同时还需要拍瓦激光产生高能质子束的能量转换效率达到15%以上。现有的研究已经接近该转换效率,而通过将激光照射在半球形的铝箔上面,质子束的曲面箔聚焦实验也获得了验证。在平面箔的实验中,研究人员发现额外的电磁场有助于改进质子束的聚焦特性。在之前的质子束FI方案验证性实验中,质子束源是由部分球表面箔层和一个空心锥体组成,该结构被放置在黑体辐射腔体的一侧,从而屏蔽掉氘-氚(DT)燃料在压缩过程中产生的强软X射线。在本文中,我们使用了类似的FI结构,但是去除了辐射腔体,使锥体具备聚焦质子束和屏蔽射线的双重作用。球表面箔层的热电子所产生的径向电场、质子束与锥体的相互作用都对质子束的聚焦特性有非常大的影响,而这是在平面箔靶结构中未曾观察到的现象。

  实验使用了Los Alamos 国家实验室的TRIDENR亚皮秒激光器,激光功率为200TW。如图1所示,FI结构由高密碳膜制成的部分球表面箔层和60°锥体或圆柱体结构组成,在箔层表面上的碳氢层作为质子束的发射源。同时,实验还对部分球表面箔层和半球面箔层的结果进行了对比。发射出的质子束将首先通过一层铜网格,而后由一系列成像板(RCF)记录下其网格模式,每一块RCF都只能记录一定能量范围内的质子束。利用这些数据,结合3D轨迹追踪技术,可以反推出质子束的最小横向直径D(即焦斑直径)和聚焦位置。实验发现如图2所示,焦斑直径随着质子束能量的提高而减小,同时,部分球表面箔层的结果也显著优于半球面箔层的。就焦点位置而言,锥体结构是其他结构对应位置的2~3倍远(300微米)。

图1 实验设置和目标靶。锥靶由10微米厚的球壳层和铝锥体组成,

铜网格和成像板分别放置在距离球面顶点1.5毫米和4厘米处

  本文利用PIC程序LSP对所产生的质子束运动过程进行了模拟,发现大部分测试质子一开始都是沿着垂直靶面的方向加速,而后开始做偏离轴向的运动。这与“垂直靶面鞘层加速”模型相一致,该模型认为强激光与物资相互作用产生的大量热电子会形成垂直于靶面的加速鞘层。模拟得出的焦斑直径与实验结构相符。质子束的弯曲轨迹还可以通过分析质子束内的径向电场变化情况得到定性的解释。在靶面附近,热电子受正电荷质子的影响而聚集在一起,而从靶面向外观察,发现电场在由向内到向外逐渐演化。更高的激光强度可以产生更高能量的电子,从而会增大径向压缩力。模拟显示质子束内的径向压缩场达到了MV每100微米的强度,这足以在FI结构的空间尺度内对MeV量级的质子束产生有效的偏转。此外,根据该模型可以得出质子束能量越高,则偏转半径越小的结论,这也与实验的结果相同。

图2 横轴为质子能量,a中纵轴为焦斑直径,b为焦点位置

  质子束的聚集特性还受到热电子空间均匀性的影响,由于径向电场是由于热电子在靶面的横向运动造成的,如果将热电子源(激光焦点)的直径由90微米增大至360微米,会减低初始热电子鞘层的径向梯度,得到更均匀的电子鞘层,从而使得质子束的焦斑直径由60微米减少至35微米。此外,模拟还发现,在锥体内没有碳氢膜的条件下,该直径还可以进一步减少至20微米,这是因为碳氢膜的存在会对径向电场有一定的削弱作用。基于以上结果,我们认为改进激光焦斑的均匀性、优化锥体结构等从而获得聚焦性能更好的质子束将对高能高密度科学的诸多领域产生巨大的应用价值。

图3 测试质子的模拟结果。曲线为质子的运动轨迹,颜色反映质子的密度

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