聚焦靶为NIF ARC提供强力助推

发布时间: 2020-03-20 17:01:33   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

劳伦斯·利弗莫尔(LLNL)国家实验室的科学家们使用了复合抛物线靶实现了与更高激光强度相关的相对论效应。这一创新极大地拓展了国家点火装置(NIF)先进射线成像(ARC)激光器的实验能力。

这一靶型,称为复合抛物线聚焦器(CPC),给予ARC——NIF“激光器中的激光器”——产生比设计时强十倍以上的激光强度相关效应的能力。

根据发表于光学学会的《光学》杂志二月刊的文献,CPC与靶直接耦合,使三项高知名度的NIF及光子学课题得以探索电子-正电子对产量,质子加速,以及更热更亮X射线源的产生问题。该文献网络版发表于128日。

“这一结果意义重大,这意味着我们可以在ARC上进行那些原本我们认为不能进行的实验。”该文通讯作者,物理学家Andrew Macphee说,“这不再只是个想法,它已经实现了。”

ARC是短脉冲激光器系统,既可用作诊断工具,也可作为强力的能量源,与NIF,这一世界上最强的激光器相配和。

ARC的设计功率是1018W/cm2,足以实现设计目标。然而,产生一个足以产生明显相对论效应的加速场——在该场中粒子被加速到大部分的光速——需要更高的强度。研究团队试图将ARC四束光束产生的能量在到达靶室内部的皮秒级时间范围内集中起来。

1 CPC组件的照片,显示出一个锥形的,1毫米长度的金制CPC,其连接在一个500微米厚的金箔上。在圆锥体和金属箔之间有一个塑料支架。该靶由通用原子公司的Willie Hooke制作并组装。

利用CPC靶,分配到ARC焦斑两翼,即从激光光轴延伸数百微米的能量被叠加到高强度的中心相互作用区域。这使可用的激光能量更好地与靶进行耦合。

ARC而言,CPC的使用能够减少光束指向不确定性,将四束光束射向CPC靶有很好的信号复现性。

CPC的历史

Roland WinstonHenry Hinterberger1966年描述了CPC在高能物理实验中对扩散切伦科夫辐射(diffuse Cherenkov radiation)的有效采集。随后,CPC更广泛地用于太阳能发电的聚光。

此后,CPC用于二极管泵浦激光器的光电子器件中,如由LLNL1999年开发的二极管泵浦固体绿色激光器系统,用于工业材料加工,曾获得R&D 100大奖。

ARC的实验中,研究者将CPC的成功是由于扩展锥壁材料对激光脉冲的几何和折射聚焦,以及约束在CPC尖端附近的预制等离子体对激光吸收的增强。

相当一部分的能量以掠入射的方式进入。因为相互作用对任何预脉冲留下的表面条件非常敏感,使得建模非常困难。研究人员在多个装置上利用受控预脉冲条件进行了一系列实验,以便更好地推进建模,并提高对整个流程的全面理解。

第一个实验中,研究者使用的是由San Diego通用原子公司制造的最高质量的靶,该靶由钻石芯棒镀金制成,与NIF黑体辐射腔的制造方法相同。CPC1毫米长,顶端直径为50微米或25微米,有点类似于一个高花瓶,从开口向内逐渐变细。

圆锥体在接近短端处被截去,并连接到靶上,靶通常是一个500微米厚的金箔。光束由更大的入口进入,由锥角的形状限制等离子体,并直接将能量导向尖端处的金箔。

通过将能量聚焦并约束在更小的焦点上,研究人员可以获得强相对论的实验条件,这样,ARC能够用于电子-正电子对的产生、质子加速和数兆电子伏(百万电子伏)X射线辐射照相等方面的研究。

物理学家Hui Chen和她的团队在2007年的美国物理协会等离子体分会会议上听取了Macphee的演讲,尝试用CPC驱动电子产生正电子。在ARC上利用CPC进行的实验产生了产生大量的正电子。更重要的是,这一成功激励了CPC的各种应用。

ARC运行以后,研究人员开始一些新的探索,目前的研究表明CPC应用是相当简洁有效的解决方案,极大地扩展ARC的应用空间,其中一项新应用是对NIF核及X射线诊断的表征和定时。由CPC靶产生的极亮和短X射线脉冲为研究人员提供了改善诊断测量的新工具。

前途光明的设计

另一种有潜力的设计是将CPC从尖端更深的位置截断,并使用一种横向电磁模TM01,或一种“doughnut”激光模式激发,可以产生独立的,对激光指向不敏感的X射线背光光源。

ARC的变形镜能够在不损坏压缩光栅或其他下游光学元件的情况下,产生近似激光模式。使用截断CPC进行的测试将拓展研究人员关于预成型等离子体及其约束的认识,目前,研究人员在这方面目研究还非常有限。

MacpheeChenNIF的同事一同参与本文工作。此外,Macphee记录了博士后研究员Dean RusbyGraeme ScottPaul King(德州大学的访问学者)及NIF员工,科学家Nuno Lemos的工作,他们领导的实验更细化地观测CPC靶的机理和性能。LLNL的实验室指导研究和发展战略计划(Laboratory Directed Research and Development Strategic Initiatives)的项目:用于高能密度科学的激光驱动兆电子伏辐射成像技术(Laser driven MeV radiography for high energy density science)进行了相关的研究。

他们与英国的卢瑟福·阿普尔顿实验室合作,在LLNLJupiter激光装置的Titan激光器上进行了实验,并与德州大学奥斯汀分校的研究人员在Texas拍瓦激光器上有过合作。

图2 CPC组件

最初,CPC靶的制备是通过在一个由钻石制成的芯轴上镀上一层金,然后将芯轴溶解掉,这一过程既昂贵又费时。之后,研究人员测试了增量制造(additive manufacturing)的CPC,其在节省了制造时间和成本的同时,表现出近乎相同的性能,为CPC的大量应用打开大门。

摘译自:https://www.llnl.gov/news/focusing-target-gives-powerful-boost-nifs-arc?utm_source=miragenews&utm_medium=miragenews&utm_campaign=news

 

 

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