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激光驱动质子流的皮秒成像法

发布时间: 2016-08-20 14:50:18   作者:本站编辑   来源: Nature Communications   浏览次数:

  

  当前实验研究物质对离子损伤的响应主要受限于传统加速器的脉冲宽度和时间抖动。当离子脉冲同稠密材料相互作用时,个别粒子将产生纳米宽尺度的电离轨迹并带有陡峭能量密度梯度。该梯度将驱动热电子分布的迅速扩散并逐渐均匀化。该过程将产生二次电离过程,并形成长时间激活的反应态,这使得背景材料在皮秒时间内达到平衡。研究这些态的寿命对理解入射离子流和离子损伤物质的时间依赖,或者是生物辐射的细胞死亡或修复均至关重要。对于这些过程,相应的几皮秒电子束并不可能在传统加速器中获得,因此需要替代的源。其中一种方法即利用高功率激光与薄膜和固体相互作用时获得超快源解决这个问题。

  1. 二氧化硅靶中的超快质子测量

         目前激光加速质子的持续时间由质子束照相推导,而对于超快过程的应用,更加直接的度量方法需求是非常迫切的。如图1所示通过研究激光驱动离子束辐射二氧化硅的超快电离过程。首先作者分析了靶后鞘层加速机制TNSA产生的质子的时间特性。TNSA本身是一种宽带产生机制,可产生较锐的高能截止。对于非相对论的质子,该大能量色散将导致初始较短的离子脉冲由于速度色散迅速展开。一种方法恢复该带宽是用二氧化硅阻止低能质子束。持续时间则可由二氧化硅内给定深度最快和最慢的带宽边界来推算。如图1插图所示,为测量该时间作者通过质子截止研究了电子进入二氧化硅导带的时间。

  2所示为采用光学条纹技术研究激光驱动离子束时间分辨二氧化硅内瞬态不透明过程。实验上TNSA技术的谱截止能量为10±0.5MeV。该脉冲与高纯度二氧化硅样品作用,瞬态不透明持续时间将比脉冲的时间窄,这主要是由低能质子截止造成的带宽变窄效应。该测量的分辨率在0.45±0.05ps,这表明导带内激活电子的寿命上限小于0.2ps。此外,分析表明质子在二氧化硅中速度变慢并未导致脉宽的显著变大。

  2. 激光驱动质子激射的光学条纹测量示意图

  质子烧蚀稠密材料动力学过程分析如下所示,选用材料为二氧化硅和BK7,其中BK7为多组分材料,由于其较好的热效应和光学性质而成为二氧化硅实验上的替代品。然而,其质子诱导不透明具有个大于400ps的恢复时间。BK7中的光子激发实验是由填隙间隔阻止电子的迅速扩散造成的,然而,有实验表明激活电子的寿命是5000ps,而作者的测量为430ps,比二氧化硅长100倍,且远小于5000ps

        该差异取决于稠密材料中质子相互作用的物理本质。蒙卡模拟表明瞬态的质子流将导致激活电子密度产生强烈的瞬态不均匀电子密度分布。而不均匀的分布将演化超过皮秒量级的时间。未来可采用窄带质子谱将该技术的时间尺度适合研究质子束上升沿在飞秒时间尺度内形成的初级辐射。

  摘译自B. Dromey, Picosecond metrology of laser-driven proton bursts, Nature Communications, 7:10642, DOI: 10.1038/ncomms10642

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