当前位置:首页 > 业界动态 > 激光加速 > 正文

小型模块化装置对激光驱动的离子引导及后加速研究

发布时间: 2016-11-20 15:34:03   作者:本站编辑   来源: Nature Communication   浏览次数:

  小型模块化装置对激光驱动的离子引导及后加速研究

   

  在建立小型化,高束流离子加速器的进程中,对激光驱动的加速机制以及产生的离子束品质优化研究在过去的十年中获得了广泛关注。到目前为止,大部分的实验研究都是围绕由靶表面相对论电子建立的空间电荷场加速离子的靶背法向鞘层加速(TNSA)机制。尽管这种方法获得的离子束有很高的发射度和亮度,它的发散特性以及指数型宽能谱分布仍然限制了其在医疗、工业、核物理、高能物理等方面的应用。此外,获得更高加速能量(>百MeV)也需要更大、价格高昂的激光装置。而目前正在探索的将激光驱动的离子耦合到传统射频级进行后加速和控制的方案,对比全光的加速机制在造价和体积上具有先天的不足。

  本研究提出一种激光驱动的小型化装置,可以同时完成对离子束的能量筛选,准直以及后加速。这种机制利用的是高功率激光与固体靶相互作用过程中产生的超短(几十皮秒),高幅值,单极的电磁(EM)脉冲。并且在原理证明实验里,利用实验室规模的200TW激光器在小于1厘米的传输距离中实现了将离子能量提高约5MeV,相当于约0.5GeVm-1的加速梯度,这已经超过传统的加速手段能够保持的加速梯度,此外提高激光能量还可以实现更高的加速梯度。

  实验中采用的激光脉冲脉宽约30fs,能量约为3J,并通过f/2离轴抛物面镜聚焦到半高全宽约4μm的焦斑,其峰值能量在1020Wcm-2量级。一叠辐射显色剂量胶片(RCF)被用于诊断质子束的空间以及谱分布,并放置于用于产生质子的薄膜靶后35mm处。实验中数据的获取采用了两种不同靶架构。首先,超短、高幅值电磁脉冲沿与激光辐照靶相连的细金属丝的传播由图1a所示的靶结构标示。在这种情形中,在激光靶背产生TNSA质子束作为诊断粒子束对沿金属丝(直径0.1mm铝丝)传播的脉冲进行时间分辨的点投影成像。在证明利用电磁脉冲可以控制和优化质子束参数的实验第二部分,采用的靶结构如图2a所示,激光辐照的靶背与一个尺寸合适的螺线圈相连。

  

  1 利用质子束探测电磁脉冲

  2  螺线圈的工作原理

  相对论强度(>1018Wcm-2)下的相互作用将产生大量的热电子(MeV)。一小部分的热电子逃离靶表面并使其迅速充电到MV电势。这个迅速的充电分离过程将产生一个强的电磁脉冲(伴随幅值在GVm-1量级的电场,取决于激光强度),在靶的表面以接近光速传播。如果被迅速充电的靶通过铁丝接地,脉冲将驱动起一个中和电流。本实验中的高时间分辨率质子放射成像技术可以观察脉冲沿金属丝的传播。图1b为一个在弯折金属丝顶部的向外的强电场(GVm-1量级),它使垂直于金属丝方向的探测质子发生偏转,而金属丝底部则没有电场。随后,可以观察到电场沿着金属丝向下的传播,而金属丝顶部的电场消失(图1d)。这可以证明充电区域在空间任意时刻都具有局域性。借助计算机程序,带电脉冲的时间轮廓如图1e所示,其产生和衰减时间分别约为510ps,其沿金属丝传播的速度v=(0.96±0.04)cc为真空中的光速。脉冲所包含的电荷量约60nC

  行驶电磁脉冲伴随的局域、超强电场可以用于在ps时间量级上控制和优化激光加速产生的MeV离子。通过螺线圈引导电磁脉冲沿质子的轴向传播(图2a所示),能够在一段延伸的距离上使电场沿纵向的传播和传输的质子在一定能量范围内同步。螺线圈内的电场如图2b所示,计算得出的纵向电场(Ez)和径向电场(Er)分布如图2c2d所示。在某一特定时刻的脉冲分布在约两个线圈内,因此电场的形状与均匀充电的充电环相近。行驶电场的径向与纵向分量分别聚焦和加速(或者减速,取决于质子相对于线圈充电的位置)质子,与电磁脉冲同步。与此相反,不同步的质子的发散度保持不变,可以通过选取合适的空间位置将其淘汰。

  3所示为利用骡线圈的原理证明实验结果。对比传统直接用平整箔靶的大发散度的质子束(图3a),带骡线圈靶(图3b)得到的质子束高度准直,并且能量(~9MeV)也显著高于前者(~7MeV)。另一方面,如图3d所示,聚焦,窄带宽的9MeV质子束在靶后35mm处的直径小于螺线圈的内径,这表明质子束在激励螺线圈后近乎准直(<0.5°)的传播。粒子追迹模拟的结果表明,电磁脉冲的伴随电场的径向成分作用是压缩质子的发散度,纵向成分则以将近0.5GeVm-1的加速梯度加速位于同步质子束前端的质子,而位于尾端的质子则在传播过程中被减速。而与电磁脉冲中央一同传播的质子几乎感受不到纵向电场的作用,因此他们的能量不变,在聚焦变强的过程中,在到达RCF探测器之前就已经被偏转掉。

  3 螺线圈对TNSA粒子束的影响

  本研究利用大学实验室规模的激光器进行了原理证明性实验,如果能进一步提高激光能量和更精确的靶放置将会有更长足的发展。这是由于对于给定直径的螺线圈,其线圈结构内的的加速场与脉冲内的电荷量成正比,而脉冲包含的电荷量等于在激光-靶相互作用中逃离的电子数乘以电荷e。另一方面,由于螺线圈相对于产生进入螺线圈粒子束的主要离子加速过程属于一个可高效分拆的模块,可以预见多级相连的螺线圈序列分别由适合时间的激光辐照,可能实现一个紧凑的直线粒子加速器。运用这种技术,可以同时实现对激光驱动的离子的聚焦,能选,以及后加速。

  摘译自: Guided post-acceleration of laser-driven ions by a miniature modular structure, Nature Communication, 7:10792 (2016)

我来说两句
您尚未登录,请登录后发布评论! 【马上登录
评论列表
已有 0 条评论(查看更多评论)
友情链接
 
电话:021-69918000 传真:021-69918800 Processed in 0.035 second(s)
360网站安全检测平台 Powered by SIOM Copyright © 2014 www.siom.ac.cn, All Rights Reserved pv总量 访客数总量