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激光驱动冲击波压缩气体薄膜的离子加速

发布时间: 2016-12-20 16:23:16   作者:本站编辑   来源: Physical Review Letters   浏览次数:

  激光驱动冲击波压缩气体薄膜的离子加速

   

  利用激光与过稠密或者稀薄等离子体相互作用对高能离子加速的方法已经持续了好几十年,这种方法依赖于各种加速机制,最主要的机制是激光打洞、靶面壳层加速(TNSA)、激光电子排空加速和辐射压加速。所有的这些机制主要都依赖于由大量离子和激光加速的热电子电荷分离产生的加速场。过去的实验基本都用固体靶材,这限制了操作的重复频率以及加速的离子纯度。近年来的实验采用长波段的红外激光驱动气体靶材来加速离子,使用近红外的超短脉冲激光来实现这种加速方式则十分困难。但是使用气体可以解决这个问题,它能获得各种密度以及可高重复频率操作的纯净靶,不幸的是,现在的气体喷嘴产生的等离子体密度却远远低于近红外波长的临界密度,这大大限制了现有的太瓦以及拍瓦激光器的应用。

  本文中,作者报道了利用一种新型的气体薄膜靶来对质子加速,这种靶材是基于气体中的强动力冲击波传播。这个波前可以使本地密度增加到接近近红外波长的临界密度并使密度梯度变得十分陡峭。靶前和靶后的密度梯度可以有效地减少激光传播中的一些不利效应如电离散焦和激光成丝,还能在电子加速出靶尾部时协助产生高能粒子。此外,这种靶材还能制作在不同的密度和高重复频率下。在本文中,作者展示了使用能量为500 mJ的激光,从这个特殊靶材中加速了~2Mev的质子,并讨论了相关的机制,包括靶面壳层加速和磁涡旋加速。

  实验装置如图1所示,用对Nd:YAG倍频的纳秒激光器激发真空中的气体喷嘴来获得强动力冲击波,单个的冲击波波形包含一个陡峭的前沿和一个缓降的下降沿,当两个冲击波碰撞的时候,峰值密度是两个冲击波密度之和,这种方法使得密度很容易就增加到临界密度。在本文的实验中,两个冲击波用来压缩氢气流,使之成为厚度为75μm,梯度长度30μm且峰值密度可调的气体薄膜。用400nm50fs的激光进行阴影和干涉成像,从而对靶材的形成进行探测。相互作用的驱动激光为钛宝石飞秒激光系统产生的800nm500mJ50fs的激光脉冲,用1/2的离轴抛物面镜对其聚焦,聚焦半径为2.6μm,聚焦强度为1×1020 W cm-2。将激光脉冲聚焦到薄膜的前沿使得在密度的上升沿获得相对论自聚焦,这让脉冲很快就能到达高强度。用CR-39板来测量离子的能量和空间分布,CR-391mm厚,包含不同厚度的铝滤膜,垂直于激光传播轴放置,距离气体喷嘴为13cm来防止激光损伤平板。

  1.实验装置图

  实验结果显示,在密度为0.3nc时,质子穿透了9μm18μm27μm厚的滤镜但是没有穿透36μm厚的滤镜。这证明了最大能量在1.51.9MeV的质子具有很宽的能谱分布。来自靶尾部的质子被向前加速,激光和靶相互作用时在靶尾部激发的热电子会产生电荷分离场,从而加速质子,这正符合靶面壳层加速机制。可以看到质子束相对激光轴位移了3.5厘米(15°),作者认为这是球面碰撞冲击直接造成的。当热电子离开等离子体时,他们会对质子在垂直于出射表面的方向上进行加速。由于出射口定义为一个小半径的凹面,所以激光轴和冲击源之间任何轻微的偏差都会导致质子束轴严重的偏移。在0.3 nc的情况下,可以看到一个完全不同的结果。前向加速的质子是包含在真空激光点内的低能量同轴粒子束,一圈高能质子的能量2MeV

  作者观察到在质子密度图中在这样的密度下激光可能穿透整个等离子体,可以清晰看到Z箍缩扩展穿过了等离子体,为了更好地证明动力学过程的确发生过,图2中作者展示了电子等离子体,磁场线和质子测试粒子演化的三维透视图。刚开始强激光脉冲在等离子体区域的密度上升沿经历了自聚焦和调制不稳定性。激光脉冲的有质动力驱动电子成穴,等离子体电子受到捕获并在空穴内加速。由于等离子波的相速度很慢,失相长度很短,电子很容易就得到注入、加速然后流出尾波场捕获区域。这些在激光波前之后的快电子轨迹形成了轴向的快电流。为了保证等离子体的准正弦性,会产生一个冷电子回流来平衡这个快电流。这两个相反方向的电流互相排斥形成了轴上的快电流和一个圆柱环形的冷回流。轴上快电流的平均电流为22kA。这个过程在区域内产生了强的角向磁场(50 MG) ,在这个期间,轴上的移动离子箍缩并且在ne≈ni≈0.3nc,半径1μm时产生了电子离子箍缩。整个过程追踪了强激光脉冲直到它离开等离子体区域。

  2.三维空间测试粒子的电子密度和角向场透视图

  在出口处,激光脉冲的有质动力将周围的电子从密度沿处排开。在强激光脉冲离开等离子后,快电子电流和大的角向磁场开始流出,这个情况可以联系到磁旋涡加速机制。交界面的质子与在主等离子体区域内的质子一样经历了相同的向内箍缩;然而,由于密度下降箍缩量级也迅速下降,快电流最终离开了等离子体。在这个位置,磁场开始和扩散,质子不再受到局限而径向向外喷发。与此同时,逃离的快电流产生空间电荷场,质子从空间电荷场获得纵向动力。这部分质子是在高能环中被观察到的。此外在密度沿之外存在低密度质子群。他们被快电子集体加速离开等离子体区域。这些质子是轴上低能质子的源头。最后一幅透视图检测了探测粒子的能量可以看到质子束的能量分布依赖于半径与实验相符。

  实验模拟以及理论的完全吻合进一步验证了我们的结果。将这些结果扩展到现有模拟工作作者观察到更低的离子能量,这个不一致是由过程中高度三维的特征导致的。也就是说, 将整个过程减少一个横向维度会约束自由度,这可以在具有相同初始条件的二维模拟中观察到。而峰值密度较低时,模拟产生的质子能量峰值为13MeV,远高于在实验和三维模拟中观察到的值。有趣的是,对于轴上粒子束,二维模拟可以产生相同的能量。这是由于前向电子产生的纵向加速力导致的。

  使用气体薄膜靶,作者观察到了从靶面壳层加速机制(TNSA)向磁涡旋加速机制的过渡。此外,还发现了磁涡旋加速机制一个独有的特征,即形成高能粒子环。这种加速机制直接受到激光和等离子体参数的控制,通过调整等离子体峰值密度、厚度、和梯度,可以探索更高的磁场的区域甚至产生的更高能量的粒子束。这一靶材和机制提供了一个潜在的方法,用来高重频的产生激光加速质子束。

  摘译自:Helle M H, Gordon D F, Kaganovich D, et al. Laser Accelerated Ions from a Shock Compressed Gas Foil[J]. Physical Review Letters, 2016, 117(16): 165001.

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