強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高能質(zhì)子束是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)，而產(chǎn)生高強(qiáng)度、良好聚焦的質(zhì)子束更將有可能在高能量高密度學(xué)科開(kāi)啟新的研究方向，并將應(yīng)用于放療、腫瘤學(xué)、天體物理學(xué)、醫(yī)學(xué)成像和質(zhì)子束快點(diǎn)火等諸多學(xué)科。例如，通過(guò)將MeV量級(jí)的強(qiáng)質(zhì)子束入射到固態(tài)物質(zhì)表面，可以產(chǎn)生T帕斯卡量級(jí)的高壓，從而研究木星星核中熱稠物質(zhì)的特性。慣性約束聚變的快點(diǎn)火(FI)方案是利用強(qiáng)激光產(chǎn)生高能帶電粒子來(lái)點(diǎn)燃高度壓縮的氘-氚(DT)燃料，相比于發(fā)散的電子束而言，高能質(zhì)子束可以更好的聚焦在點(diǎn)火點(diǎn)上，并且直接將能量傳遞給燃料。
應(yīng)用上對(duì)FI方案中的質(zhì)子束有很高的要求，不僅需要它能夠聚焦在20～40微米的精度上，同時(shí)還需要拍瓦激光產(chǎn)生高能質(zhì)子束的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%以上。現(xiàn)有的研究已經(jīng)接近該轉(zhuǎn)換效率，而通過(guò)將激光照射在半球形的鋁箔上面，質(zhì)子束的曲面箔聚焦實(shí)驗(yàn)也獲得了驗(yàn)證。在平面箔的實(shí)驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)額外的電磁場(chǎng)有助于改進(jìn)質(zhì)子束的聚焦特性。在之前的質(zhì)子束FI方案驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子束源是由部分球表面箔層和一個(gè)空心錐體組成，該結(jié)構(gòu)被放置在黑體輻射腔體的一側(cè)，從而屏蔽掉氘-氚(DT)燃料在壓縮過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)軟X射線。在本文中，我們使用了類(lèi)似的FI結(jié)構(gòu)，但是去除了輻射腔體，使錐體具備聚焦質(zhì)子束和屏蔽射線的雙重作用。球表面箔層的熱電子所產(chǎn)生的徑向電場(chǎng)、質(zhì)子束與錐體的相互作用都對(duì)質(zhì)子束的聚焦特性有非常大的影響，而這是在平面箔靶結(jié)構(gòu)中未曾觀察到的現(xiàn)象。
實(shí)驗(yàn)使用了Los Alamos 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的TRIDENR亞皮秒激光器，激光功率為200TW。如圖10所示，F(xiàn)I結(jié)構(gòu)由高密碳膜制成的部分球表面箔層和60°錐體或圓柱體結(jié)構(gòu)組成，在箔層表面上的碳?xì)鋵幼鳛橘|(zhì)子束的發(fā)射源。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還對(duì)部分球表面箔層和半球面箔層的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。發(fā)射出的質(zhì)子束將首先通過(guò)一層銅網(wǎng)格，而后由一系列成像板(RCF)記錄下其網(wǎng)格模式，每一塊RCF都只能記錄一定能量范圍內(nèi)的質(zhì)子束。利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合3D軌跡追蹤技術(shù)，可以反推出質(zhì)子束的最小橫向直徑D(即焦斑直徑)和聚焦位置。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)如圖11所示，焦斑直徑隨著質(zhì)子束能量的提高而減小，同時(shí)，部分球表面箔層的結(jié)果也顯著優(yōu)于半球面箔層的。就焦點(diǎn)位置而言，錐體結(jié)構(gòu)是其他結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)位置的2～3倍遠(yuǎn)(300微米)。
圖10 實(shí)驗(yàn)設(shè)置和目標(biāo)靶。錐靶由10微米厚的球殼層和鋁錐體組成，銅網(wǎng)格和成像板分別
放置在距離球面頂點(diǎn)1.5毫米和4厘米處
本文利用PIC程序LSP對(duì)所產(chǎn)生的質(zhì)子束運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)大部分測(cè)試質(zhì)子一開(kāi)始都是沿著垂直靶面的方向加速，而后開(kāi)始做偏離軸向的運(yùn)動(dòng)。這與“垂直靶面鞘層加速”模型相一致，該模型認(rèn)為強(qiáng)激光與物資相互作用產(chǎn)生的大量熱電子會(huì)形成垂直于靶面的加速鞘層。模擬得出的焦斑直徑與實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)相符。質(zhì)子束的彎曲軌跡還可以通過(guò)分析質(zhì)子束內(nèi)的徑向電場(chǎng)變化情況得到定性的解釋。在靶面附近，熱電子受正電荷質(zhì)子的影響而聚集在一起，而從靶面向外觀察，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)在由向內(nèi)到向外逐漸演化。更高的激光強(qiáng)度可以產(chǎn)生更高能量的電子，從而會(huì)增大徑向壓縮力。模擬顯示質(zhì)子束內(nèi)的徑向壓縮場(chǎng)達(dá)到了MV每100微米的強(qiáng)度，這足以在FI結(jié)構(gòu)的空間尺度內(nèi)對(duì)MeV量級(jí)的質(zhì)子束產(chǎn)生有效的偏轉(zhuǎn)。此外，根據(jù)該模型可以得出質(zhì)子束能量越高，則偏轉(zhuǎn)半徑越小的結(jié)論，這也與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相同。
圖11 橫軸為質(zhì)子能量，a中縱軸為焦斑直徑，b為焦點(diǎn)位置
質(zhì)子束的聚集特性還受到熱電子空間均勻性的影響，由于徑向電場(chǎng)是由于熱電子在靶面的橫向運(yùn)動(dòng)造成的，如果將熱電子源(激光焦點(diǎn))的直徑由90微米增大至360微米，會(huì)減低初始熱電子鞘層的徑向梯度，得到更均勻的電子鞘層，從而使得質(zhì)子束的焦斑直徑由60微米減少至35微米。此外，模擬還發(fā)現(xiàn)，在錐體內(nèi)沒(méi)有碳?xì)淠さ臈l件下，該直徑還可以進(jìn)一步減少至20微米，這是因?yàn)樘細(xì)淠さ拇嬖跁?huì)對(duì)徑向電場(chǎng)有一定的削弱作用。基于以上結(jié)果，我們認(rèn)為改進(jìn)激光焦斑的均勻性、優(yōu)化錐體結(jié)構(gòu)等從而獲得聚焦性能更好的質(zhì)子束將對(duì)高能高密度科學(xué)的諸多領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的應(yīng)用價(jià)值。
圖12 測(cè)試質(zhì)子的模擬結(jié)果。曲線為質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)軌跡，顏色反映質(zhì)子的密度
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