強激光與物質相互作用產生高能質子束是當前研究的熱點，而產生高強度、良好聚焦的質子束更將有可能在高能量高密度學科開啟新的研究方向，并將應用于放療、腫瘤學、天體物理學、醫學成像和質子束快點火等諸多學科。例如，通過將MeV量級的強質子束入射到固態物質表面，可以產生T帕斯卡量級的高壓，從而研究木星星核中熱稠物質的特性。慣性約束聚變的快點火(FI)方案是利用強激光產生高能帶電粒子來點燃高度壓縮的氘-氚(DT)燃料，相比于發散的電子束而言，高能質子束可以更好的聚焦在點火點上，并且直接將能量傳遞給燃料。
應用上對FI方案中的質子束有很高的要求，不僅需要它能夠聚焦在20～40微米的精度上，同時還需要拍瓦激光產生高能質子束的能量轉換效率達到15%以上。現有的研究已經接近該轉換效率，而通過將激光照射在半球形的鋁箔上面，質子束的曲面箔聚焦實驗也獲得了驗證。在平面箔的實驗中，研究人員發現額外的電磁場有助于改進質子束的聚焦特性。在之前的質子束FI方案驗證性實驗中，質子束源是由部分球表面箔層和一個空心錐體組成，該結構被放置在黑體輻射腔體的一側，從而屏蔽掉氘-氚(DT)燃料在壓縮過程中產生的強軟X射線。在本文中，我們使用了類似的FI結構，但是去除了輻射腔體，使錐體具備聚焦質子束和屏蔽射線的雙重作用。球表面箔層的熱電子所產生的徑向電場、質子束與錐體的相互作用都對質子束的聚焦特性有非常大的影響，而這是在平面箔靶結構中未曾觀察到的現象。
實驗使用了Los Alamos 國家實驗室的TRIDENR亞皮秒激光器，激光功率為200TW。如圖1所示，FI結構由高密碳膜制成的部分球表面箔層和60°錐體或圓柱體結構組成，在箔層表面上的碳氫層作為質子束的發射源。同時，實驗還對部分球表面箔層和半球面箔層的結果進行了對比。發射出的質子束將首先通過一層銅網格，而后由一系列成像板(RCF)記錄下其網格模式，每一塊RCF都只能記錄一定能量范圍內的質子束。利用這些數據，結合3D軌跡追蹤技術，可以反推出質子束的最小橫向直徑D(即焦斑直徑)和聚焦位置。實驗發現如圖2所示，焦斑直徑隨著質子束能量的提高而減小，同時，部分球表面箔層的結果也顯著優于半球面箔層的。就焦點位置而言，錐體結構是其他結構對應位置的2～3倍遠(300微米)。
圖1 實驗設置和目標靶。錐靶由10微米厚的球殼層和鋁錐體組成，銅網格和成像板分別放置在距離球面頂點1.5毫米和4厘米處
本文利用PIC程序LSP對所產生的質子束運動過程進行了模擬，發現大部分測試質子一開始都是沿著垂直靶面的方向加速，而后開始做偏離軸向的運動。這與“垂直靶面鞘層加速”模型相一致，該模型認為強激光與物資相互作用產生的大量熱電子會形成垂直于靶面的加速鞘層。模擬得出的焦斑直徑與實驗結構相符。質子束的彎曲軌跡還可以通過分析質子束內的徑向電場變化情況得到定性的解釋。在靶面附近，熱電子受正電荷質子的影響而聚集在一起，而從靶面向外觀察，發現電場在由向內到向外逐漸演化。更高的激光強度可以產生更高能量的電子，從而會增大徑向壓縮力。模擬顯示質子束內的徑向壓縮場達到了MV每100微米的強度，這足以在FI結構的空間尺度內對MeV量級的質子束產生有效的偏轉。此外，根據該模型可以得出質子束能量越高，則偏轉半徑越小的結論，這也與實驗的結果相同。
圖2 橫軸為質子能量，a中縱軸為焦斑直徑，b為焦點位置
質子束的聚集特性還受到熱電子空間均勻性的影響，由于徑向電場是由于熱電子在靶面的橫向運動造成的，如果將熱電子源(激光焦點)的直徑由90微米增大至360微米，會減低初始熱電子鞘層的徑向梯度，得到更均勻的電子鞘層，從而使得質子束的焦斑直徑由60微米減少至35微米。此外，模擬還發現，在錐體內沒有碳氫膜的條件下，該直徑還可以進一步減少至20微米，這是因為碳氫膜的存在會對徑向電場有一定的削弱作用。基于以上結果，我們認為改進激光焦斑的均勻性、優化錐體結構等從而獲得聚焦性能更好的質子束將對高能高密度科學的諸多領域產生巨大的應用價值。
圖3 測試質子的模擬結果。曲線為質子的運動軌跡，顏色反映質子的密度
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