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文|老张史论
编辑|老张史论
前言
关于激光驱动离子加速的研究，使用微米和亚微米厚度的靶材，重点关注在PHELIX设施上最大质子能量和加速粒子总数的增强，使用纳秒级时间对比度高达10^-12，强度约为10^20 W/cm²的激光脉冲，实现了高达93 MeV的质子能量。
在45°入射角下，通过将激光极化改变为p极化，提高了转换效率，使得质子能量和粒子数与常规入射和s极化的情况相似，同时减少了最后聚焦光学元件上的碎片。
为了生成可用于进一步应用的可重现质子束，在PHELIX进行了一项研究，比较了使用高质量λ/10玻璃和低成本金刚石车削铜基底的最后聚焦光学元件对离子加速的影响。我们还研究了更高入射角下的离子加速，这有利于减少碎片，并因此降低长期运营成本。
为了增强这一方案中的质子源，使用激光极化和时间对比度作为参数来提高激光到离子的耦合效率，通过这些研究，建立稳定且更高效的质子源，以获得更多的粒子数和最大质子能量，并同时减少大型光学元件由于大量碎片带来的风险。
实验在两个不同的运行周期中进行，在标准操作条件下，激光系统提供一个s极化的28厘米光束，最大目标能量为180焦耳。激光光束经过F/1.7离轴车削铜抛物面进行聚焦，照射到靶材上。
焦点处的强度分布使得能量的50%，包含在一个7微米半径的圆盘内，强度分布中心有一个3-4微米直径的中心点，对于持续时间为500飞秒的激光脉冲，这相当于最大可实现强度为5 × 10^20 W/cm^2。
激光被聚焦到一个微米或亚微米厚的薄箔上，并改变入射角，对于s极化相互作用，目标以垂直方式安装，而对于p极化情况，则在水平轴周围倾斜，垂直于激光束。加速的离子被一堆夹在Mylar箔之间的放射性色谱膜捕获。
在第一个运行周期中，与法线入射接近的相互作用角度，堆叠放置在距离目标10厘米处。对于第二个运行周期，相互作用角度增加到45度，从而减少了激光烧穿引起的剥蚀风险，因此这个距离缩短到5厘米，这个改变将剪切处粒子的探测阈值提高了4倍。
在第一个运行周期中，RCF堆叠上钻了一个5毫米孔，然后放置了一个带有0.2毫米针孔的Thomson抛物面，并在激光方向后方50厘米处放置。这个Thomson抛物面是与Darmstadt技术大学合作设计的，它使用一种名为BAS-IP TR的像片。
它能够利用0.85特斯拉的磁场和高达10千伏的电压，使其能够探测最高90 MeV能量的质子，并且能量不确定性为5%。为了过滤较重离子引起的信号，并引入能量校准，像片被铜板屏蔽，铜板的厚度在较低能量处为0.5毫米，较高质子能量处为5毫米。
目标由在Darmstadt技术大学制造的平坦薄箔和附有500微米薄聚碳酸酯板的小支撑板组成，支撑板有一个5毫米的孔，允许激光以0度至45度的入射角度照射薄箔。它们安装在设施提供的标准四轴电动靶位系统上。
根据设置的不同，运行周期中选择目标的厚度和材料，从300纳米的聚苯乙烯，用于正入射，工作在相对论透明领域，到10微米的金用于纯TNSA实验，激光可以穿透整个目标的材料，同时仍然高于10^21 cm^-3的非相对论临界电子密度，预计还会有额外的能量从激光转移给质子。
为了确保所有射击过程中条件相似，激光束的性能在PHELIX激光系统中，不同位置进行监测。实时诊断测量近场和远场，并放置在主放大器和压缩器后面，使用自制的Shack-Hartmann传感器和控制软件，在主放大器后面测量波前。
总体激光性能激光参数对粒子加速有着决定性的影响，由于目标上的激光强度不能直接测量，通常是通过测量脉冲能量、脉冲持续时间和焦斑辐照分布来推断。焦斑辐照分布并非在射击时测量，而是在未放大的光束进行对准时测量。
射击能量是在主放大器输出处使用放射电探测器测量的，探测器位于一个透镜。这个探测器与能量测量范围为，20焦耳至5千焦耳的全光束大小热量计进行交叉校准，该热量计位于透镜之前。
这个热量计可以通过电阻欧姆加热进行自校准，从而提供绝对能量测量。由压缩机和运输引入的额外被动损耗也可以通过放置在靶室内的第二个热量计进行测量。这些测量结果的总不确定性约为5%。
焦斑通过一款Plan Apochromat显微目镜进行测量，该显微目镜与激光方向对准，通过成像将焦点传递到位于靶室外部的16位相机芯片的中心，成像总共由两个放大倍率为8的望远镜完成。
在初始对准后，相机中心和焦点位置确定了靶室中心，将靶材对准在TCC上。精确的放大倍数通过将成像平面上的一个锋利边缘移动一定距离，以相对精度10^-3来确定，相机芯片上的位移可以与移动的距离进行相关，这可以与像素的大小进行比较。
成像系统的分辨率通过一个USAF-1951标准目标进行测量，显示分辨率低于2微米，射击前，相机记录空间分布辐照度，并使用实验放大倍数因子推导出TCC处的辐照度，这个焦斑的测量结果另外乘以一个射击因子。
该因子通过将压缩机诊断中射击时的远场最大值与射击前低能量模式下的值进行比较获得。通过将它们归一化到信号的积分，可以发现在射击时，能量分布面积增加，导致估计的射击强度仅为正对准时强度的(75 ± 7)%。
这主要源自射击时的像差和光束剖面从高斯到平顶的变化，这是由于放大过程造成的，而非线性效应的贡献可能是微不足道的，因为整个系统中，包括诊断路径在内的B积分累积仍然保持在单位以下。
脉冲持续时间对强度的影响更大，脉冲持续时间是在靶室内使用基于FROG的设备测量的。该测量是在低能量下进行的，仅使用前置放大器，并与全能量射击进行对比。每次测量的FROG跟踪都进行了多次重构，同时使用自举法。
测量得到的脉冲持续时间的平均值在500飞秒的情况下，峰谷值波动了8%，重构占主导地位，波动为15%峰谷值，因此被用作脉冲持续时间的不确定性。对高动态范围上的脉冲的时间特性进行了测量，例如放大自发辐射背景。
皮秒时间尺度上上升斜率的特定形状以及可能存在的预脉冲，这些都可能改变与靶材相互作用时的条件，防止使用超薄目标，必须用高动态范围测量时间对比度，覆盖12个数量级，以及2.5纳秒的宽时间窗口，该窗口位于峰值强度之前。
在每次实验运行前的对准模式下测量时间对比度，以获得最好的实验条件的知识。这些测量显示，我们达到了10^-8的预脉冲对比度，在主脉冲之前几百皮秒，以及在纳秒至百皮秒时间尺度上的10^-12的ASE对比度，这也可以调整为10^-6。
焦点质量对质子束的影响焦点质量对质子束的最大能量和粒子数有重要影响。提高目标上的激光强度是提高最大质子能量和粒子数的众所周知的方法。由于脉冲持续时间不易获得减小，可以通过增加脉冲能量或改进焦斑来实现。
焦点质量的恶化源可以分为两类：静态和动态，由于对准问题和光学本身的质量，导致的光束退化是静态像差。在PHELIX，一般规定平面光学面在632纳米波长处的峰-谷表面质量为λ/10，类似于这里使用的透射光学的波前规范，导致主放大器部分结束时的累积波前失真约为≈λ–2λ。
这些静态失真通过使用可变形镜来减小，该镜安装在主放大器之前。由于它靠近激光链的开始，它可以可靠地调节波前，直至压缩器输入。
在压缩器中和之后的情况更加复杂，其中光栅和最后的聚焦抛物面的波前误差主导了光束的退化。光栅质量是可用的最高质量，而选择车削的铜抛物面是由于表面质量和运营成本之间的权衡，因为靶室中存在的碎屑和辐照负载要求每12个月对抛物面进行翻新。
为了确认与高端聚焦元件相比，车削铜抛物面的影响，将铜抛物面更换为具有相同几何特性的电介质镀膜高质量抛物面。该抛物面的反射波前误差为λ/36。找到在交换前后获得的焦斑的比较结果，其中两个分布都已标准化到最大强度。
定量上，可以看到像散的压缩失真明显减少，这使得焦点的外部区域能量更集中，这种改进也可以通过观察两个抛物面的围绕能量底部来量化。在5微米半径内的能量由35%提高到62%，在10微米处从74%提高到85%。就最大强度而言，玻璃抛物面提供了2.8倍的增加。
为了评估这种改进对加速的离子特性的影响，进行了专门的实验，检查最大质子能量和激光强度的缩放。这是通过将激光聚焦到300纳米厚的聚苯乙烯靶上，入射角为5°，同时通过改变激光脉冲能量来增加目标上的强度来完成的。
当使用铜抛物面时，300纳米厚的靶显示出一些钻孔的迹象，当激光能量较高时。这在RCFs中可见到模糊的电子背景的增加，后续的射击是用厚度为1.5微米的相同材料的靶来进行的。每一次射击都记录了最大质子能量的截止值。
可以看到使用玻璃抛物面进行的射击，提供了最高的质子最大能量，对于估计的强度为7 × 10^20 W/cm²，观测到的最大质子能量可达到90±30 MeV，这与其他设施目前可以达到的最大质子能量相当，尽管使用了更厚的靶。
在最后五层EBT3上产生的质子和电子的信号，由于堆叠厚度为5厘米，发生了显著的散射，使得质子束模糊不清，无法轻易地与电子束区分开，在RCFs上看到的暗化使得检测阈值增加到4×10^9 protons/sr，这可惜是一个很高的值。
区分电子和离子信号的唯一可能性是使用RCF层之间的信号梯度，而不是通常使用的尖锐特征。为了确认获得的质子能量分布，进行了第二次测量，用一个托马斯抛物面捕获穿过薄膜中心孔的质子。
由于光束未在孔的中心，而是在孔的上方约10毫米处，托马斯抛物面只记录了信号直到85-90 MeV，这与RCF数据一致。托马斯抛物面可靠地与从孔附近的RCF堆叠中获得的能量相匹配，这表明在RCFs上看到的信号是由质子产生的。
结论无论使用哪种抛物面和靶厚度，数据都表明质子的最大能量似乎遵循激光功率的平方根规律，数据在拟合周围的相对分散性高达34％，这相当高，表明在这种波动背后可能存在其他参数。
对于更高的激光功率，加速过程不再完全由TNSA支配，而是其他机制介入，我们目前的测量结果并没有直接证据支持这一点。使用更好的光学聚焦元件可以带来可观的，尽管轻微的，改进激光驱动离子加速的效果，实现了PHELIX加速的质子的90±30 MeV新纪录。
最大离子能量与激光强度并不成比例，但发现其与激光功率有关，对于TNSA机制而言，加速机制对焦斑质量的依赖并不强烈。
1、HUTCHINS、《Three-dimensional conditional structure》，2011年。
2、JALALABADI，《Influence of backflow》，2018年。
3、JIMÉNEZ，《Coherent structures in wall-bounded turbulence》，2018年。
4、MOSER，《What are we learning from simulating wall turbulence?》，2007年。
5、PINELLI，《The autonomous cycle of near-wall turbulence》，1999年。
