超短超强激光加速质子束的聚焦实验

强激光与物质相互作用产生高能质子束是当前研究的热点，而产生高强度、良好聚焦的质子束更将有可能在高能量高密度学科开启新的研究方向，并将应用于放疗、肿瘤学、天体物理学、医学成像和质子束快点火等诸多学科。例如，通过将MeV量级的强质子束入射到固态物质表面，可以产生T帕斯卡量级的高压，从而研究木星星核中热稠物质的特性。惯性约束聚变的快点火(FI)方案是利用强激光产生高能带电粒子来点燃高度压缩的氘-氚(DT)燃料，相比于发散的电子束而言，高能质子束可以更好的聚焦在点火点上，并且直接将能量传递给燃料。 

应用上对FI方案中的质子束有很高的要求，不仅需要它能够聚焦在20～40微米的精度上，同时还需要拍瓦激光产生高能质子束的能量转换效率达到15%以上。现有的研究已经接近该转换效率，而通过将激光照射在半球形的铝箔上面，质子束的曲面箔聚焦实验也获得了验证。在平面箔的实验中，研究人员发现额外的电磁场有助于改进质子束的聚焦特性。在之前的质子束FI方案验证性实验中，质子束源是由部分球表面箔层和一个空心锥体组成，该结构被放置在黑体辐射腔体的一侧，从而屏蔽掉氘-氚(DT)燃料在压缩过程中产生的强软X射线。在本文中，我们使用了类似的FI结构，但是去除了辐射腔体，使锥体具备聚焦质子束和屏蔽射线的双重作用。球表面箔层的热电子所产生的径向电场、质子束与锥体的相互作用都对质子束的聚焦特性有非常大的影响，而这是在平面箔靶结构中未曾观察到的现象。 

实验使用了Los Alamos 国家实验室的TRIDENR亚皮秒激光器，激光功率为200TW。如图10所示，FI结构由高密碳膜制成的部分球表面箔层和60°锥体或圆柱体结构组成，在箔层表面上的碳氢层作为质子束的发射源。同时，实验还对部分球表面箔层和半球面箔层的结果进行了对比。发射出的质子束将首先通过一层铜网格，而后由一系列成像板(RCF)记录下其网格模式，每一块RCF都只能记录一定能量范围内的质子束。利用这些数据，结合3D轨迹追踪技术，可以反推出质子束的最小横向直径D(即焦斑直径)和聚焦位置。实验发现如图11所示，焦斑直径随着质子束能量的提高而减小，同时，部分球表面箔层的结果也显著优于半球面箔层的。就焦点位置而言，锥体结构是其他结构对应位置的2～3倍远(300微米)。 

图10  实验设置和目标靶。锥靶由10微米厚的球壳层和铝锥体组成，铜网格和成像板分别

放置在距离球面顶点1.5毫米和4厘米处