文摘

高能质子的描述中生成ShenGuang-II petawatt激光相互作用与箔目标系统研究。质子的能量光谱测量和角分布radiochromic电影堆栈。这表明质子能量光谱的玻耳兹曼分布随温度约2.8兆电子伏,截止能量约20兆电子伏。质子的发散角是不同的从10°到60°,依赖于质子能量。质子通过质子源大小和位置调查点投影网格成像。发现质子虚拟源定位数十到数百微米衬托前面的目标,根据质子的能量。Monte Carlo法估计虚拟质子源的直径约为12μ质子能量为16.8兆电子伏米,这是远小于激光焦点尺寸约为50μm。16.8兆电子伏质子成像的空间分辨率与点扩散函数量化约15μ米,与质子虚拟源尺寸一致。这些结果将对用户重要进行实验与质子作为背光来源ShenGuang-II petawatt激光。

1。介绍

高能质子生成简而言之,强烈的激光与箔目标近年来得到太多的关注和广泛研究了实验和理论上(1- - - - - -5]。的质子加速电场的后侧目标通过目标正常鞘加速度(TNSA)机制具有属性包括短脉冲持续时间和高亮度6]。质子有许多潜在的应用,如探测电场或磁场的快速动态激光产生的等离子体(7- - - - - -10),作为一个快速点火器梁laser-driven融合(11),质子放射生物学(12- - - - - -16),材料科学(17),和中子生产(18]。laser-driven质子能谱等的特点,发散角,并为这些应用程序源尺寸是必不可少的。

高能质子加速通过TNSA来自水或烃污染物层目标后表面,可以加速到几十兆电子伏。通常,在点投影成像实验中,源的大小决定最好的解决(19]。然而,质子源的横向尺寸测量是远远大于成像分辨率(20.]。因此,认为质子释放quasilaminar的方式从一个虚拟源具有体积小(11,21]。

ShenGuang-II了激光设备在大功率激光和物理国家实验室是一个多功能的实验平台,其中包括8 kilojoule-class纳秒激光和一微微秒petawatt激光束(称为SG-II petawatt激光器,即。,SG-II PW激光)[22]。SG-II了PW激光器通常用于快速加热的崩溃致密核心等离子体或产生高能质子作为背光来源调查纳秒激光产生的等离子体。在这篇文章中,描述SG-II了PW激光器中产生的高能质子与箔目标是系统地介绍了。质子与铜网格点投影成像结合radiochromic电影(RCF)堆栈被用来描述质子。质子能量谱、角分布和虚拟源的大小和位置。质子成像的空间分辨率也分析和比较虚拟源尺寸。这些结果和发现将重要的潜在用户了解激光状况和了解质子的属性来设计他们的实验。

2。实验装置

实验进行了SG-II PW激光。激光使用混合动力技术结合光参量chirped-pulse放大器和Nd:玻璃chirped-pulse放大器产生短脉冲(1 - 10 ps)和大型能源(1053海里(1000 J)22]。实验设置如图1。激光聚焦了一个f / 2.5离轴抛物面镜的10μ米厚度盟箔目标,入射角的21°。在一些照片,背后的铜网是箔的目标在远处 毫米,质子点投影成像中的对象来判断质子成像的质量。网格(AG) 200年,吉尔德电网)是由36μ线和90μ米间距。质子发射后表面的目标通过网格和检测具有RCF (HD-V2 GafChromic)堆栈(23]。前RCF栈位于表面 毫米铜网。

x射线针孔照相机(XPHC)理论分辨率约为13μm是用于监测激光焦点位置(24,25]。一个成像板(BAS-SR,富士胶片)作为x射线探测器。在实验中,入射激光能量和脉冲持续时间设定在130 J和ps,分别代表一个常规激光作为质子背光的地位。图2(一个)显示了一个典型的XPHC激光焦点的图像。因为很多物理过程涉及到的x射线辐射,如快速电子回流,再循环,和运输在目标(碰撞,欧姆加热等)、科学扩展发出x射线测量剖面与真正的激光强度关注目标是很困难的。在本文中,我们假设x射线强度得到XPHC尺度与激光强度线性。激光能量累积分数的函数强度和焦点直径,如图2 (b)。这表明大约50%的激光能量是包含在一个60μ米直径,导致激光强度超过1.5×10¹⁸W /厘米²。实验结果以每一个镜头在图所示2 (c),1号拍摄选为一个典型的镜头。入射激光能量稳定在130 J±15%,和质子截止能量测量RCF栈都高于15兆电子伏。

3所示。实验结果和分析

3.1。质子能量谱和角分布

生成的质子通过RCF层,沉积的动能RCF (26]。典型的质子图像记录在rcf扫描使用爱普生V750扫描仪镜头一样的人物2(一个)如图3(一个)。很明显,低能质子有更高的强度和更大的角发散角。最大的质子能量达到18.9兆电子伏。

质子的能量谱可以获得从RCF图像。基于校准HD-V2-type RCF的质子与不同剂量(23,26,27)的光学密度相对离心力可转化为质子能量沉积。每个RCF层上的空间集成的质子数,因此,从沉积获得能源与SRIM模拟谱展开计算(28,29日),如图3 (b)。质子能谱显示了一个指数。我们适合玻耳兹曼分布的光谱。安装能谱如图3 (b),总质子数和温度约为1.2×10¹²分别和2.8兆电子伏。从图我们可以看到3 (b),因为最低RCF层、饱和度的测量质子质子数在低能量小于拟合的结果。根据拟合结果,激光能量的转换效率质子束可以计算约为0.62%。

用给定的目标之间的距离和质子的RCF层和大小图片,发散角(本文所指的完整的光束孔径)的能量分辨质子可以计算,如图3 (c)。火神的结果和100年纽伦堡tw-luli激光器等。26)也显示比较。在图3 (c)质子能量E比例最大的质子能量吗E_马克斯,在这里 兆电子伏,29.7伏,16.2伏,SG-II PW,火神,分别和100 tw-luli激光。发散角的质子在我们的实验中从10°60°,依赖于质子能量,发散角随质子能量的增加。发散角产生的能量分辨质子SG-II PW激光和火神激光相似但相对不同于100年tw-luli激光。注意的激光能量SG-II PW和火神拍摄约为130 J, 100年tw-luli大约15 J。这可能是质子的差异的原因是不同的。

3.2。质子源位置和大小

它已经表明,laser-driven质子发射quasilaminar的方式从一个虚拟源(20.]。虚拟源的位置可以通过计算得到放大米铜网的质子的形象。放大率米点投影成像的实验是虚拟source-to-RCF层距离的比值虚拟source-to-mesh距离。 在哪里ν的距离虚拟箔目标和源是距离的前表面RCF堆栈RCF层与特定的质子能量。在实验中,放大率米可以测量 ,在哪里是网的质子形象和是真正的网格。形象的质子能量为16.8兆电子伏图所示3(一个), 毫米, 毫米, 毫米, 毫米, 嗯,我们可以获得 毫米。使用相同的方法,虚拟的位置质子具有不同能量来源的目标的不确定性得到约7% - -15%,如表中列出1。

估计虚拟源的大小,一系列的蒙特卡罗模拟进行了基于Geant4质子与各种源大小(11,30.]。在模拟空间高斯密度分布在质子源使用。 在哪里和r总质子数和1 /e分别是质子的半径。空间解决RCF层计算光学密度分布,如图4。通过比较实验与模拟的光学密度轮廓,我们发现质子虚拟源尺寸约为12μ在1 /e直径可以匹配实验光学密度轮廓。

3.3。质子成像的空间分辨率

质子成像的空间分辨率的大小反映了质子虚拟源。因此,我们分析了网格图像rcf公司获取点扩散函数(PSF),量化质子成像空间分辨率。我们第一次安装实验光学密度轮廓的边缘人物4 (b)为X从11毫米至14毫米的边缘扩散函数(养)31日),这是 在哪里 和我₀,σ,一个₀,一个₁拟合系数。养的安装图所示5(一个),这使 μm。考虑到欧洲证券化论坛响应函数的积分是Gaussian-type PSF, PSF可以获得

因此,完整宽度在1 /e最大的质子成像的空间分辨率 μm。这符合质子虚拟源的大小约为12μ通过蒙特卡罗模拟。能量分辨2σ养值表中列出1和与虚拟源大小从火神和100年纽伦堡tw-luli激光器等。26]。

此外,规范化的傅里叶变换PSF代表了调制传递函数(MTF),这是 在哪里 和是调制的周期。图5 (b)显示了不同能量的质子MTF。一看到16.8兆电子伏质子成像的空间分辨率为20% MTF大约是15μm和其他质子范围从12到25岁μm。

4所示。结论

总之,高能质子加速的特点从SG-II PW激光箔目标之间的相互作用研究。在实验中获得的最大质子能量为18.9兆电子伏130 J和ps的激光脉冲。质子的能谱测量的RCF堆栈是配备的玻耳兹曼分布的温度约2.8兆电子伏。质子的发射显示减少发散角从60°到10°质子能量的增加。基于质子点投影网格成像,质子和中子质子虚拟来源不同能量被发现定位数十到数百微米的目标,和大小估计蒙特卡罗模拟,约为12μ在1 /e直径的质子能量为16.8兆电子伏。这个尺寸是一致的质子成像空间分辨率约为15μ从点扩散函数获得。这些结果的重要性实验使用质子作为背光SG-II了PW激光源。

数据可用性

根据要求提供数据。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者欣然承认ShenGuang-II激光器的技术团队的支持设施。这项工作得到了国家科技创新基金会的中国科学院(批准号CXJJ-20S015)和中国科学院的战略重点研究项目(批准号XDA 25020204)。