基于帶電粒子活化法開展的SGII-U皮秒激光質(zhì)子加速實驗研究?

賀書凱 齊偉 矯金龍 董克攻 鄧志剛 滕建 張博張智猛 洪偉 張輝 沈百飛 谷渝秋3)4)

1)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理重點實驗室,綿陽 621900)

2)(中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所強光光學(xué)實驗室,上海 201800)

3)(上海交通大學(xué),聚變科學(xué)與應(yīng)用協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

4)(北京大學(xué)應(yīng)用物理與技術(shù)中心,北京 100871)

(2018年8月8日收到;2018年9月20日收到修改稿)

1 引 言

自1979年Tajima和Dawson[1]提出激光等離子體加速理論以來,一種極具潛力、低成本、臺面化的加速器新技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視野.受限于當(dāng)時激光技術(shù)的發(fā)展,直到2000年Snavely等[2]利用皮秒激光和固體靶作用獲得了58 MeV的質(zhì)子束之后,激光離子加速才獲得了更加廣泛的關(guān)注,大量的物理實驗及粒子模擬(PIC)計算機模擬工作[3?10]不斷開始涌現(xiàn),用以揭示激光離子加速的物理機制及規(guī)律.隨著研究的深入開展,靶背鞘場加速(target normal sheath acceleration,TNSA)機制成為最先被人們認(rèn)知并了解的激光加速機制之一.除此之外,一些依賴于特殊激光條件的新型激光離子加速機制,比如輻射壓加速,相對論自透明加速、無碰撞靜電沖擊波加速等也逐漸被提出[11?19].這些加速機制可以從某些方面改善TNSA加速機制的不足,但是受限于激光器的硬件條件,鮮有相關(guān)實驗被開展.

根據(jù)最新的文獻(xiàn)報道,Wagner等[20]基于TNSA加速機制獲得了最高截止能量85 MeV的質(zhì)子束,高能質(zhì)子數(shù)量達(dá)到了109個.這使得人們開始重新審視TNSA的加速潛力.迄今為止,從激光加速質(zhì)子應(yīng)用角度來看,TNSA依然是最穩(wěn)定、最有效的加速機制.激光驅(qū)動TNSA加速質(zhì)子被廣泛應(yīng)用于超快電磁場的質(zhì)子分幅照相診斷、質(zhì)子束熒光分析、激光快中子源的產(chǎn)生等.從Wagner等的工作來看,TNSA加速的質(zhì)子能量及數(shù)量尚存在一定的優(yōu)化空間.而對于參數(shù)一定的超短超強激光裝置而言,TNSA加速質(zhì)子的能量及轉(zhuǎn)化效率等,一般存在最佳的靶厚條件.了解這些信息,有助于更好地利用現(xiàn)有的激光器條件,開展一些以TNSA質(zhì)子加速為基礎(chǔ)的應(yīng)用工作,比如慣性約束聚變動理學(xué)過程的質(zhì)子照相研究[21]、超快激光中子源的產(chǎn)生、激光核物理研究等,這是一件十分重要和有意義的課題.

本文采用帶電粒子活化測譜技術(shù),針對SGIIU裝置第九路皮秒激光的現(xiàn)有條件,開展了激光驅(qū)動TNSA質(zhì)子加速靶參數(shù)優(yōu)化實驗研究.改變Cu薄膜靶的厚度,測量不同靶厚條件下TNSA質(zhì)子加速的能量、質(zhì)子束斑分布及激光能量到質(zhì)子的轉(zhuǎn)化效率等,給出了這些參數(shù)隨靶厚度的變化關(guān)系,給出了TNSA質(zhì)子加速的最佳Cu靶厚度為10μm.隨著Cu薄膜靶厚度的增加,質(zhì)子最高截止能量有所下降,但是質(zhì)子束斑變得更加均勻.而當(dāng)Cu薄膜厚度減薄為1μm時,質(zhì)子束斑有明顯的調(diào)制結(jié)構(gòu),高能質(zhì)子束斑呈現(xiàn)空心結(jié)構(gòu).

2 帶電粒子活化測譜方法

為測量激光加速質(zhì)子的空間積分能譜、激光能量到質(zhì)子的轉(zhuǎn)化效率等關(guān)鍵參數(shù),基于傳統(tǒng)的帶電粒子活化分析技術(shù)和放射性活度符合測量技術(shù)發(fā)展了一套帶電粒子活化測譜裝置,并建立了解譜方法[22],該裝置的核心為兩個規(guī)格為Φ75 mm×75 mm的NaI核輻射探測器.實驗過程中采用如圖1所示的濾片堆棧診斷結(jié)構(gòu),當(dāng)連續(xù)能譜的質(zhì)子入射到依次排列的含有活化體材料(比如Cu)的濾片堆棧中時,質(zhì)子會在活化體材料中引起特定的核反應(yīng)產(chǎn)生放射性核素,通過測量活化體中放射性核素的活度即可反推入射質(zhì)子的能譜信息.用作活化體的材料選擇自然豐度的Cu,包含69.15%的63Cu以及30.85%的65Cu兩種核素,利用到的核反應(yīng)道主要是63Cu(p,n)63Zn,反應(yīng)閾值4 MeV.圖2給出了其反應(yīng)截面隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系,反應(yīng)截面最高約500 mbar[23],反應(yīng)生成具有β+衰變特性的放射性核素63Zn.將活化后的Cu片放置在放射性活度符合測量儀的兩個NaI探頭之間,63Zn衰變產(chǎn)生的β+在材料中發(fā)生湮滅后放出兩個反向發(fā)射的、能量為0.511 MeV的γ光子,這一對光子被兩端的NaI探測器接收產(chǎn)生兩個脈沖信號,每個信號分為兩路,進(jìn)入核電子學(xué)電路,通過輸出信號的時間符合和幅度(能量)符合來對核輻射事件進(jìn)行記錄.利用該裝置可以完成放射性核素能譜、活度、半衰期等參數(shù)的測量.使用活度1μCi的22Na正電子源對整個系統(tǒng)的β+探測效率進(jìn)行了標(biāo)定.

圖1 帶電粒子活化測譜診斷布局Fig.1.The sketch of charged particle activation diagnostics.

圖2 63Cu(p,n)63Zn反應(yīng)截面曲線[23]Fig.2.Cross section of63Cu(p,n)63Zn reaction.

圖3 最高截止能量不同的TNSA質(zhì)子轟擊Cu片產(chǎn)生的放射性核素衰變曲線Fig.3.Half-life curve of radionuclides produced by different energy proton activated copper.

上述方法已經(jīng)在XG-III裝置開展的實驗中得到了有效應(yīng)用[22].考慮到SGII-U和XG-III的激光器能量差別較大,TNSA加速質(zhì)子最高截止能量亦存在差別.XG-III質(zhì)子最高截止能量在20 MeV左右,SGII-U最高質(zhì)子能量可以達(dá)到50 MeV.高質(zhì)子能量情況下許多閾值高的核反應(yīng)道被激發(fā),產(chǎn)生的放射性核素可能會干擾測量,從而帶來誤差.為了判斷SGII-U裝置上TNSA加速質(zhì)子轟擊活化體Cu濾片產(chǎn)生的放射性核素的種類,取實驗中濾片堆棧的第1片活化Cu片,利用放射性活度符合測量儀測量其衰變曲線.測量時間盡可能長,以保證對長壽命核素的有效測量.圖3黑色曲線為測量結(jié)果,從衰變曲線可以看出Cu片中明顯產(chǎn)生了兩種半衰期的放射性核素.通過擬合可以得到兩種放射性核素的半衰期為39.5 min和8.7 h,對應(yīng)的兩種放射性核素分別為63Zn和62Zn.測量得到的63Zn的半衰期略大于真實值,62Zn的半衰期則稍小于真實值.主要原因在于兩種同時存在的放射性核素的相互影響.擬合測量剛開始一段時間內(nèi)的半衰期曲線,可以得到短壽命核素63Zn的半衰期,少量來自62Zn的衰變信號會使得擬合得到的63Zn半衰期變長;隨著測量時間的延長,短壽命的63Zn幾乎全部衰變成穩(wěn)定核素,這時候測量信號主要來自長壽命的62Zn,因此擬合后半段的衰變曲線即得到長壽命核素62Zn的半衰期.同樣,少量來自未衰變完的63Zn的信號則會減小擬合得到的62Zn半衰期.62Zn產(chǎn)生的原因在于質(zhì)子能量提高后,激發(fā)了核反應(yīng)道63Cu(p,2n)62Zn,此核反應(yīng)的反應(yīng)閾值為13 MeV,而該實驗發(fā)次的質(zhì)子最高截止能量為36 MeV;圖3紅色曲線為XG-III裝置某一發(fā)次的實驗測量結(jié)果,該發(fā)次對應(yīng)的最高質(zhì)子截止能量為18 MeV,可以看出活化Cu片產(chǎn)生的放射性核素只有63Zn.由于62Zn也具有β+衰變特性,其衰變信號也會被符合測量儀測到.所幸和63Zn相比,62Zn半衰期很長,則在打靶完成至測量結(jié)束的約1.5 h內(nèi),衰變信號主要來自63Zn,62Zn產(chǎn)生的衰變信號可以忽略不計,這從圖3黑色曲線可以明顯看出.所以該方法針對SGII-U裝置產(chǎn)生的更高能量的質(zhì)子能譜測量來說依舊是適用的.

3 實 驗

實驗在SGII-U裝置上開展,該裝置位于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室,可同時輸出八路納秒激光和一路皮秒激光.皮秒激光波長1053 nm,可提供的最高輸出能量達(dá)1 kJ.本輪實驗,皮秒激光能量380 J,脈寬1.6 ps,經(jīng)由F=2.5的離軸拋面鏡聚焦后,可獲得4×1019W/cm2的激光功率密度(光學(xué)焦斑的HWHM值為20μm,能量集中度50%).主脈沖80 ps以遠(yuǎn)對比度約10?8.維持激光參數(shù)不變,以p極化21?入射到Cu薄膜靶表面.改變Cu薄膜的厚度,厚度的變化范圍1—35μm,利用帶電粒子活化測譜法對不同Cu薄膜厚度的TNSA質(zhì)子加速參數(shù)進(jìn)行測量.實驗中用到的主要診斷是由不同厚度活化Cu片和輻射變色膜片(radiochromic dosimetry film,RCF)組成的濾片堆棧.測譜下限為4 MeV,主要由活化反應(yīng)的閾值決定;質(zhì)子測譜上限為52 MeV,由濾片的厚度決定.堆棧主要結(jié)構(gòu)如圖1所示,用到了15片不同厚度的Cu片及15片Ashland公司生產(chǎn)的型號為HD-V2的RCF,RCF厚度為105μm,主要由8μm厚的靈敏層和97μm厚的基底構(gòu)成.質(zhì)子入射到RCF的靈敏層上會導(dǎo)致其針對某些波長的光學(xué)透過率發(fā)生變化,利用掃描儀或者光密度計進(jìn)行測量后,可獲得質(zhì)子的定量信息,也可以從視覺上的顏色變化獲得質(zhì)子束斑等直觀的信息.Cu片的結(jié)構(gòu)為3層100μm,4層200μm,4層300μm,4層400μm,沿著質(zhì)子束發(fā)射方向依次放置,中間間隔以RCF.濾片大小為5 cm×5 cm,濾片距離固體靶的距離為5 cm,基本可以覆蓋整個質(zhì)子束斑,以測量質(zhì)子束的總產(chǎn)額.在濾片中心鉆直徑2 mm的圓孔,可以透過一部分質(zhì)子作為湯姆遜離子譜儀的診斷孔(圖中未給出).每發(fā)次實驗結(jié)束后,利用放射性活度符合測量儀依次測量各個Cu片的放射性活度,每片測量時間180 s.記錄測量時刻,然后按照半衰期計算各Cu片打靶時刻的放射性活度,將該活度值作為輸入條件輸入到帶電粒子活化解譜程序即得到質(zhì)子的空間積分能譜.符合測量完成后,將活化Cu片放置在成像板上(imaging plate,IP),活化Cu片的活性區(qū)發(fā)射的γ光子可以使IP感光,通過記錄其自發(fā)光圖像可以近似得到質(zhì)子束斑分布.

4 結(jié)果與討論

實驗中TNSA加速質(zhì)子的最高截止能量可以通過湯姆孫離子譜儀給出,亦可通過RCF或者活化Cu片在IP上的成像結(jié)果直觀、簡潔地呈現(xiàn).從實驗測量結(jié)果看,三者的結(jié)果基本一致.圖4給出了不同Cu薄膜靶厚度下TNSA加速質(zhì)子的RCF測量結(jié)果.每片RCF標(biāo)稱的質(zhì)子的能量主要通過SRIM程序計算得到.一定能量的入射質(zhì)子在穿過診斷用濾片堆棧的過程中,由于受到Cu,RCF等物質(zhì)的阻止作用(主要包括核阻止和電子阻止),能量不斷衰減.在其射程的末端,存在一個能量急劇衰減的過程,對應(yīng)的能損曲線存在一個峰結(jié)構(gòu),稱為Bragg峰.質(zhì)子的大部分能量都會衰減在Bragg峰內(nèi).如果Bragg峰剛好位于某一層RCF的靈敏層內(nèi),則其大部分能量就會沉積于此,引起該片RCF輻射變色量也最可觀.一般認(rèn)為該層RCF記錄的質(zhì)子能量即為Bragg峰剛好位于該層RCF靈敏層的入射質(zhì)子的能量.圖4紅色曲線標(biāo)出了質(zhì)子的最高截止能量對應(yīng)的RCF層,紅色曲線左側(cè)為質(zhì)子信號.曲線右側(cè)RCF上依然有輻射劑量引起的變色,分析認(rèn)為該變色并不是由于質(zhì)子輻照引起的,而是由靶背出射的超熱電子引起的輻射變色.考慮到質(zhì)子可以誘導(dǎo)核反應(yīng)的產(chǎn)生,而電子幾乎不引起核反應(yīng),我們將15μm靶厚實驗發(fā)次的RCF結(jié)果和活化Cu片的IP成像結(jié)果進(jìn)行了比較,如圖5所示.圖5(a)RCF上紅色虛線圓圈標(biāo)出的輻射變色信號在活化Cu片上并未看到對應(yīng)的活化信號,可以判斷該信號并不是由質(zhì)子產(chǎn)生的,而可能是由超熱電子引起的.另一個判斷的依據(jù)是質(zhì)子束在RCF記錄介質(zhì)上呈現(xiàn)的束斑輪廓隨質(zhì)子能量增加存在明顯的變小,而電子束引起的RCF輻射變色,束斑輪廓一般比較均勻,并且束斑變化比較小.

圖4 不同Cu薄膜靶厚度下質(zhì)子加速的RCF測量結(jié)果Fig.4.RCF results of proton acceleration at different copper film thickness.

圖5 靶厚15μm發(fā)次質(zhì)子束斑結(jié)果 (a)RCF測量結(jié)果;(b)Cu活化測量結(jié)果Fig.5.Profiles of proton beam obtained from a shot on a 15μm thick copper film:(a)RCF results;(b)from measurement of the copper activation.

從圖4紅色曲線可以看到,隨著Cu薄膜靶厚度的增加,TNSA質(zhì)子加速最高截止能量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢,靶厚10μm時,質(zhì)子能量最高約為36 MeV,靶厚增至35μm時,質(zhì)子能量有所下降,但是質(zhì)子束斑變得更加均勻,這是比較好理解的,靶厚的增加削減了激光預(yù)脈沖對靶背的影響,靶背鞘場變得比較均勻,但同時靶厚的增加也降低了輸運到靶背參與鞘場產(chǎn)生的超熱電子的能量和數(shù)量,從而降低了靶背鞘場的強度,引起質(zhì)子能量下降.同樣,當(dāng)靶減薄時,在激光預(yù)脈沖影響下,靶背等離子體標(biāo)長增加,引起加速鞘場強度的降低,導(dǎo)致質(zhì)子最高截止能量降低.特別地,當(dāng)靶厚為1μm時,質(zhì)子束的最高截止能量變化比較明顯.從6μm時的30 MeV,降至16 MeV,且低能質(zhì)子束斑開始出現(xiàn)放射狀調(diào)制,類似車輻條狀,高能質(zhì)子出現(xiàn)空心結(jié)構(gòu).分析認(rèn)為該空心結(jié)構(gòu)主要是由激光的預(yù)脈沖導(dǎo)致的.圖6(a)給出了1μm靶時,靶前的X光針孔相機拍攝到的靶前X光發(fā)光圖像,可以看到明顯的空心X光斑.圖6(b)給出的是活化Cu測量的質(zhì)子束斑形狀,可以看到高能端存在明顯的空心結(jié)構(gòu),和RCF測量結(jié)果一致.通過對SGII-U皮秒激光對比度測量,主脈沖80 ps以遠(yuǎn)對比度為10?8,分析認(rèn)為這樣的對比度決定了TNSA質(zhì)子加速薄膜靶厚度的下限.在1μm厚Cu薄膜靶情況下,主脈沖到來時,靶中心區(qū)域在預(yù)脈沖的燒蝕作用下已經(jīng)遭到局部破壞,使得靶前X光針孔相機及靶后質(zhì)子束斑測量均呈現(xiàn)空心結(jié)構(gòu).若想進(jìn)一步提高TNSA質(zhì)子加速的能量,需要使用等離子體鏡等進(jìn)一步提高激光的對比度參數(shù).

圖6 1μm靶厚測量到的(a)靶前X光焦斑,(b)活化Cu測量到的質(zhì)子束斑形狀Fig.6.(a)X-ray spot measured from the front target and(b)proton beam profile obtained from activitated copper when 1μm thick copper film was selectd.

圖7 (a)不同薄膜靶厚度質(zhì)子在各層活化Cu誘導(dǎo)產(chǎn)生的63Zn數(shù)目;(b)通過活化測量反推得到的質(zhì)子能譜Fig.7.(a)The number of63Zn produced by proton activated copper layers for different copper film thickness;(b)the proton spectrum of laser-driven proton unfloded with the number of63Zn.

圖8 (a)質(zhì)子總產(chǎn)額隨薄膜靶厚度的變化;(b)質(zhì)子轉(zhuǎn)化效率隨薄膜靶的變化Fig.8.(a)Total yield and(b)laser-proton conversion efficiency as a function of copper film thickness.

圖7(a)給出了不同Cu薄膜靶厚度TNSA產(chǎn)生的質(zhì)子束在各層活化Cu片中誘導(dǎo)產(chǎn)生的放射性核素63Zn的數(shù)量,圖7(b)是根據(jù)活度測量結(jié)果反推得到的質(zhì)子能譜.其中質(zhì)子產(chǎn)額的誤差主要來自活度測量過程中引入的誤差,能量誤差主要取決于濾片的厚度及層數(shù).不同于湯姆孫離子譜儀只能測量很小立體角內(nèi)的質(zhì)子能譜,帶電粒子活化法給出的質(zhì)子能譜為覆蓋整個質(zhì)子束出射立體角的空間積分能譜,因此直接將能譜沿能量維積分就可以得到TNSA加速質(zhì)子的總產(chǎn)額,也就得到了激光能量到質(zhì)子(大于4 MeV)的能量轉(zhuǎn)化效率.圖8(a)給出了激光加速質(zhì)子總產(chǎn)額隨Cu薄膜靶厚度的變化曲線,圖8(b)則給出了激光能量到質(zhì)子的轉(zhuǎn)化效率隨Cu薄膜靶厚度的變化關(guān)系,其變化趨勢和圖4給出的質(zhì)子最高截止能量隨厚度的變化趨勢一致.當(dāng)靶厚1μm時,大于4 MeV的質(zhì)子總產(chǎn)額2.5×1012個,轉(zhuǎn)化效率為0.8%.靶厚10μm為最優(yōu),對應(yīng)質(zhì)子產(chǎn)額和能量轉(zhuǎn)化效率分別為3.5×1012及1.6%.當(dāng)靶厚大于10μm時,能量轉(zhuǎn)化效率減小,但隨靶厚增加變化趨勢有所放緩.

5 結(jié) 論

本文基于帶電粒子活化測譜方法對SGII-U皮秒激光TNSA質(zhì)子加速進(jìn)行了系統(tǒng)研究和參數(shù)優(yōu)化.測量了不同厚度Cu薄膜靶情況下的質(zhì)子加速空間積分能譜、角分布及激光-質(zhì)子轉(zhuǎn)化效率等關(guān)鍵參數(shù).實驗發(fā)現(xiàn),針對現(xiàn)有的SGII-U激光對比度及功率密度條件,當(dāng)靶厚10μm時,可獲得最優(yōu)的質(zhì)子加速結(jié)果,最高能量接近40 MeV(進(jìn)一步提高激光能量情況下獲得過50 MeV的質(zhì)子),大于4 MeV質(zhì)子總產(chǎn)額可達(dá)3.5×1012個,激光到質(zhì)子的能量轉(zhuǎn)化效率接近2%.當(dāng)靶厚為1μm時,預(yù)脈沖對加速影響明顯,質(zhì)子最高截止能量及轉(zhuǎn)化效率均有明顯下降,質(zhì)子束均勻性變差,有明顯的調(diào)制結(jié)構(gòu),高能端有明顯的空心結(jié)構(gòu).根據(jù)我們的實驗結(jié)果,當(dāng)采用SGII-U皮秒激光產(chǎn)生質(zhì)子作為背光源進(jìn)行質(zhì)子分幅照相時,可以選擇厚一點的Cu薄膜靶,質(zhì)子束更加均勻,靶太薄了質(zhì)子束均勻性較差,且存在一定的調(diào)制結(jié)構(gòu),會給照相結(jié)果造成干擾;當(dāng)利用SGII-U皮秒束產(chǎn)生的質(zhì)子通過束-靶作用產(chǎn)生激光中子源時,則需要更高的質(zhì)子能量和產(chǎn)額,選用10μm為宜.進(jìn)一步提高SGII-U皮秒激光的TNSA加速質(zhì)子能量及數(shù)量則需要激光對比度的進(jìn)一步改善和提高.

感謝中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所高功率激光物理聯(lián)合實驗室華能、任磊等激光運行人員在實驗上給予的大力支持.