基于帶電粒子活化法開展的SGII-U皮秒激光質子加速實驗研究?

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)(中國科學院上海光學精密機械研究所強光光學實驗室,上海 201800)

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

4)(北京大學應用物理與技術中心,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逐漸進入人們的視野.受限于當時激光技術的發(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的質子束之后,激光離子加速才獲得了更加廣泛的關注,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,鮮有相關實驗被開展.

根據(jù)最新的文獻報道,Wagner等[20]基于TNSA加速機制獲得了最高截止能量85 MeV的質子束,高能質子數(shù)量達到了109個.這使得人們開始重新審視TNSA的加速潛力.迄今為止,從激光加速質子應用角度來看,TNSA依然是最穩(wěn)定、最有效的加速機制.激光驅動TNSA加速質子被廣泛應用于超快電磁場的質子分幅照相診斷、質子束熒光分析、激光快中子源的產生等.從Wagner等的工作來看,TNSA加速的質子能量及數(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加速質子的能量及轉化效率等,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質子加速為基礎的應用工作,比如慣性約束聚變動理學過程的質子照相研究[21]、超快激光中子源的產生、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,針對SGIIU裝置第九路皮秒激光的現(xiàn)有條件,開展了激光驅動TNSA質子加速靶參數(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質子加速的能量、質子束斑分布及激光能量到質子的轉化效率等,給出了這些參數(shù)隨靶厚度的變化關系,給出了TNSA質子加速的最佳Cu靶厚度為10μm.隨著Cu薄膜靶厚度的增加,質子最高截止能量有所下降,但是質子束斑變得更加均勻.而當Cu薄膜厚度減薄為1μm時,質子束斑有明顯的調制結構,高能質子束斑呈現(xiàn)空心結構.

2 帶電粒子活化測譜方法

為測量激光加速質子的空間積分能譜、激光能量到質子的轉化效率等關鍵參數(shù),基于傳統(tǒng)的帶電粒子活化分析技術和放射性活度符合測量技術發(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構,當連續(xù)能譜的質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,質子會在活化體材料中引起特定的核反應產生放射性核素,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,利用到的核反應道主要是63Cu(p,n)63Zn,反應閾值4 MeV.圖2給出了其反應截面隨質子能量的變化關系,反應截面最高約500 mbar[23],反應生成具有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探測器接收產生兩個脈沖信號,每個信號分為兩路,進入核電子學電路,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+探測效率進行了標定.

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質子轟擊Cu片產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.

上述方法已經在XG-III裝置開展的實驗中得到了有效應用[22].考慮到SGII-U和XG-III的激光器能量差別較大,TNSA加速質子最高截止能量亦存在差別.XG-III質子最高截止能量在20 MeV左右,SGII-U最高質子能量可以達到50 MeV.高質子能量情況下許多閾值高的核反應道被激發(fā),產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加速質子轟擊活化體Cu濾片產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黑色曲線為測量結果,從衰變曲線可以看出Cu片中明顯產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產生的原因在于質子能量提高后,激發(fā)了核反應道63Cu(p,2n)62Zn,此核反應的反應閾值為13 MeV,而該實驗發(fā)次的質子最高截止能量為36 MeV;圖3紅色曲線為XG-III裝置某一發(fā)次的實驗測量結果,該發(fā)次對應的最高質子截止能量為18 MeV,可以看出活化Cu片產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束的約1.5 h內,衰變信號主要來自63Zn,62Zn產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裝置產生的更高能量的質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院上海光學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1 kJ.本輪實驗,皮秒激光能量380 J,脈寬1.6 ps,經由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(光學焦斑的HWHM值為20μm,能量集中度50%).主脈沖80 ps以遠對比度約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質子加速參數(shù)進行測量.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,主要由活化反應的閾值決定;質子測譜上限為52 MeV,由濾片的厚度決定.堆棧主要結構如圖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厚的基底構成.質子入射到RCF的靈敏層上會導致其針對某些波長的光學透過率發(fā)生變化,利用掃描儀或者光密度計進行測量后,可獲得質子的定量信息,也可以從視覺上的顏色變化獲得質子束斑等直觀的信息.Cu片的結構為3層100μm,4層200μm,4層300μm,4層400μm,沿著質子束發(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子束斑,以測量質子束的總產額.在濾片中心鉆直徑2 mm的圓孔,可以透過一部分質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子束斑分布.

4 結果與討論

實驗中TNSA加速質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上的成像結果直觀、簡潔地呈現(xiàn).從實驗測量結果看,三者的結果基本一致.圖4給出了不同Cu薄膜靶厚度下TNSA加速質子的RCF測量結果.每片RCF標稱的質子的能量主要通過SRIM程序計算得到.一定能量的入射質子在穿過診斷用濾片堆棧的過程中,由于受到Cu,RCF等物質的阻止作用(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,對應的能損曲線存在一個峰結構,稱為Bragg峰.質子的大部分能量都會衰減在Bragg峰內.如果Bragg峰剛好位于某一層RCF的靈敏層內,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.一般認為該層RCF記錄的質子能量即為Bragg峰剛好位于該層RCF靈敏層的入射質子的能量.圖4紅色曲線標出了質子的最高截止能量對應的RCF層,紅色曲線左側為質子信號.曲線右側RCF上依然有輻射劑量引起的變色,分析認為該變色并不是由于質子輻照引起的,而是由靶背出射的超熱電子引起的輻射變色.考慮到質子可以誘導核反應的產生,而電子幾乎不引起核反應,我們將15μm靶厚實驗發(fā)次的RCF結果和活化Cu片的IP成像結果進行了比較,如圖5所示.圖5(a)RCF上紅色虛線圓圈標出的輻射變色信號在活化Cu片上并未看到對應的活化信號,可以判斷該信號并不是由質子產生的,而可能是由超熱電子引起的.另一個判斷的依據(jù)是質子束在RCF記錄介質上呈現(xiàn)的束斑輪廓隨質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薄膜靶厚度下質子加速的RCF測量結果Fig.4.RCF results of proton acceleration at different copper film thickness.

圖5 靶厚15μm發(fā)次質子束斑結果 (a)RCF測量結果;(b)Cu活化測量結果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,質子能量最高約為36 MeV,靶厚增至35μm時,質子能量有所下降,但是質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,引起質子能量下降.同樣,當靶減薄時,在激光預脈沖影響下,靶背等離子體標長增加,引起加速鞘場強度的降低,導致質子最高截止能量降低.特別地,當靶厚為1μm時,質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,且低能質子束斑開始出現(xiàn)放射狀調制,類似車輻條狀,高能質子出現(xiàn)空心結構.分析認為該空心結構主要是由激光的預脈沖導致的.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測量的質子束斑形狀,可以看到高能端存在明顯的空心結構,和RCF測量結果一致.通過對SGII-U皮秒激光對比度測量,主脈沖80 ps以遠對比度為10?8,分析認為這樣的對比度決定了TNSA質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)域在預脈沖的燒蝕作用下已經遭到局部破壞,使得靶前X光針孔相機及靶后質子束斑測量均呈現(xiàn)空心結構.若想進一步提高TNSA質子加速的能量,需要使用等離子體鏡等進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)不同薄膜靶厚度質子在各層活化Cu誘導產生的63Zn數(shù)目;(b)通過活化測量反推得到的質子能譜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)質子總產額隨薄膜靶厚度的變化;(b)質子轉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產生的質子束在各層活化Cu片中誘導產生的放射性核素63Zn的數(shù)量,圖7(b)是根據(jù)活度測量結果反推得到的質子能譜.其中質子產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的質子能譜,帶電粒子活化法給出的質子能譜為覆蓋整個質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加速質子的總產額,也就得到了激光能量到質子(大于4 MeV)的能量轉化效率.圖8(a)給出了激光加速質子總產額隨Cu薄膜靶厚度的變化曲線,圖8(b)則給出了激光能量到質子的轉化效率隨Cu薄膜靶厚度的變化關系,其變化趨勢和圖4給出的質子最高截止能量隨厚度的變化趨勢一致.當靶厚1μm時,大于4 MeV的質子總產額2.5×1012個,轉化效率為0.8%.靶厚10μm為最優(yōu),對應質子產額和能量轉化效率分別為3.5×1012及1.6%.當靶厚大于10μm時,能量轉化效率減小,但隨靶厚增加變化趨勢有所放緩.

5 結 論

本文基于帶電粒子活化測譜方法對SGII-U皮秒激光TNSA質子加速進行了系統(tǒng)研究和參數(shù)優(yōu)化.測量了不同厚度Cu薄膜靶情況下的質子加速空間積分能譜、角分布及激光-質子轉化效率等關鍵參數(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,當靶厚10μm時,可獲得最優(yōu)的質子加速結果,最高能量接近40 MeV(進一步提高激光能量情況下獲得過50 MeV的質子),大于4 MeV質子總產額可達3.5×1012個,激光到質子的能量轉化效率接近2%.當靶厚為1μm時,預脈沖對加速影響明顯,質子最高截止能量及轉化效率均有明顯下降,質子束均勻性變差,有明顯的調制結構,高能端有明顯的空心結構.根據(jù)我們的實驗結果,當采用SGII-U皮秒激光產生質子作為背光源進行質子分幅照相時,可以選擇厚一點的Cu薄膜靶,質子束更加均勻,靶太薄了質子束均勻性較差,且存在一定的調制結構,會給照相結果造成干擾;當利用SGII-U皮秒束產生的質子通過束-靶作用產生激光中子源時,則需要更高的質子能量和產額,選用10μm為宜.進一步提高SGII-U皮秒激光的TNSA加速質子能量及數(shù)量則需要激光對比度的進一步改善和提高.

感謝中國科學院上海光學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.