強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高能質(zhì)子束是當(dāng)前研究的熱點，而產(chǎn)生高強(qiáng)度、良好聚焦的質(zhì)子束更將有可能在高能量高密度學(xué)科開啟新的研究方向，并將應(yīng)用于放療、腫瘤學(xué)、天體物理學(xué)、醫(yī)學(xué)成像和質(zhì)子束快點火等諸多學(xué)科。例如，通過將MeV量級的強(qiáng)質(zhì)子束入射到固態(tài)物質(zhì)表面，可以產(chǎn)生T帕斯卡量級的高壓，從而研究木星星核中熱稠物質(zhì)的特性。慣性約束聚變的快點火(FI)方案是利用強(qiáng)激光產(chǎn)生高能帶電粒子來點燃高度壓縮的氘-氚(DT)燃料，相比于發(fā)散的電子束而言，高能質(zhì)子束可以更好的聚焦在點火點上，并且直接將能量傳遞給燃料。

　　應(yīng)用上對FI方案中的質(zhì)子束有很高的要求，不僅需要它能夠聚焦在20～40微米的精度上，同時還需要拍瓦激光產(chǎn)生高能質(zhì)子束的能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到15%以上。現(xiàn)有的研究已經(jīng)接近該轉(zhuǎn)換效率，而通過將激光照射在半球形的鋁箔上面，質(zhì)子束的曲面箔聚焦實驗也獲得了驗證。在平面箔的實驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)額外的電磁場有助于改進(jìn)質(zhì)子束的聚焦特性。在之前的質(zhì)子束FI方案驗證性實驗中，質(zhì)子束源是由部分球表面箔層和一個空心錐體組成，該結(jié)構(gòu)被放置在黑體輻射腔體的一側(cè)，從而屏蔽掉氘-氚(DT)燃料在壓縮過程中產(chǎn)生的強(qiáng)軟X射線。在本文中，我們使用了類似的FI結(jié)構(gòu)，但是去除了輻射腔體，使錐體具備聚焦質(zhì)子束和屏蔽射線的雙重作用。球表面箔層的熱電子所產(chǎn)生的徑向電場、質(zhì)子束與錐體的相互作用都對質(zhì)子束的聚焦特性有非常大的影響，而這是在平面箔靶結(jié)構(gòu)中未曾觀察到的現(xiàn)象。

　　實驗使用了Los Alamos 國家實驗室的TRIDENR亞皮秒激光器，激光功率為200TW。如圖1所示，F(xiàn)I結(jié)構(gòu)由高密碳膜制成的部分球表面箔層和60°錐體或圓柱體結(jié)構(gòu)組成，在箔層表面上的碳?xì)鋵幼鳛橘|(zhì)子束的發(fā)射源。同時，實驗還對部分球表面箔層和半球面箔層的結(jié)果進(jìn)行了對比。發(fā)射出的質(zhì)子束將首先通過一層銅網(wǎng)格，而后由一系列成像板(RCF)記錄下其網(wǎng)格模式，每一塊RCF都只能記錄一定能量范圍內(nèi)的質(zhì)子束。利用這些數(shù)據(jù)，結(jié)合3D軌跡追蹤技術(shù)，可以反推出質(zhì)子束的最小橫向直徑D(即焦斑直徑)和聚焦位置。實驗發(fā)現(xiàn)如圖2所示，焦斑直徑隨著質(zhì)子束能量的提高而減小，同時，部分球表面箔層的結(jié)果也顯著優(yōu)于半球面箔層的。就焦點位置而言，錐體結(jié)構(gòu)是其他結(jié)構(gòu)對應(yīng)位置的2～3倍遠(yuǎn)(300微米)。

圖1 實驗設(shè)置和目標(biāo)靶。錐靶由10微米厚的球殼層和鋁錐體組成，銅網(wǎng)格和成像板分別放置在距離球面頂點1.5毫米和4厘米處

　　本文利用PIC程序LSP對所產(chǎn)生的質(zhì)子束運(yùn)動過程進(jìn)行了模擬，發(fā)現(xiàn)大部分測試質(zhì)子一開始都是沿著垂直靶面的方向加速，而后開始做偏離軸向的運(yùn)動。這與“垂直靶面鞘層加速”模型相一致，該模型認(rèn)為強(qiáng)激光與物資相互作用產(chǎn)生的大量熱電子會形成垂直于靶面的加速鞘層。模擬得出的焦斑直徑與實驗結(jié)構(gòu)相符。質(zhì)子束的彎曲軌跡還可以通過分析質(zhì)子束內(nèi)的徑向電場變化情況得到定性的解釋。在靶面附近，熱電子受正電荷質(zhì)子的影響而聚集在一起，而從靶面向外觀察，發(fā)現(xiàn)電場在由向內(nèi)到向外逐漸演化。更高的激光強(qiáng)度可以產(chǎn)生更高能量的電子，從而會增大徑向壓縮力。模擬顯示質(zhì)子束內(nèi)的徑向壓縮場達(dá)到了MV每100微米的強(qiáng)度，這足以在FI結(jié)構(gòu)的空間尺度內(nèi)對MeV量級的質(zhì)子束產(chǎn)生有效的偏轉(zhuǎn)。此外，根據(jù)該模型可以得出質(zhì)子束能量越高，則偏轉(zhuǎn)半徑越小的結(jié)論，這也與實驗的結(jié)果相同。

圖2 橫軸為質(zhì)子能量，a中縱軸為焦斑直徑，b為焦點位置

　　質(zhì)子束的聚集特性還受到熱電子空間均勻性的影響，由于徑向電場是由于熱電子在靶面的橫向運(yùn)動造成的，如果將熱電子源(激光焦點)的直徑由90微米增大至360微米，會減低初始熱電子鞘層的徑向梯度，得到更均勻的電子鞘層，從而使得質(zhì)子束的焦斑直徑由60微米減少至35微米。此外，模擬還發(fā)現(xiàn)，在錐體內(nèi)沒有碳?xì)淠さ臈l件下，該直徑還可以進(jìn)一步減少至20微米，這是因為碳?xì)淠さ拇嬖跁较螂妶鲇幸欢ǖ南魅踝饔??；谝陨辖Y(jié)果，我們認(rèn)為改進(jìn)激光焦斑的均勻性、優(yōu)化錐體結(jié)構(gòu)等從而獲得聚焦性能更好的質(zhì)子束將對高能高密度科學(xué)的諸多領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的應(yīng)用價值。

圖3 測試質(zhì)子的模擬結(jié)果。曲線為質(zhì)子的運(yùn)動軌跡，顏色反映質(zhì)子的密度