CN111800934A - 一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法，包括如下步骤：1:预脉冲激光正向入射在金属靶的前表面，将所照射区域加热成等离子体；2:预脉冲激光照射后，正向激光I21作为主脉冲，正向入射在已经离化的金属靶的前表面，3:反向激光I22以与正向激光I21相反的方向，从靶背照射到靶的背表面，反向激光的入射时间比正向激光的入射时间落后Δt，Δt的取值范围为4‑10fs，反向激光I22的强度I22=a I21，a的取值范围为0.1‑0.6；当反向激光满足a=0.2，且Δt=8fs时,反向激光的有质动力能够抑制靶背热电子的正向膨胀，使电子云集中分布在靶背表面附近特定位置，从而提高靶背鞘层电场的强度达到最优，从而提高质子的能量达到最优，同时降低质子的发散角度。
Description
技术领域
本发明属于激光加速技术领域，具体地涉及一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法。
背景技术
激光与靶相互作用得到的高能质子束能够应用到许多领域，如同位素生产、肿瘤治疗、惯性约束核聚变，等等。目前实验中产生的质子束品质不高，存在能量低、发散角度大等缺点，限制了激光加速质子的应用。激光加速质子的加速机制一般采用靶背法线鞘层加速机制来解释(Target Normal Sheath Acceleration，简称TNSA)。在这一机制中，薄箔靶在激光预脉冲照射后电离，形成等离子体，等离子体中的电子在主脉冲激光的有质动力(ponderomotive force)的推动下向前运动，在靶的后表面形成一个热电子云，而等离子体中较重的离子则几乎不动。这种电荷分离会产生一个强电场(鞘层电场的量级为1012V/m)来加速质子。质子一般来源于金属靶背的含氢涂层或水蒸气，在强电场的作用下电离产生质子。鞘层电场的强度正比于E∝ (nhTh)1/2，其中nh为热电子数密度，Th为热电子温度。
为了增强鞘层电场，可以使用超强激光或延长激光脉冲时间来增加靶后的电子密度，但超强激光系统复杂、庞大、昂贵、难以实现。在不增加激光强度的情况下，通过改变靶型能够改善离子束的质量。在前人的一些工作中，设计了特殊结构或特殊表面的靶，以吸收更多的激光能量或抑制质子束发散，如凹形靶前表面、纳米条纹靶、锥形靶、伞状靶和漏斗状后表面。但是激光加速中所采用的靶的厚度一般为微米或纳米级别，将如此薄的靶加工成合适的形状具有很大的难度。因此，有必要在传统平板靶的基础上探索提高质子束品质的方法。
发明内容
发明人经过长期研究发现：提高靶背的电子云密度是提升质子束品质的关键，能够提高质子束的能量，针对现有技术对激光强度的依赖，发明人通过改变激光与靶的作用方式，能够在不提高激光峰值强度和不改变靶型的前提下，提高靶背的电子云密度，从而改善质子束的品质。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法，包括如下步骤：
S1:预脉冲激光正向入射在金属靶的前表面，将所照射区域加热成等离子体；
S2:预脉冲激光照射后，正向激光I21作为主脉冲，正向入射在已经离化的金属靶的前表面，其特征在于，激光的有质动力将推动等离子体中质量较轻的电子至高速，电子穿透靶区来到靶背，等离子体中质量较大的金属离子则停留在靶区；
S3:反向激光I22以与正向激光I21相反的方向，从靶背照射到靶的背表面，反向激光的入射时间比正向激光的入射时间落后Δt，Δt 的取值范围为4-10fs，反向激光I22的强度，即所占正向激光的比例a，反向激光I22＝a I21，a的取值范围为0.1-0.6。
优选的，步骤S3中，最优选的，反向激光I22＝0.2I21，即a＝0.2 时，且Δt＝8fs。
一种实现于权利要求1-2中任一项所述的方法的激光加速装置，该装置包括激光器，靶体，探测器，其特征在于：所述激光器的个数为两个或两个以上，激光器用于发射正向激光或反向激光，所述靶体包括靶前的金属层和靶后的氢膜层，正向激光从靶前照射到靶的正表面，反向激光从靶背以不同的强度和入射时间照射到靶的背表面，所述的激光器为强度大于或者等于1018W/cm2的超强激光器。
优选的，所述的激光器为两个，分别设置在靶体的前后，靶前的激光器入射预脉冲激光和正向激光，靶后的激光器入射反向激光。
优选的，所述激光器为两个且均设置在靶体的一侧，还包括设置在靶体另一侧的反射器，其中一个激光器入射预脉冲激光和正向激光，另一激光器经反射器发射后入射反向激光。
优选的，所述靶体的金属层材质为铝，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为4μm，厚度为100nm.
优选的，所述靶体的氢膜层材质为水，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为3μm，厚度为30nm，覆盖在靶的后表面。
优选的，所述正向激光为线偏振激光，以I21表示，激光峰值强度为I21＝1.0×1019W/cm2，激光为高斯包络，激光脉冲的半高全宽 FWHM是t1＝20fs，激光焦斑直径FWHM为3μm。
优选的，所述反向激光为线偏振激光，以I22表示，激光峰值强度为I22＝aI21，其中a的取值范围为0.1-0.6，激光为高斯包络，激光脉冲的半高全宽FWHM是t1＝(20-Δt)fs，激光焦斑直径FWHM为 3μm。
本发明的有益效果是：
当反向激光满足a＝0.2，且Δt＝8fs时,反向激光的有质动力能够抑制靶背热电子的正向膨胀，使电子云集中分布在靶背表面附近特定位置，从而提高靶背鞘层电场的强度，从而提高质子的能量，同时降低质子的发散角度。
附图说明
图1是激光与靶相互作用的传统方式:采用一束主激光脉冲照射平面靶的前表面。
图2是本申请提出的激光与靶相互作用的新方式:两束激光分别以不同的强度和入射时间，照射平面靶的前后表面。
图3是最大质子能量随反向激光入射时间的变化规律(两束激光与靶相互作用的情况下(点状线)，最大质子能量随反向激光入射时间的变化规律，反向激光强度设置为主脉冲激光的0.2倍。黑色方块表示传统一束激光与靶相互作用的情况)。
图4是质子束平均发散角随反向激光入射时间的变化规律(两束激光与靶相互作用的情况下(点状线)，质子束平均发散角随反向激光入射时间的变化规律，反向激光强度设置为主脉冲激光的0.2 倍。黑色方块表示传统一束激光与靶相互作用的情况)。
图5是单束激光与靶相互作用时，质子束平均发散角和最大能量随主脉冲激光强度变化的情况(在单束激光与靶相互作用时，质子束平均发散角和最大能量随I11/I21的变化情况。平均发散角和最大能量均随主脉冲激光强度的增强而变大)。
图6是电子电荷密度沿靶纵轴的分布随反向激光引入时间的变化情况(电子电荷密度沿靶纵轴在200fs时的分布。其中分图(a) 为单束激光情况，分图(b)-(f)为两束激光情况，激光I22的入射时间分别为1、4、6、8、10fs。在激光作用之前的靶前表面位于y＝0 处)。
图7是质子平均发散角和最大能量随反向激光强度的变化情况 (在两束激光情况下，质子平均发散角和最大能量随I22/I21的变化。反向激光I22的强度是主脉冲激光I21的0.1到1倍。反向激光的入射时间为8fs)。
图8是电子电荷密度沿靶纵轴的分布随反向激光强度的变化情况(两束激光情况下，电子电荷密度沿靶纵轴在200fs时的分布。分图(a)-(f)分别对应反向激光I22的强度是主激光I21的0.1,0.2, 0.4,0.6,0.8和1.0倍时的情况。反向激光的入射时间均为8fs)。
图9是质子束最大能量随反向激光的入射时间的变化情况，其中不同的曲线代表不同强度的反向激光。可以看出，当反向激光的入射时间在4-10fs之间，反向激光的强度a在0.1-0.6之间时，质子束的最大能量比传统的一束激光情况有所改善。
图10是质子束平均发散角随反向激光的入射时间的变化情况，其中不同的曲线代表不同强度的反向激光。可以看出，在图9的改善范围内，质子束的平均发散角均小于传统一束激光的情况。
图11为本发明的方法框图。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
如图2所示，一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法，包括正向激光、反向激光和靶体之间的相互作用，所述两束激光分别从靶前和靶背以相反的方向、不同的强度和入射时间照射到靶的正表面和背表面。区别于传统的激光与靶相互作用方式，即采用一束主激光脉冲照射平面靶的前表面，如图1所示。图1和图2中靶体的结构、材质、尺寸相同，所述靶体包括金属层和氢膜层，金属层材质为铝，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为4μm，厚度为100nm；体的氢膜层材质为水，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为3μm，厚度为30nm，覆盖在靶的后表面。
传统方式中，靶首先被预脉冲激光离化而成等离子体，随后主脉冲激光I11与等离子体相互作用。激光的有质动力推动等离子体中的电子向靶背运动，而靶中的离子则几乎保持不动。电子达到靶背后形成电子云，与离子分离而形成一个强大的电场。该电场能将靶背较轻的离子如质子加速，从而得到高能质子束。但由于电子云的纵向发散和横向发散，导致质子束的能量不高，发散角度大。本申请采用另外一束峰值强度小于正向激光的反向激光，在正向激光入射后的特定时间，从靶背入射至靶背表面。反向激光的强度和入射时间不同，对靶背电子云的分布会造成不同的影响，从而进一步影响质子束的品质。发明人经过反复模拟计算，优选反向激光I22＝0.2I21，即为正向激光强度的0.2倍，且Δt＝8fs,即反向激光比正向激光晚8fs入射时，其有质动力能够抑制靶背热电子的正向膨胀，使电子云集中分布在靶背表面附近特定位置，从而提高靶背鞘层电场的强度，从而提高质子的能量，同时降低质子的发散角度。
本实施例中，正向激光的峰值强度为I21＝1.0×1019W/cm2,反向激光峰值强度为I11＝aI21，其中a为可调节的参数。正向激光入射时，靶已在预脉冲激光的作用下成为等离子体，Al层的电离度为10，电离的Al离子密度为20nc，电子密度为200nc，其中nc＝ meω0 2/4πe2为等离子临界密度，氢层的等离子密度为np＝ne＝nc，初始电子和离子温度分别为5.0keV和1.0keV。
作为对比，图1中传统的一束激光与靶相互作用时，I11＝I21，靶初始条件也与图2中相同。模拟结果显示传统方式下质子束的最大能量为7.59MeV，平均发散角为26.43°。在两束激光与靶相互作用的情况下，照射到靶前表面的激光I21的强度与激光I11相同，而从靶后方反向入射的激光I22的强度设置为I22＝0.2I21。对于反向激光I22的入射时间，分别设置为1、2、4、6、8、10fs。上述情况的最大质子能量随反向激光入射时间的变化如图3所示。红点线表示两束激光与靶相互作用的情况，黑色方块表示传统一束激光的情况。两束激光情况下的6个仿真结果中，有4个比传统情况有改善，分别对应于4、6、8和10fs。能量改善最显著的是8fs时，质子最大能量为10.56MeV。这是由于反向激光的有制动力抑制了靶后方热电子的正向膨胀。如果反向激光提前入射(1,2fs)，热电子的加速也会提前被抑制。导致电子云没有处于加速质子的最佳位置，质子的加速也被抑制。如果反向激光入射太迟(10fs)，电子云鞘层已经形成，因此反向激光对电子云位置的贡献很小。此时，鞘层电场和质子能都没有得到改善。
质子束的平均发散角由下式定义：
其中N为总的质子数，θi＝arctan(Vx/Vy)为单个质子的发散角，Vx和Vy分别为质子的横向速度与纵向速度。质子平均发散角随反向激光入射时间的变化如图4所示。红点线表示两束激光与靶相互作用的情况，黑色方块表示传统一束激光的情况。两束激光情况下的6个仿真结果中，所有的发散角都比单束激光的情况有所减小。当反向激光引入时间为8fs时，平均发散角为24.48°，略小于单束激光情况下的26.43°。如果反向激光入射较早(1,2fs)，则电子的加速被提前抑制，电子云的发散也被抑制，导致质子的平均发散角度减小。如果反向激光入射较晚(8,10fs)，电子云就会达到高速并横向发散。此时，反向激光对发散角的影响较小。尽管如此，电子云的纵向分布虽然能够由两束相对的激光控制，但横向分布没有得到改善。因此，当入射时间为8fs时，质子的能量虽然增加，但散度没有受到明显的抑制。但发散角仍然略小于单束激光的情况。这说明在不增加激光峰值强度的情况下，质子束的品质得到了改善。
作为比较，发明人还对单束激光情况下，激光脉冲强度I11＝I21 +I22时进行了模拟。质子平均发散角和最大能量相对于I11/I21的变化情况如图5所示。黑色的正方形代表角度，蓝色的三角形代表能量。可以发现，发散角和最大能量都随着激光强度I11的增强而变大。这是由于随着主脉冲激光强度的增强，热电子运动速度加快，分布范围扩大。由电子云产生的鞘层电场在纵向和横向上均有增强。因此，随着质子能量的增加，其发散角也增大。所以，图5中所有的情况都不能在提高质子能量的同时抑制发散角。
为了说明反向激光对电子和质子加速的影响，图6对比了200 fs时的热电子沿靶纵轴的电荷密度分布。Q的定义是某个位置周围一个元胞内的电子电荷总量；图6(a)为单束激光情况的电子纵向分布。它表明,电子密度的峰值出现在靶背2μm处。也有一些电子分布在靶背表面和2μm之间。只有少量电子分布在靶前表面。图6(b)-(f) 为两束激光情况下的电子纵向分布，反向激光I22的入射时间分别为 1、4、6、8和10fs。如果反向激光入射过早(1fs),可以发现,电子密度的峰值降低,并且2μm和靶背表面之间的电子也削弱了,而更多的电子处于靶的前方。这是由于反向激光入射过早，此时电子更容易受到影响，所以反向激光会将速度较慢的电子推向靶的前方。不幸的是，靶前的电子对质子的加速没有贡献，甚至会起到反作用。
在图6(c)中,由于反向激光的入射时间向后延迟到4fs，电子密度的峰值已经从2μm移动到了1μm处。与单束激光的情况相比，靶前的电子没有增加，这更有利于质子加速。在图6(d)和(e)中，反向激光的入射时间分别再次延迟到6fs和8fs,它们的电子密度的峰值都集中在2μm和1μm之间。特别是当入射时间为8fs时，两个电子密度峰值都很强，这对质子加速非常有利。从图6(f)中可以看出，电子纵向分布与单束激光的情况非常相似。这是由于反向激光入射时间太晚(10fs)，电子在主激光I21的作用下达到了高速。由于入射时间较晚，反向激光对热电子的减速效应较小，所以电子分布受反向激光的影响很小。此时，反向激光对质子加速的贡献较弱。
为了找出质子束对反向激光强度的依赖关系，采用了固定强度的正向激光和可变强度的反向激光照射靶的两侧。反向激光I22的强度是正向激光I21的0.1到1倍。图7展示了在两束激光情况下，质子平均发散角和最大能量随I22/I21的变化，反向激光的入射时间设置为8fs。结果表明，只有在几个特定的反向激光强度(0.2、0.4 倍的I21)下才能提高质子能量，减小发散角。相反，当反向激光的强度持续增大时，虽然质子发散被抑制，但质子能量也迅速减小。因为当反向激光强度较小时，对电子云的聚集效应不明显。当反向激光过强时，一些电子会被推到靶的前面。只有在适当的强度下，才能使电子集中在靶体的背面，从而改善质子的加速情况。
为了找出反向激光强度对电子分布和质子加速的影响，图8(a) -(f)对比了不同反向激光强度下200fs时的电子纵向分布。反向激光I22的强度分别是正向激光I21的0.1、0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 倍。反向激光的入射时间设置为8fs。在图8(a)中，反向激光的强度较小(0.1I21)，因此对电子云分布的影响不明显。电子云密度的峰值是在靶背2μm处,其余的电子分布在靶背和2μm之间。其分布特性与电子在没有反向激光情况下的分布相似。在图8(b)中，反向激光强度为0.2I21,电子云密度的峰值出现在2μm和1μm处。表明电子分布相对集中，有利于质子的加速。
在图8(c)和(d)中,由于反向激光强度的增加(0.4I21,0.6I21)，一部分电子离开了两处峰值(2μm和1μm)并且回到靶内(0μm)。这部分电子对质子的加速没有贡献。在图8(e)和(f)中，电子密度的峰值在0μm处，表明此时的反向激光对聚集电子有不利影响。因为反向激光的强度较大(0.8I21,1.0I21)，大部分电子被反向激光的有质动力推回靶内，只有一小部分电子留在靶背。所以，电子鞘层所产生的电场非常弱，只能将质子加速到很小的能量。
由图3和4可知，当反向激光的强度a＝0.2时，对于反向激光的入射时间在4-10fs之间的情况，质子束的品质有所改善。在此区间内，质子的最大能量提升，发散角减小。由图7可知，当反向激光的入射时间8fs时,对于反向激光的强度a在0.1-0.6之间的情况，质子束的品质有所改善。图9和图10分别给出了反向激光的入射时间在1-10fs的范围内，反向激光a在0.1-0.6之间的质子束能量和发散角的变化情况。可以看出，当反向激光的入射时间在4-10fs之间，反向激光的强度a在0.1-0.6之间时，质子束品质相对于传统一束激光的情况(a＝0)均有所改善，即最大能量提升，发散角减小。
综上所述，本申请所采用的反向激光抑制了靶背热电子的正向膨胀，形成了更加集中的电子云鞘层，从而有利于质子的加速。一方面，反向激光的入射时间不宜过早，否则一些热电子会被推到靶体前方，从而削弱靶体后方的鞘层电场；反向激光的入射时间也不能太迟，否则热电子已经达到高速，反向激光对电子分布的影响就不能达到理想的效果。另一方面，反向激光的强度不能太弱，否则聚集电子的效果不明显；反向激光的强度也不能太大，否则会有很多电子被推回到靶内。反向激光的最佳入射时间为正向激光入射后8fs，反向激光最佳强度为正向激光的0.2倍。在该参数下，靶背的热电子在正向激光和反向激光的共同作用下，集中分布在2μm和1μm处，从而改善了鞘层电场和质子的加速过程。最佳参数下的质子最大能量和平均发散角分别为10.56MeV和24.48°。与单束激光的情况相比(7.59MeV, 26.43°)，质子束的品质有所提高。质子最大能量提高了约1.4倍，发散角减小，即在不增加激光峰值强度的情况下提高了质子束的质量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法，包括如下步骤：
S1:预脉冲激光正向入射在金属靶的前表面，将所照射区域加热成等离子体；
S2:预脉冲激光照射后，正向激光I21作为主脉冲，正向入射在已经离化的金属靶的前表面，其特征在于；
S3:反向激光I22以与正向激光I21相反的方向，从靶背照射到靶的背表面，反向激光的入射时间比正向激光的入射时间落后Δt，Δt的取值范围为4-10fs，反向激光I22的强度，即所占正向激光的比例a，反向激光I22＝a I21，a的取值范围为0.1-0.6。
2.根据权利要求1所述的一种用于提高激光与靶相互作用中质子束品质的方法，其特征在于，步骤S3中，最优选的，反向激光I22＝0.2I21，即a＝0.2时，且Δt＝8fs。
3.一种实现于权利要求1-2中任一项所述的方法的激光加速装置，该装置包括激光器，靶体，探测器，其特征在于：所述激光器的个数为两个或两个以上，激光器用于发射正向激光或反向激光，所述靶体包括靶前的金属层和靶后的氢膜层，正向激光从靶前照射到靶的正表面，反向激光从靶背以不同的强度和入射时间照射到靶的背表面，所述的激光器为强度大于或者等于1018W/cm2的超强激光器。
4.根据权利要求3所述的激光加速装置，其特征在于：所述的激光器为两个，分别设置在靶体的前后，靶前的激光器入射预脉冲激光和正向激光，靶后的激光器入射反向激光。
5.根据权利要求3所述的激光加速装置，其特征在于：所述激光器为两个且均设置在靶体的一侧，还包括设置在靶体另一侧的反射器，其中一个激光器入射预脉冲激光和正向激光，另一激光器经反射器反射后入射反向激光。
6.根据权利要求3或4或5所述的激光加速装置，其特征在于：所述靶体的金属层材质为铝，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为4μm，厚度为100nm。
7.根据权利要求3或4或5所述的激光加速装置，其特征在于：所述靶体的氢膜层材质为水，形状为平板状，正面为正方形，宽高均为3μm，厚度为30nm，覆盖在靶的后表面。
8.根据权利要求3或4或5所述的激光加速装置，其特征在于：所述正向激光为线偏振激光，以I21表示，激光峰值强度为I21＝1.0×1019W/cm2，激光为高斯包络，激光脉冲的半高全宽FWHM是t1＝20fs，激光焦斑直径FWHM为3μm。
9.根据权利要求8所述的激光加速装置，其特征在于：所述反向激光为线偏振激光，以I22表示，激光峰值强度为I22＝aI21，其中a的取值范围为0.1-0.6，激光为高斯包络，激光脉冲的半高全宽FWHM是t1＝(20-Δt)fs，激光焦斑直径FWHM为3μm。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN113108899A (zh) * | 2021-04-08 | 2021-07-13 | 中山大学 | 近地空间等离子体与激光相互作用地面模拟研究装置 |
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2020
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