ARC实验超出预期

使用国家点火设施(NIF)高级射线能力(ARC)短脉冲激光进行的第一次质子加速实验 产生的质子能量比以前的经验预测高出约10倍(参见“ 强大的新来源”) - 能量质子 “)。

高能质子束可以精确定位，并且能够在材料膨胀之前快速加热。物质的超快加热将使前所未有的能量密度下的不透明度和状态方程测量成为可能，并且可以为研究极端物质状态的新方法打开大门，例如恒星和行星内部。质子加速还有望在高能量密度(HED)和惯性约束聚变(ICF)研究中实现各种其他应用。

在最近发表 的等离子体物理学 论文中，一个国际研究小组报告说，在2018年2月的实验中产生的最大质子能量 - 从14到18 MeV(百万电子伏特) - 是“指示(a)......电子加速机制维持长时间(多皮秒)时间尺度的加速，并允许质子能量远远超过质子加速(在ARC级强度)预测的成熟标度。

“与NIF相结合，”研究人员表示，“开发ARC激光驱动的离子加速功能将实现多种激动人心的应用。例如，NIF可以提供1.8 MJ(百万焦耳)的激光来驱动实验，并且使用高能质子束，我们可以通过使用质子射线照相来开始诊断这些实验中的电磁场。

该论文的第一作者，LLNL工程物理学家Derek Mariscal表示，ARC的准相对论性或“适度”激光强度的惊人结果 - 大约每平方厘米几十瓦(10 18)瓦 - “迫使我们试图了解这些来源在这些粒子中，我们最终发现，将粒子加速到MeV电子的不同机制对于解释结果是必要的。

“虽然我们还没有完全解释这种机制，”他说，“我们已经能够开始在先前的短脉冲工作中发现的折扣机制，开始研究如何获得这种意外的电子和随后的质子能量。

“这些结果不仅对ARC驱动的质子束非常有吸引力，”他补充说，“但是对于所谓的准相对论激光制度的粒子加速。”

ARC是一种petawatt(千万亿瓦)级短脉冲激光器，它通过将两个NIF的192个长脉冲光束分成四个矩形小光束而产生。使用2018年 诺贝尔奖获得的 称为啁啾脉冲放大的过程，小束被及时拉伸以降低其峰值强度，然后在激光放大器中的光学损伤阈值以下的强度下放大，最后压缩到皮秒(万亿分之一秒)脉冲长度和大型压缩机容器中的最高峰值功率，如本视频所示 。

在LLNL实验室指导研究与开发(LDRD)和NIF发现科学计划支持的实验中，两个ARC镜头被射到1.5×1.5毫米见方，33微米厚的钛箔上。以9.6皮秒脉冲输出约2.6千焦耳的能量，以1.6磅脉冲发射1.1千焦。二十年前首次在LLNL的Nova petawatt激光器上观察到的目标正常护套加速(TNSA)场，加速了来自富含质子的碳氢化合物和水的污染层的高能质子和离子，从而覆盖了目标的表面。

“我们计划在几个方向上采用这个平台，”马里斯卡尔说。“最明显的方向之一是用于探测由NIF长脉冲光束驱动的实验过程中产生的电磁场结构，自从这些质子束在大约20年前在新星petawatt激光器上发现这些质子束以来，它们已成为标准用途。 。

“除了使用质子束作为诊断工具外，”他说，“我们计划继续使用这些光束来创造高能量密度条件。由于我们能够产生大约50焦耳的质子束能量，如果我们可以将其沉积在10皮秒的时间尺度上，我们可以产生接近固体密度的等离子体，温度超过100 eV，这是一种真正奇特的物质状态，称为热的密集的物质。“

研究人员还在探索新的目标设计，这些设计可以增强ARC的激光强度，从而实现更高的质子能量，从而实现ICF实验的探测。通过改变ARC脉冲的长度，他们希望使用ARC激光束产生成形的短脉冲。

“用纳秒脉冲进行脉冲整形可以驱动材料中的精确冲击，用于研究材料的状态方程，但我们计划在亚皮秒水平使用这种思想来操纵粒子加速物理，”Mariscal说。“我们在罗彻斯特大学激光能量学实验室的OMEGA EP激光器上尝试了这种方案，并且通过单个短脉冲大大增强了激光耦合到高能粒子的能力。”

双质子束实验

额外的NIF射击将使用10皮秒的ARC光束来驱动一束质子，以便将固体样品快速加热到50 eV以上。同时，将使用更高强度的单皮秒ARC光束来产生第二质子束，该第二质子束将探测加热实验的电磁场结构。“这将最终帮助我们了解粒子如何以10皮秒的脉冲加速到MeV能量，”Mariscal说。

Mariscal在ARC诊断表和NIF ARC激光团队的建模支持下归功于“梦幻般的”诊断套件，使研究人员能够在ARC提供的这一新体制中学习“一些非常有趣的基本短脉冲驱动粒子加速物理学。

“由于所提供的ARC激光脉冲的高质量特性，我们对我们的解释给予了新的信心，”他说。“这使我们的物理团队能够准确地模拟实验的激光条件，并从有限的ARC激光实验总数中最大限度地理解。”