DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02505-0
تاريخ النشر: 2024-05-13
المؤلف: Tim Ziegler وآخرون
الموضوع الرئيسي: تفاعلات الليزر والبلازما والتشخيصات
الطرق
في هذه الدراسة، تم إجراء تجارب باستخدام نظام الليزر DRACO-PW في مركز هيلمهولتز في دريسدن-روسندورف، وهو ليزر من نوع التيتانيوم-الزفير (Ti:Sa) بطول موجي مركزي يبلغ 810 نانومتر. يتميز النظام بمرحلتين من تضخيم النبضات المتذبذبة، مما يولد نبضات ليزر بمدة 30 فيمتوثانية وطاقة قصوى تبلغ 22.4 جول على الهدف. تم قياس تباين النبض الزمني ليكون أقل من $10^{-12}$ عند 100 بيكوثانية وأقل من $10^{-6}$ عند 10 بيكوثانية. تم تركيز نبضات الليزر، المقطوعة في اتجاه p، باستخدام بارابولا خارج المحور f/2.3 لتحقيق حجم بقعة يبلغ 2.5 ميكرومتر (عرض كامل عند نصف الحد الأقصى)، مما يركز 32% من إجمالي الطاقة ويؤدي إلى كثافة ذروة تقدر بـ $6.5 \times 10^{21} \, \text{W cm}^{-2}$ (مع $a_0 \approx 55$).
تم توجيه الليزر نحو أفلام بلاستيكية من Formvar (C$_5$H$_8$O$_2$، الكثافة $\approx 1.2 \, \text{g cm}^{-3}$، $n_e = 230 n_c$) بسمك يتراوح من 210 إلى 270 نانومتر، تحت زاوية سقوط مائلة تبلغ 50°. تم التقاط الضوء الأساسي لليزر الذي مر عبر الهدف بواسطة شاشة سيراميكية measuring 16 cm × 16 cm، موضوعة على بعد حوالي 33 سم من الهدف. ثم تم تصوير هذا الضوء على كاشف CMOS مكمل مضبوط، تم تصفيته إلى عرض نطاق يبلغ 800 ± 25 نانومتر.
المناقشة
في قسم المناقشة، يوضح المؤلفون المنهجيات المستخدمة لتشخيص الجسيمات والمحاكاة العددية في دراستهم لمجموعات الإلكترونات المسرعة. تم استخدام جهازين طيفيين للجسيمات المستهدفة (TPS) موضوعة عند زوايا 15° و 45° بالنسبة لمحور الليزر لقياس طيف طاقة البروتونات والأيونات، محققين طاقة بروتون قابلة للكشف تبلغ 7 ميغا إلكترون فولت. تأثرت دقة الطاقة بأحجام الثقوب في TPS، مع عدم يقين يتراوح بين ±4% إلى ±10% لأقصى طاقات بروتون تبلغ 60 ميغا إلكترون فولت و 150 ميغا إلكترون فولت، على التوالي. شملت طرق الكشف الإضافية قياسات زمن الطيران (TOF) والكشف عن الجسيمات بدقة مكانية باستخدام جهاز قياس شعاع البروتون، مما سمح بفصل البروتونات بناءً على الطاقة من خلال استخدام ماصات ذات سماكات متغيرة.
كما استخدم المؤلفون المحاكاة العددية لنمذجة الإعداد التجريبي، مستخدمين كود FLASH لمحاكاة الديناميكا المائية لتوسع الفيلم من نوع Formvar الناتج عن الليزر وكود PIConGPU لمحاكاة الجسيمات في الخلايا بشكل كامل النسبي. قدمت هذه المحاكاة رؤى حول ملفات الكثافة والتفاعلات خلال نبضة الليزر، مع مطابقة المعلمات مثل حجم بقعة الليزر الغاوسي وملف الكثافة الزمني بعناية مع البيانات التجريبية. بشكل عام، ساهم الجمع بين تقنيات التشخيص المتقدمة والنمذجة العددية القوية في فهم شامل للآليات الكامنة وراء عمليات التسريع التي لوحظت في التجربة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41567-024-02505-0
Publication Date: 2024-05-13
Author(s): Tim Ziegler et al.
Primary Topic: Laser-Plasma Interactions and Diagnostics
Methods
In this study, experiments were conducted using the DRACO-PW laser system at Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, which is a titanium-sapphire (Ti:Sa) laser with a central wavelength of 810 nm. The system features two chirped pulse amplification stages, generating laser pulses with a duration of 30 fs and a maximum energy of 22.4 J on-target. The temporal pulse contrast was measured to be less than $10^{-12}$ at 100 ps and less than $10^{-6}$ at 10 ps. The laser pulses, polarized in the p-direction, were focused using an f/2.3 off-axis parabola to achieve a spot size of 2.5 µm (full-width at half-maximum), concentrating 32% of the total energy and resulting in an estimated peak intensity of $6.5 \times 10^{21} \, \text{W cm}^{-2}$ (with $a_0 \approx 55$).
The laser was directed at Formvar plastic foils (C$_5$H$_8$O$_2$, density $\approx 1.2 \, \text{g cm}^{-3}$, $n_e = 230 n_c$) with thicknesses ranging from 210 to 270 nm, under an oblique incidence angle of 50°. The fundamental laser light that passed through the target was captured by a ceramic screen measuring 16 cm × 16 cm, positioned approximately 33 cm from the target. This light was then imaged onto a calibrated complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) detector, filtered to a bandwidth of 800 ± 25 nm.
Discussion
In the discussion section, the authors detail the methodologies employed for particle diagnostics and numerical simulations in their study of accelerated electron bunches. Two Target Particle Spectrometers (TPS) positioned at angles of 15° and 45° relative to the laser axis were utilized to measure proton and ion energy spectra, achieving a minimal detectable proton energy of 7 MeV. The energy resolution was influenced by the pinhole sizes of the TPS, with uncertainties of ±4% to ±10% for maximum proton energies of 60 MeV and 150 MeV, respectively. Additional detection methods included time-of-flight (TOF) measurements and spatially resolved particle detection using a proton beam profiler, which allowed for the separation of protons based on energy through the use of absorbers of varying thicknesses.
The authors also employed numerical simulations to model the experimental setup, utilizing the FLASH code for hydrodynamic simulations of the laser-induced expansion of a Formvar foil and the PIConGPU code for fully relativistic particle-in-cell simulations. These simulations provided insights into the density profiles and interactions during the laser pulse, with parameters such as the laser’s Gaussian spot size and temporal intensity profile being carefully matched to experimental data. Overall, the combination of advanced diagnostic techniques and robust numerical modeling facilitated a comprehensive understanding of the mechanisms underlying the acceleration processes observed in the experiment.