质子偏转法用于电容线圈靶的磁场测量

强磁场被广泛应用于高能量密度物理领域。例如,利用强磁场可以有效地捕获聚变产生的α粒子和热电子,从而创造更好的点火条件;在引导带电粒子束、产生高功率圆偏振激光脉冲和减少反向受激拉曼散射等研究中,空间均匀的强磁场是实验的关键条件之一。

近期,来自英国约克大学的研究人员P. Bradford等发表在High Power Laser Science and Engineering 2020年第2期的论文(P. Bradford, M. P. Read, M. Ehret, et al. Proton deflectometry of a capacitor coil target along two axes[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2020, 8(2): 02000e11)中,报道了一种激光驱动电容靶产生准静态磁场的实验方案,并利用两束质子束对其进行诊断。结果显示,该装置产生了皮秒-纳秒量级且具有良好空间均匀性的强磁场。

如图1所示,实验中一束“长脉冲”激光作用于电容靶,驱动电容线圈产生强电流,进而激发强感应磁场。另有两束激光分别打在沿轴和垂直于轴方向的质子靶上,通过靶后鞘层加速(TNSA)机制得到质子束,用于电容线圈的磁场诊断。

图1 驱动电容线圈工作的环境实物图(辐射变色薄膜(RCF)在图外;在质子箔和电容线圈之间安装了金网,用于质子图像中的视觉参考)

该实验装置的特点有:1)使用RCF成像方法获得两个方向上质子束的能量分布图像,通过相关计算,可以得到电容线圈靶中磁场强度的三维分布信息;2)通过在沿轴方向上测量网格的变形量,并结合垂直于轴方向上的空洞直径和导线厚度,可以得到一个相对准确的磁感应强度,同时屏蔽了电场的干扰;3)允许在相同条件下从两个方向测量电磁场,规避了场的几何形状不均匀和两发激光之间的参数误差。

如图2所示,通过比较垂直于轴方向上的RCF图像和模拟图(仅有磁场)可知,直径为1 - 2 mm的单环线圈在t > 0.8 ns时,可以产生约5 kA的电流,相应在线圈中心的感应磁场可达6 T - 3 T。在前期研究中发现,电容靶工作时会在线圈附近有负电荷的积累,从而形成电场影响到产生空洞的大小。因此在模拟中引入了电场,结果显示在直径为1 mm的单环线圈周围电荷量的分布上限为-10 nC,最大产生约15 kA的电流。此外值得注意的一点是,质子束的旋转角度并不受发散角和电场的明显影响,这保证了环路磁场的测量有效。这一结论适用于电流小于10 kA的所有直径的单环线圈。

图2 在垂直于轴方向上的RCF图像和模拟图(仅有磁场)。(a)1 mm直径的单环线圈;(b)2 mm直径的单环线圈。

考虑到导线上正电荷的上限,研究人员得到了结论:在1 - 2 mm直径的电容线圈中可以实现J = 3 – 5 kA的峰值电流,这和基于电容线圈设计的激光二极管的数据相吻合。根据这一结论,研究人员认为在强激光(I=10^16-10^17 W?cm^(-2))条件下,使用亚毫米直径的单环线圈有望得到约100 T的磁场。

最后,研究人员展望了后续的升级研究工作。后期将在模拟中添加电容靶电流和电荷的非均匀分布因素,使得模拟参数更加接近于真实的电容线圈工作环境,从而有助于得到更加完善的电容线圈靶的工作参数。