激光驱动离子加速的实时在线探测器原型

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在激光驱动粒子加速研究中，实现高重复频率正逐渐成为重点方向。经过近年来的发展，激光技术已经可以保证几十赫兹的重频，到靶的激光条件也可以保持高强度和良好的稳定性，而制靶方面也在开发能够连续运行的方案。与此同时，发展激光-物质相互作用诊断系统的实时在线探测能力也是至关重要的。

通过激光加速产生的离子往往具有较宽的能谱，粒子数量随能量增加而减少。因此，开发在线诊断系统的挑战来自于对高能量分辨率、灵敏度和动态范围的需求。此外，该系统也需要对强激光与物质相互作用时产生的射频-微波波段的强电磁脉冲（EMPs）具有高抑制能力。

飞行时间（ToF）技术可以用于实时表征激光等离子体相互作用过程中加速的带电粒子，与半导体探测器耦合，可以实现高分辨率、高灵敏度的粒子能量分布测量。单晶体金刚石作为ToF探测器时，可保证高时间分辨率，从而能够以极高的精度和能量分辨率诊断粒子能谱。然而，典型的单晶金刚石面积较小（5 mm × 5 mm），严重限制了激光打靶实验中探测覆盖的立体角，导致探测系统整体灵敏度降低。事实上，高灵敏度离子诊断是准确获得激光加速粒子最大能量的基本要求，特别是在粒子通量较低的情形下，如在低速聚变反应实验中。

为了满足这些需求，在High Power Laser Science and Engineering 2022年第1期的文章(M. salvadori et al., Time-of-flight methodologies with large-area diamond detectors for ion characterization in laser-driven experiments [J]. High Power Laser Science and Engineering, 2022, 10(1): 010000e6)中，意大利ENEA （国家新技术、能源和可持续经济发展局）研究人员展示了开发的新探测器原型。该传感器基于商用150 µm厚的高质量（II-a电子级）大面积（15 mm × 15 mm）多晶金刚石结构，可实现高灵敏度和动态范围，同时保持良好的时间分辨率。

PHELIX激光撞击固体目标表面触发TNSA机制的示意图。离子由聚晶金刚石检测，聚晶金刚石适当屏蔽EMP，产生高信噪比的TOF信号

大面积传感器的使用扩大了立体角覆盖范围，显著提高了探测器的灵敏度，但另一方面，也使探测系统更容易与电磁脉冲耦合。为此，研究人员一直致力于设计传感器的外壳，以实现对电磁脉冲的抑制，其中还包括用于抑制低能电子的偏置栅极。该探测器已用于在PHELIX激光装置（∼100 J,= 750 fs,∼(1-2.5) × 10¹⁹ W/cm², GSI, Germany）上粒子加速实验的快速表征。在该实验中，电磁脉冲的强度由磁场探头监测，电场估计超过100 kV/m。多晶大面积金刚石探测器确实能够提供将EMP噪声水平降低到可忽略不计的信号（估计信噪比为17.6 dB），因此非常适合在涉及强激光与物质相互作用的典型极端环境中使用。

ENEA的F. Consoli博士认为，这种先进的飞行时间诊断对于实时准确的离子表征非常重要，例如法国阿波罗计划(= 15 fs, = 150 J, 10 PW)和捷克共和国极端光设施(= 150 fs, = 1.5 kJ, 10 PW)等具备重频能力的新激光装置，以及目前在建的新激光设施都具有非常重要的意义。

编辑 | 周琦雅

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