快速更换的胶带靶材，巧破重频质子源装置困局

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高重频是激光加速器走向未来的关键

作为探索微观世界奥秘的利器，超强激光能够在极短的时间尺度内释放出有限的能量，在等离子体中实现电子束流的加速。研究证明，当激光器输出光强达到相对论强度（10¹⁸ W/cm²）时，超强激光将能够驱动靶材原子核外电子发生定向加速运动，最终可使电子束流获得趋近光速的速度。激光驱动粒子加速装置的加速梯度，最高可达传统加速器的一百万倍，有望大幅减小加速器的占地面积，被认为是实现紧凑型高能粒子束流最具前景的发展方向。

图1 激光（红色）从气体中剥离出电子，并对其实现加速驱动

（图片来源：SciTech Daily）

在过去十年的研究中，焦耳级高重频（≥0.1 Hz）激光器在驱动质子加速领域内的作用愈发凸显：高重频激光器为MeV量级质子束的产生奠定了技术基础，大幅提升了束流的稳定性，也为探测性实验提供更多的数据。尽管目前最高只能实现10 Hz的激光驱动，但未来光源必将向100 Hz乃至更高水平发展。值得思考的是，提升驱动激光重频，也必将使靶材面临更加严苛的损伤考验。与其他靶材相比，胶带靶的使用成本通常更低，同时能够保证作用过程的不透明性，这一点将有助于提高粒子之间相互作用与加速过程的稳定性。如果用户选择长时间运行设备，使得激光脉冲数以百万计数轰击靶材，那么更换靶材的经济成本与技术难度，就成为了设计者需要考虑的重要问题。

当激光在靶材中紧聚焦传输，光束瑞利长度通常会小于10 μm，这就对靶材更迭系统在高速运行状态下的固有定位抖动量，以及连接结构的稳定性等因素提出了严峻考验。因此，如何提升靶材的更新速率，如何保证更换靶材前后输出质子束流的稳定性与可重复性，成为了问题的关键。近日，一支由伦敦帝国理工学院与贝尔法斯特女王大学研究人员所组成的团队，针对上述技术挑战，设计并实现了一种适用于激光驱动加速装置的新型高稳定性胶带靶传送装置，成功实现了对等离子体靶材的及时替换。

成果发表在High Power Laser Science and Engineering2023年第2期，(N. Xu, M. J. V. Streeter, O. C. Ettlinger, H. Ahmed, S. Astbury, M. Borghesi, N. Bourgeois, C. B. Curry, S. J. D. Dann, N. P. Dover, T. Dzelzainis, V. Istokskaia, M. Gauthier, L. Giuffrida, G. D. Glenn, S. H. Glenzer, R. J. Gray, J. S. Green, G. S. Hicks, C. Hyland, M. King, B. Loughran, D. Margarone, O. McCusker, P. McKenna, C. Parisuaña, P. Parsons, C. Spindloe, D. R. Symes, F. Treffert, C. A. J. Palmer, Z. Najmudin. Versatile tape-drive target for high-repetition-rate laser-driven proton acceleration[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(2): 02000e23)。

快速更换靶材，磁带式传输结构巧破难题

研究人员首先论述了胶带靶设计时所需考虑到的技术因素，例如选择驱动靶材来旋转切换电机及其工作模式、装置模态与稳定性分析、装置制造及表面处理工艺等。由于现成商用伺服电机编码模块容易受到强电磁脉冲的干扰，因此该工作的驱动单元选择了相对更加稳定、角分辨率更高、成本也更低的步进电机，最终实现类似传统磁带牵引胶带靶切换坏点的运动。对比市场上常见的几种电机驱动器控制芯片，研究人员最终选择了基于TMC2208芯片组的电机驱动器。据悉，该模块能够在最大程度上避免谐波失真、时序抖动性过大以及过量热量堆积等负面因素的发生。如图1(a)所示，电机启动（黄色虚线）前后，装置发生的机械抖动量极其有限，这一点证明了微步进电机运行过程中的稳定性；而通过有限元模态相应分析，如图1(b)所示，研究人员也对驱动源频率对结构稳定度的影响进行论证。在对结构稳定性进行充分分析后，研究人员最终设计了如图1(c)所示的胶带靶驱动传输装置。

图2 (a)基于Precitec CHRocodile的装置稳定性测量结果；(b)胶带靶驱动器的有限元模态响应分析；(c)装置实物图（左：侧视图；中：正视图；右：胶带切换效果示意）

随后研究人员对胶带靶驱动装置实际的稳定性表现进行了深入表征。需要注意，传统接触式测量设备会给胶带传输结构施加额外的应力，最终导致结构发生形变；在非接触式测量方案中，无需繁杂校准操作、受环境噪声影响较小的商用Precitec CHRocodile 探头便成为了不二之选。Precitec CHRocodile本质上是一个共聚焦白光探头，其能够提供亚微米量级的分辨率。在该项工作中，通过高倍显微镜与白光干涉相结合方式对胶带表面形态进行检测，如图3(a)所示。通过对不同类型、厚度材料传动时驱动器位置变化情况、不同传动速度及胶带长时间传动稳定性的记录，研究人员充分证明了该装置的技术优势，结果如图3(b)~图3(d)所示。测试表明，该装置极其适合胶带靶的长时高速传动，当胶带传动速度达128 mm/s时，装置整体所产生的抖动量仅为0.71 μm。

图3 (a)对胶带表面形态的观测（左：光学显微镜；右：白光干涉）；(b)对不同材料传动稳定性的测试；(c)对不同传动速度下装置稳定性的测试；(d)对装置长时工作稳定性的测试

此外，该研究团队还在卢瑟福·阿普尔顿实验室所提供的Astra Gemini TA2装置中，基于真实激光驱动等离子体加速条件（激光光强为4×10¹⁹ W/cm²、重频为1~5 Hz、单脉冲能量为400 mJ），对胶带驱动靶进行了工作测试。如图4(a)所示，该测试装置终端连接了一个基于永磁体的电子能谱仪，以对出射电子能谱进行表征。同时，该团队还采用飞行时间质谱仪对质子的空间分布状态进行了观测，并得到了质子谱，如图4(b)所示。测量结果表明，激光与等离子体相互作用会导致质子束通量发生一定的波动。为了确保胶带靶与激光相互作用的最佳位置，研究人员将胶带靶与一个三轴位移台相连接，通过Z轴方向的运动扫描，最终得到了电子能谱图如图4(c)所示，进而证明了基于该装置产生MeV量级电子束流的可能性。最终，该装置在无人为干预的情况下，稳定运行逾70000次，这也再次证明了该装置的长时稳定性。

图4 (a)测试装置布局示意；(b)飞行时间质谱仪所得质子谱；(c)电子束能谱图

总结与展望

研究人员基于步进电机与类磁带式的结构，设计并实现了一种新型可驱动胶带坏点切换的靶装置，并在卢瑟福·阿普尔顿实验室中进行了实际验证测试，最终取得了预期的指标。该装置为高重频激光电子装置中靶结构的设计，提供了新的思路。

文章合作者之一，来自贝尔法斯特女王大学的Charlotte Palmer博士评论道：“高重频驱动光源为激光等离子体的实验提供了更多的实验数据，使得我们能够以更高的分辨率探索质子加速机制，并研究质子束稳定性的依赖因素；我们的工作演示了一种具有全新结构的胶带靶，其将为实现科研、工业以及医疗保健应用的高重频激光驱动质子源装置提供有力支持。”

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编辑 | 周琦雅

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高功率社区新闻速递：

1. 意大利国家光学研究所Leonida A. Gizzi博士领导的ILIL实验室加入Laserlab-Europe AISBL，ILIL将在欧洲尖端激光技术领域建立合作网络。

2. Laserlab-Europe AISBL选举CLF的领导John Collier为新任执行主任。

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