倾听质子之声：激光加速质子的声学检测

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激光加速质子：高功率激光系统的突破与应用

在过去的几十年中，高功率激光系统已经成为各种应用科学的研究焦点，全球已有超过50套峰值功率在200 TW以上的系统在运行或者在规划、建设阶段。这些系统的一个跨学科应用就是通过将激光聚焦到靶上来加速带电粒子，如质子或离子。相比于射频（radiofrequency, RF）加速，在等离子体中使用激光加速可以产生高能质子束，后者往往具有极高的峰值流强度。由高功率激光系统驱动的高能质子源，在放射生物学、核天体物理学和材料科学等领域正逐渐展现出其巨大的应用潜力。这种新型粒子加速方法的一大特点是能在极短的距离内加速大量的质子，将有利于科学家探索前所未有的研究领域。

然而，为了有效地利用这些被加速的质子，我们必须详细地了解每个质子束的特性：质子能被加速到何种能量水平？质子束的尺寸有多大？每个质子束包含了多少粒子？慕尼黑大学高级激光应用中心（CALA）的Jörg Schreiber教授领导的研究团队正在研究这些问题，他们采取了一种独特且直接的方法——通过“倾听”质子的“声音”来探测并分析质子束的特性。

相关研究成果发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第3期。

（S. Gerlach, F. Balling, A. K. Schmidt, F. E. Brack, F. Kroll, J. Metzkes-Ng, M. Reimold, U. Schramm, M. Speicher, K. Zeil, K. Parodi, J. Schreiber. Three-dimensional acoustic monitoring of laser-accelerated protons in the focus of a pulsed-power solenoid lens[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(3): 03000e38.）

声波探测：从质子之声洞察其特性

研究团队从慕尼黑出发，前往亥姆霍兹-德累斯顿-罗森多夫(Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, HZDR)，利用DRACO激光器进行实验。这台强大的激光器能够在30 fs内产生20 J的能量，峰值功率达到约1 PW。当激光击中塑料薄片时，会瞬间产生等离子体，并加速质子束。经过激光加速的质子束的能量可以达到 70 MeV 以上，并以光速百分之几的速度传播。为了深入分析这些激光加速的质子束的特性，研究团队开发了一种名为离子束能量声学追踪（I-BEAT）的新方法，用于测量质子在水中停止时所产生的声波。他们设计了包含一升水的探测器，可以将高速运动的质子减速直至停止。在这个过程中，质子会产生声波信号。研究人员在水体周围放置多个超声波传感器，这些传感器如同环绕声音箱向观众播放音频一样，从多个角度“倾听”来自质子的声波。这样，他们就能从多个方向获取到质子发出的声音信息，以此来获取质子的能量分布、质子束在空间中的位置和大小，以及质子束中质子的数量等关键信息。实验装置示意图及I-BEAT 3D探测器如图1所示。在真空室中，激光（洋红色）聚焦到薄箔靶（黑色）上，质子从该靶上加速（灰色）。能量选择螺线管 S1 将质子聚焦到空气中的一个点。质子要么通过配备飞行时间光谱仪（time-of-flight, TOF，粉色）和电离室（ionization chamber, IC，黄色）的孔径，要么通过具有可变直径的准直器（绿色）。最后，质子到达位于电动载物台上的 I-BEAT 3D 探测器。I-BEAT 3D由一个尺寸为16 cm×14 cm×10 cm的铝盒组成，里面装满了水，周围有四个超声波传感器（棕色，三个可见），质子通过厚度为50 µm的聚酰亚胺薄膜（kapton）入射窗进入其中。

图1 实验装置示意图（非比例）及I-BEAT探测器

传感器记录的离子声学信号如图2所示。t=0 µs位置对应于激光与目标相互作用的时刻。红色曲线显示压力脉冲的单周期性质，黑色曲线显示幅度包络。由轴向传感器记录的包络用于推断轴向质子束特性，来自横向传感器的包络用于测量横向束特性。通过采用一种简化且高效的数据过滤分析方法，可以直接从四条声学轨迹中准确地获取质子束的平均能量、能量范围、横向定位、横向大小以及质子束中的粒子总数。

图2 轴向传感器（a）和右侧横向传感器（b）记录的离子声信号

I-BEAT探测器能够迅速地揭示粒子特性，得益于其先进的电子数据采集技术和专业的读出算法。在质子撞击探测器后，我们可以即时获取相关信息。这种实时反馈对于优化加速机制至关重要，因为它能让我们立即了解激光与等离子体交互时的加速过程。

研究团队通过I-BEAT 3D信号分析了质子束的轴向和横向特性。图3详细展示了质子束的轴向属性。结果显示，在11.4 T和13.8 T的磁场条件下，所得到的平均能量结果高度一致。图3(a)展示了质子束的平均能量与螺线管磁场值之间的关系。为了准确比较TOF和I-BEAT 3D的数据，研究团队考虑了两者之间的能量损耗，并详细描述了磁场和能量的不确定性。经过修正，TOF与I-BEAT 3D的平均能量数据在允许的误差范围内高度吻合，其绝对偏差仅为0.8 MeV。此外，图3(b)表明，I-BEAT 3D信号宽度与质子束平均能量之间的变化呈现出明显的抛物线趋势。

图3（a） 质子束的平均能量与螺线管磁场值之间的关系（b） I-BEAT 3D 信号宽度与平均能量的关系

图4展示了质子束的横向属性。从图4(a)的I-BEAT 3D信号中，可以看到横向束位置与预期的偏差不超过0.4 mm（红线表示空间分辨率极限），进一步印证了测量的高准确度。电离声信号宽度与准直器尺寸之间的关系如图4(b)所示，当准直器尺寸增加时，离子声信号宽度也呈现出明显的增加趋势。

图4（a）I-BEAT 3D测量的质子束位置与平台位置的关系，图中红色部分是分辨率极限。（b）横向信号大小与准直器大小的关系

总结与展望

在高功率激光系统的研究与应用中，激光加速质子技术日渐受到科学家的青睐。I-BEAT 3D检测方法不仅有望作为激光离子加速器的光束监测器，而且在FLASH放射治疗的临床前阶段和实际临床应用中也展现了巨大的应用前景。这项创新性的技术将为我们提供更为直接和高效的手段来分析激光加速的质子束特性，它的实时反馈机制对于优化激光加速质子技术至关重要，能够提供关于激光与等离子体相互作用的即时信息，从而帮助研究者更快速、更准确地了解和调控加速过程。

展望未来，随着激光技术和声波探测技术的进一步发展和完善，我们有理由相信，激光加速质子与其相关的探测方法将在各个科研领域中得到更广泛的应用。此外，随着I-BEAT技术的进一步优化，未来可能会开发出更为高效、灵敏和实用的声波探测器，为激光加速质子技术的研究和应用提供更为坚实的基础。

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编辑 | 周琦雅

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