星光III 裝置上材料動態壓縮過程的激光質子照相實驗研究*

黃華 李江濤 王倩男 孟令彪 齊偉 洪偉 張智猛 張博 賀書凱 崔波 伍藝通張航 吉亮亮 周維民 胡建波?

1) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,等離子體物理實驗室,綿陽 621900)

2) (中國工程物理研究院流體物理研究所,沖擊波物理與爆轟物理重點實驗室,綿陽 621900)

3) (寧波大學,沖擊與安全工程教育部重點實驗室,寧波 315211)

4) (中國科學院上海光學精密機械研究所,上海 201800)

在星光III (XGIII)裝置上發展了一種基于質子照相的材料動態密度測量方法,該方法以星光III 裝置皮秒激光打靶產生的質子作為質子源,對在星光III 裝置納秒束沖擊加載下的晶格泡沫的密度分布進行診斷,利用蒙特卡羅模擬方法對照相結果進行反解獲得晶格泡沫的密度.利用該方法,成功獲得了沖擊加載5.2 ns后晶格泡沫以及其中沖擊波的質子照相圖像.通過圖像反解,獲得了沖擊加載下晶格泡沫的密度分布,在沖擊波前沿位置,晶格泡沫的密度由于壓縮而增大了約20 倍;同時,通過對照相結果的反解,還給出了沖擊波在晶格泡沫中的傳播速度,約40 km/s.利用金剛石臺階客體對該方法的相對密度分辨率和空間分辨率進行標定,實驗結果表明兩者分別好于4%和12 μm.為了進一步提升星光III 裝置質子照相的密度和空間分辨率,提出了一種利用選能器獲得準單能質子束進行照相的方法,并使用蒙特卡羅程序對該方法的分辨率進行了模擬驗證.模擬結果顯示,使用單能質子束能將相對密度分辨率提升至1%以上.通過上述實驗以及模擬工作,在星光III 裝置上建立起了針對快過程(納秒尺度)、高壓力(近百GPa)條件下的材料動態密度診斷能力.

1 引言

材料動態加載下的密度分布在沖擊壓縮過程中可以直接反映材料的彈塑性轉變、相變、層裂以及狀態方程等信息,是沖擊動力學研究中的一個核心物理量,對其進行精確測量在沖擊動力學、天體物理、航空航天、工業生產、裝甲防護以及慣性約束聚變等領域是一個重要的研究方向及慣性約束聚變等領域是一個重要的研究方向變等領域是一個重要的研究方向[1,2].然而在傳統的材料沖擊動力學診斷研究中,材料的密度作為體參量均是通過表面/界面運動速度經理論分析獲得,缺乏一種針對密度的直接診斷方法,導致在材料的沖擊動力學過程分析中必須做出如下假設: 1)材料內部必須是均勻的,不存在孔隙、材料偏析或多相共存等介觀甚至偏宏觀的結構不均勻性;2)沖擊加載過程必須是理想的平面沖擊波,不存在沖擊波陣面偏斜、匯聚或發散等情況.這些較強的假設嚴重限制了傳統沖擊動力學研究方法在真實材料中的應用并對沖擊動力學實驗方法提出了較高的要求.在這種情況下發展材料動態密度的直接診斷方法成為材料沖擊動力學研究的一種客觀需求.

隨著高功率激光技術的發展,短脈沖激光產生的X 射線光子束、質子束在材料沖擊動力學診斷研究中表現出巨大的應用前景.雖然基于脈沖X 射線的材料密度動態成像技術自上個世紀40 年代曼哈頓工程以來得到了數次階躍式的發展[3,4],但是由于其自身無法同時兼顧亮度和空間分辨率的固有特點,使得該技術在面對較厚客體時表現出一定的不足[5].這種情況下激光質子束成像相對于X 射線光子束成像表現出不可替代的優越性.在原理上,激光質子照相利用了離子在物質中能損存在布拉格峰的特點,使得質子照相具備了極高的密度分辨能力和穿透力[6];此外,激光質子源具有源尺寸小、脈寬短、亮度高等優點,使得激光質子照相技術同時具備極高的時空分辨能力[7,8].

雖然激光質子照相在材料動態密度測量方面有著不可替代的優越性,但是國內外基于激光質子照相的動態密度測量研究仍僅限于少量的一些研究報道.其中,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory,LANL)將基于散列中子源的質子照相裝置pRad 與輕氣炮裝置相結合,用于開展氣炮加載下材料動態密度的診斷研究,獲得了以鋁、銅、鐵、鈰等金屬為代表材料的高壓狀態方程數據[9,10].而美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Lawrence Livermoor National Laboratory,LLNL)和法國的強激光應用實驗室(Laboratoire Pour L’utilisation des Lasers Intenses,LULI)等則將皮秒激光裝置產生的質子束與納秒激光驅動的動態加載過程相結合,利用蒙特卡羅模擬給出了材料在動態壓縮后的密度[11].英國盧瑟福實驗室在2010 年演示了利用質子照相對溫稠密物質中沖擊波的密度分布進行診斷的實驗,并成功獲得了沖擊前沿的位置和密度信息[5],但實驗結果的密度分辨能力有限,信噪比較差,使得密度反解的準確性有待提升.OMEGA 裝置上也開展過類似實驗,如Hua 等[12]在2017 年利用質子照相研究了沖擊波在低密度氣體中的傳播行為,但由于電磁場和密度都對質子照相結果有影響,使得在照相結果解讀上存在困難.也有研究者嘗試過將質子照相與X 射線成像結合起來,分別利用兩者的優勢提升照相質量,如Ostermayr 等[13]就于2020 開展過這樣的實驗,在靜態客體上獲得了較好的空間分辨能力,但卻未給出該方法在激光動態加載時的有效性.國內關于該方向的實驗研究較少,主要工作都集中于激光聚變研究中心、流體物理研究所和上海激光等離子體研究所的相關研究團隊.但到目前為止,上述國內研究團隊報道的工作主要是將質子照相技術用于電磁場的診斷,而將之用于材料的動態密度測量的報道比較缺乏[14].

通過以上分析發現,利用激光質子照相對極端條件下物質密度診斷的研究仍然存在照相結果信噪比較差、密度分辨能力有待提升等問題.國內將質子照相技術應用于材料動態診斷的研究報道較少,相關的研究結果與國際前沿水平有一定差距.基于激光質子照相技術在材料動態密度診斷中的重要價值及國內外研究現狀,本文報道了在星光III裝置上開展的利用激光質子照相技術對納秒激光動態加載下的材料密度診斷實驗研究,獲得了沖擊加載下材料的密度分布,且相對密度分辨率和空間分辨率分別好于4%和12 μm .同時提出一種進一步提升照相結果信噪比的實驗方法,并用蒙特卡羅模擬方法進行了驗證.

2 實驗原理與方法

低能質子在物質中主要發生以下兩種相互作用: 被原子核庫侖散射以及與核外電子的庫侖作用.在這些作用下,質子束會發生能量損失,其能損可由Bethe-Bloch 理論進行描述[15]:

本次實驗在中國工程物理研究院激光聚變研究中心的星光III (XGIII)裝置上開展,實驗布局如圖1(a)所示.利用激光與平面靶作用產生質子束,對客體進行點投影成像,并使用輻射變色膜(radiochromic dosimetry film,RCF,型號HD-V2,Ashland)組成的堆棧進行記錄,其后放置湯姆孫譜儀測量質子能譜.質子源與照相客體的距離約6 mm,與RCF堆棧距離約6 cm,使得整個成像系統的放大倍數約為10.本次實驗的質子源由星光III 裝置的皮秒束轟擊 10 μm 厚的銅平面靶產生.皮秒激光的波長為1053 nm,脈寬約0.7 ps,能量約80 J,聚焦后的光學焦斑的半高全寬(full width at half maxima,FWHM)值為20 μm,能量集中度50%,可估計出對應的功率密度約為2×1019W·cm—2.皮秒激光加速質子的典型實驗結果如圖1(b)所示,根據質子束對RCF的穿透能力判斷質子的能量最高可達20 MeV,根據RCF 上信號的強度分布判斷不同能量段質子的角度發散特征近似滿足高斯分布,并且隨著質子能量增加高斯分布半高寬逐漸減小.另外,通過湯姆孫譜儀對質子的能量分布進行診斷發現,其截止能量約18 MeV,溫度平均約為2.5 MeV,如圖1(c)所示,符合靶背鞘場加速機制的基本特征.照相客體包括兩種: 靜態金剛石臺階靶和沖擊過程作用下的晶格泡沫靶(以下簡稱沖擊靶).金剛石臺階靶由三級金剛石臺階組成,在質子傳播方向的厚度分別約為260,290 和 310 μm,其余兩個方向的長度均約為250 μm,該客體用來對質子照相的空間和密度分辨率做標定.沖擊靶由燒蝕層和晶格泡沫組成.燒蝕層由碳氫層和鋁層組成,兩者尺寸均為1 mm×1 mm×10 μm .晶格泡沫通過3D 打印聚乙烯酸甲酯(塑料)制備而成,由直徑為20 μm的塑料球按簡單立方格點進行排列,格點間距為55 μm,近鄰塑料球之間通過直徑 3.5 μm的塑料棒進行連接.整個晶格泡沫尺寸為0.55 mm×0.55 mm×0.6 mm(壓縮方向的尺寸為0.6 mm),等效密度約為0.02 g/cm3.晶格泡沫在光學顯微鏡下的照片如圖2 所示.在進行動態成像時,XGIII 裝置的納秒束垂直于沖擊靶的燒蝕層入射,并在晶格泡沫中驅動出沖擊波.裝置的納秒束為方波,波長527 nm,脈寬約2 ns,輸出能量約60 J,采用CPP束勻滑之后的焦斑約1 mm.使用束勻滑是為了使納秒束的焦斑與燒蝕層的尺寸匹配,以對晶格泡沫進行準一維壓縮.納秒激光的燒蝕壓可由(2)式進行估計:

圖1 (a) 實驗布局示意圖;(b) RCF 堆棧獲得的質子角分布;(c) 湯姆孫譜儀測得的質子能譜Fig.1.(a) Schematic diagram of the experimental setup;(b) measured angular distribution of the protons by RCF;(c) measured proton spectrum by the Thomson parabolic spectrometer.

圖2 晶格泡沫光學顯微鏡照片Fig.2.Optical microscope image of the lattice foam.

其中IL是納秒激光的強度,λ是激光波長,估算可得到納秒激光的燒蝕壓約為60 GPa,足以對晶格泡沫進行有效壓縮.

為了從RCF 診斷圖像獲得沖擊加載下晶格泡沫密度分布,首先采用FLASH 二維流體模擬程序,按照實驗使用的激光和靶參數,對納秒激光驅動的晶格泡沫動態加載過程進行模擬,獲得質子照相診斷時刻晶格泡沫的密度分布;進而使用Geant4蒙特卡羅程序,模擬具有圖1(b)和圖1(c)所示能譜和角分布的質子束在穿過FLASH 模擬得到的晶格泡沫密度分布后在RCF 上所成圖像.通過與實驗對比進行密度分布參數迭代,并最終確定晶格泡沫在動態加載過程中的密度分布信息.

3 實驗結果

3.1 靜態實驗結果

在XGIII 裝置上開展了對靜態金剛石臺階靶的質子照相實驗,目的是使用臺階靶對XGIII 皮秒質子照相的密度分辨率進行測試.受限于金剛石臺階的加工精度,三級臺階的面密度差最高僅能到達4%.對金剛石臺階靶的質子照相結果如圖3 所示.在第14 片RCF (對應的質子能量約為12 MeV)上獲得了較為清晰的金剛石臺階質子照相圖像,如圖3(a)所示.圖3(a)中黑色虛線框為臺階靶在RCF 上的成像區域(與其垂直的未變色矩形區域為支撐金剛石臺階的靶桿),圖3(b)為該區域放大后的圖像.將圖3(b)中黑色虛線框區域的灰度值提取出來,如圖3(c)中的黑色實線所示.該條曲線展現出三個明顯的臺階,若取灰度“刀邊”(兩級臺階連接部分)的中間值作為臺階邊界,則可估計第I,II,III 級臺階范圍分別為: 第I 級臺階像的范圍在 0—0.32 cm 之間,換算得到的寬度為0.32 mm ;第II 級臺階像的范圍在 0.32—0.62 cm 之間,換算得到的寬度為0.3 mm ;第III 級臺階像的范圍在0.62—0.8 cm之間,換算得到的寬度為0.18 mm .

圖3 靜態質子照相實驗結果 (a) 第14 片RCF 上獲得的金剛石臺階圖像;(b) 圖(a)中黑色虛線框區域的放大圖像;(c) 圖(b)中黑色虛線框部分的灰度值曲線;(d) 金剛石臺階的光學顯微鏡圖像,圖中的黑色箭頭表示質子傳播方向.圖中的四條豎直紅色虛線為根據圖(b)中灰度曲測得的三級金剛石臺階的邊界Fig.3.Results of static proton radiography experiment: (a) Image of the diamond steps obtained on the 14 th RCF;(b) enlarged image of the black dotted box area in panel (a);(c) gray value curve of the part of black dotted box in panel (b);(d) optical microscope image of the diamond steps with the black arrow indicating the direction of proton propagation.The four vertical red dotted lines in the figure are the boundaries of the three diamond steps measured according to the gray value in panel (b).

圖3(d)給出了金剛石臺階的光學顯微鏡圖像(圖中黑色箭頭標識出質子傳播方向),并測得三級臺階的寬度分別為273.3,240.2 和 257.7 μm .對比質子照相測得的臺階尺寸與光學顯微鏡測量結果發現,質子照相給出的第I,II 級臺階的寬度要略高于光學顯微鏡的結果,而第III 級略低.這是由于在實驗時,并不能保證質子束垂直穿過臺階,二者存在一定的夾角,使得各級臺階與質子源所張立體角與理論設計存在偏差,造成測量結果出現誤差.同時,使用刀邊法對質子照相結果的空間分辨率進行了表征,給出了圖3(c)中三級臺階連接處的兩條刀邊的空間分辨率分別為79 和12 μm .通過對以上靜態照相結果的分析可得出以下結論: 質子照相的結果比較清晰地給出了三級臺階的邊界,說明XGIII 裝置的皮秒質子束照相技術能夠達到好于4%的密度分辨率和12 μm的空間分辨率.

3.2 動態加載實驗結果

在驗證了質子照相的分辨能力之后,進行了動態成像實驗.納秒動態加載的實驗結果如圖4(a)所示.圖4(a)展示了第6 片RCF (對應的質子能量約7.2 MeV,相應的飛行時間約0.2 ns)上的質子陰影圖像,該圖像所示時刻為納秒激光發射后5.2 ns.圖中可以發現納秒激光與沖擊靶的燒蝕層相互作用產生反沖等離子體云,反沖等離子體產生的沖擊波對晶格泡沫進行沖擊壓縮,形成了一個近似球面的沖擊波陣面,但是波陣面弧度較小,仍能做準一維壓縮的近似.結合沖擊波陣面的位置與壓縮前晶格泡沫上表面的位置,可以計算出沖擊波陣面移動的距離約為0.2 mm;結合皮秒診斷光相對于納秒加載光5 ns的延時以及7.2 MeV 質子到靶所需要的0.2 ns 飛越時間,可以估算出沖擊波速度約為38.5 km/s.

圖4 (a) 第6 片RCF (對應質子能量7.2 MeV)上,納秒激光壓縮后的沖擊靶質子圖像,采集于納秒激光發射后5.2 ns;(b)二維柱對稱FLASH 程序模擬得到的5.2 ns 時刻的燒蝕靶密度分布,模擬參數為: 納秒激光為脈寬2 ns的方波,能量60 J,焦斑1 mm,燒蝕靶的參數與第2 節給出的光學顯微鏡測量結果一致,初始位于 200—800 μm,0—200 μm為鋁基底;(c) 黑色實線為圖(a)黑色方框區域的灰度值隨位置的變化關系,黑色虛線為利用蒙特卡羅方法模擬質子穿過圖(b)中得到的密度分布后在第6 片RCF 得到的灰度曲線;(d) 黑色線為圖(b)中 x=512 μm 線上的密度分布,紅色虛線為相應位置處靶的初始密度分布Fig.4.(a) Proton image on the 6th RCF (corresponding to proton energy 7.2 MeV),showing the density profile of the ablated target compressed by the nanosecond laser at t=5.2 ns after the nanosecond laser emission.(b) Density distribution of the ablation target at 5.2 ns simulated by the FLASH code.The simulation parameters are as follows: the nanosecond laser is a square wave with pulse width of 2 ns,energy of 60 J and focal spot of 1 mm;the parameters of the ablation target are consistent with the experimental parameters given in section 2.The target locates initially between 200 and 800 μm,and the aluminum base occupies the space of 0—200 μm .(c) The solid black line is the gray value in the area indicated by the black box in panel (a),the dotted black line is the gray value obtained in the 6th RCF after the Monte Carlo method is used to simulate protons passing through foam with the same density profile shown in panel (b).(d) the black line indicates the density distribution on x=512 μm in panel (b),and the dotted red line is the initial density distribution of the target at the corresponding position.

從RCF 圖像上不但能獲得沖擊波陣面的位置信息以及沖擊波速度,還能獲得壓縮后的沖擊靶的密度分布,這需要利用密度反解算法獲得.具體的做法是使用流體模擬程序獲得納秒加載下的靶密度分布,將此密度分布輸入蒙特卡羅模擬程序可獲得質子穿過客體后在RCF 上產生的灰度值,通過調節參數使模擬得到的灰度值曲線與RCF 上的灰度曲線相符合,則認為流體程序給出的密度分布便是真實的沖擊靶密度分布.根據該反解思路,本文使用二維柱對稱FLASH 流體模擬程序[16—18]和Geant4 蒙特卡羅程序進行數值模擬.考慮到實驗中納秒激光采用了CPP 束勻滑技術,其對晶格泡沫的壓縮可以近似為準一維的;同時,在這樣的打靶條件下,電磁場對照相結果的影響是可以忽略的[5].在不考慮電磁場的情況下,本文采用的打靶位型具有柱對稱性,所以結合該對稱性分析以及我們所關心的物理量,使用柱坐標系的二維FLASH 程序可以對該打靶過程進行描述.使用Geant4 模擬照相時刻時使用的質子穿透方向的厚度為550 μm,即靶的初始厚度.原因在于結合對稱性及圖4(a)所示的照相結果來分析,直到照相時刻,靶在橫向上均無明顯膨脹.最終FLASH 模擬給出的5.2 ns 時刻的沖擊靶密度分布如圖4(b)所示.此時實驗測得的RCF 上的灰度曲線與模擬得到灰度曲線的對比如圖4(c)所示,可以看到二者基本符合,特別是沖擊前沿的位置(灰度曲線的最大值處),模擬結果幾乎重現了實驗結果.這說明FLASH 流體模擬得到的密度分布已十分接近真實值.為了計算模擬得到的沖擊波速度,在圖4(d)給出了圖4(b)中x=512 μm線上t=0 和t=5.2 ns 時刻的密度分布以推算沖擊波速度.從圖4(d)可以清楚地看到: 燒蝕層被納秒激光加熱膨脹產生的低密度等離子體向外延伸了近 200 μm ;向外噴射的等離子體反沖產生的沖擊波穿過燒蝕層后,在晶格泡沫中前沿已到達x ≈625 μm 處,可判斷出沖擊波在5.2 ns 內運動了約 175 μm,由此可簡單估計出模擬得到的沖擊壓縮速度約為33.7 km/s,與實驗測得的38.5 km/s也較為接近.這也從一個側面反映了模擬獲得的壓縮密度分布十分接近真實值.此外,還能從圖4(a)和圖4(b)中觀測到燒蝕層與支撐件之間有兩團向外飛散的等離子體,這是由于納秒激光的持續沖擊,分別從燒蝕層和靶的支撐件處產生了兩團對向運動的等離子體,二者在靶的中間位置附近相遇對撞,擠壓出兩團垂直于加載方向運動的等離子體射流.

4 討論

從前文介紹的實驗結果來看,雖然實驗獲得了沖擊波的密度、位置信息,但是照相結果的信噪比仍有提升的空間.本節提出一種基于XGIII 裝置利用磁譜儀獲得準單能質子進行照相的方案,有望進一步提升XGIII 裝置質子照相的質量,該方案布局如圖5 所示.該方案利用一臺磁譜儀對皮秒質子束進行選能(質子束經磁譜儀的準直孔入射后在磁場中發生偏轉,在磁譜儀后端特定位置設計出射口便可獲得特定能量的準單能質子束),然后再對客體進行成像.受限于磁譜儀出射孔加工精度的影響,獲得準單能質子束斑具有一定的能散,且束斑尺寸(lsource)也要略微大于TNSA 質子源的尺寸,而能散和束斑尺寸會對照相結果產生影響.使用Geant4 蒙特卡羅程序,對這兩個因素的影響進行了模擬研究.模擬使用的質子源能譜滿足高斯分布,即分布,即中心能量μ=10 MeV .根據文獻[19]的結果,XGIII裝置上選能系統獲得準單能質子的能散好于3%,故在模擬中使用了單能、σ=0.4 和0.8 MeV的三種質子能譜.質子束斑的大小也根據磁譜儀開口的尺寸 分別選擇了lsource=0,4,80 μm 三種情況.照相客體的密度分布如圖5 中黑色曲線所示(該曲線為FLASH 模擬得到的納秒激光加載于密度為0.2 g/cm3的晶格泡沫4.8 ns 后產生的密度分布.使用該密度分布是因為該曲線存在幾個有明顯差異的密度區間,便于展示準單能質子的密度分辨能力),尺寸為500 μm(x)×600 μm(y)×300 μm(z)(z為質子傳播方向),放置于距離質子源6 mm 處.記錄介質為RCF,放置于距源3 cm處,放大倍數為5.

圖5 準單能質子照相實驗排布示意圖Fig.5.Schematic diagram of the experimental setup using quasi-monoenergetic protons.

圖6 展示了模擬得到的不同能散的準單能質子穿過客體后在第2—5 片RCF 上的質子圖像.圖6(a)—(d)是使用Ek=10 MeV 單能的質子成像的結果.從圖6(a)可以發現,RCF 變色比較均勻,說明穿過不同密度客體后的質子在此片RCF 上沉積的能量相差不大.而從圖6(b)(第3 片RCF)可以看到,紅色虛線標識出的第3 號區域變色明顯比其他區域深,而在圖6(c)(第4 片RCF)中的3 號區域RCF 幾乎不變色,說明3 號區域的質子在第3 片RCF 上能量已損失殆盡.由此可以判斷,穿過3 號區域的質子的布拉格峰位置在第3,4 片RCF 之間.確定了布拉格峰的位置后可比較精確地確定質子所穿客體的密度約為0.65 g/cm3,這也是利用準單能質子成像的優勢之一.同時從圖6(e)給出的客體初始密度分布來看,3 號區域的質子穿過的是客體密度最高的區域.客體密度越高,質子能損越大,因而在能量相同的情況下,穿過高密度區域的質子布拉格峰的位置會在靠前的RCF 上出現,這與模擬結果是符合的.同樣地,結合圖6(c)和圖6(d)可分析出2 號區域為沖擊波前沿位置.其他如1 號未壓縮區域、4 號和5 號燒蝕等離子體噴射區域也可據此輕易地判斷出來.

圖6 不同能散下模擬得到的RCF 上的質子圖像 (a)—(d) Ek=10 MeV 第2—5 片RCF 上的質子圖像;(f)—(i)Ek=10 MeV,σ=0.4 MeV 時,第2—5 片RCF 上的質子圖像;(k)—(n) Ek= 10 MeV,σ=0.8 MeV 時,第2—5 片RCF 上的質子圖像.圖(e),(j),(o)為照相客體密度分布.紅色虛線標識出了RCF 圖像與客體密度區域的對應關系Fig.6.Simulated proton images on 2nd—5th RCF: (a)—(d) Ek=10 MeV ;(f)—(i) Ek=10MeV,σ=0.4 MeV ;(k)—(n)Ek=10 MeV,σ=0.4 MeV respectively.(e),(j) and (o) are the initial density distribution of the sample.The red dotted line indicates the corresponding relationship between the RCF image and the object density.

圖6(f)—(n)分別給出了σ=0.4 MeV 和σ=0.8 MeV 時的質子照相結果.可以看到隨著σ的增大,由于高能質子會在較低能量質子布拉格峰對應的RCF 上沉積一定的能量,使得圖像對比度變差.這可從圖7 給出的對不同能散下第4 片RCF 上的灰度曲線進行的定量分析中體現出來.以2 mm 位置處的“刀邊”進行分析,定義從波峰(peak)到波谷(trough)的灰度值(G)變化率為圖像的對比度C=(Gpeak?Gtrough)/Gpeak,并使用刀邊法來確定圖像的空間分辨率S.從圖7 可計算出單能時C=0.1;σ=0.4 MeV 時,C=0.07 ;σ=0.8 MeV時,C=0.04 .可見隨著隨著σ的增大,圖像對比度有所下降.但是由刀邊法測得的三種情況下的質子照相空間分辨率均約為27 μm,說明質子能散對照相結果空間分辨率的影響不大.但是通過對比圖6 給出的單能質子模擬結果和圖4(a)的實驗結果,發現即使使用σ=0.8 MeV的較大能散的準單能質子成像,也能獲得沖擊波的更多密度和位置的細節,相較于TNSA 指數譜質子直接成像具有更大的優勢.

圖7 圖6 中不同能散條件下第4 片RCF 上灰度值曲線及客體初始密度分布.黑色實線為單能質子算例,黑色點線為σ=0.4 MeV 算例,黑色虛線為σ=0.8 MeV 算例,紅色虛線為客體初始密度分布Fig.7.Gray value on the fourth RCF in Fig.6 with different energy spread and the initial density profile of the sample.The solid black line for the monoenergetic case,the black dotted line for the case with σ=0.4 MeV,the black dashed line for the case with σ=0.8 MeV and the red dashed line for the initial density profile of the sample.

源尺寸同樣也會影響照相質量.圖8 給出了點源、lsource=40 μm和lsource=80 μm 三種源尺寸情況下的照相結果,所使用的質子為Ek=10 MeV的單能質子.通過模擬結果可以看出,源尺寸大小對圖像的對比度影響并不大,即使源尺寸增加到lsource=80 μm 時,RCF 上仍能清晰分辨出質子在RCF 上對應的布拉格峰處沉積能量造成的強烈顏色變化.但是源尺寸的增加,對圖像邊界,也即空間分辨的影響較大.從模擬圖圖8(d)、圖8(h)和圖8(l)可以看到,當使用點源時,客體與真空的邊界是十分銳利的,但當源尺寸增加至lsource=80 μm 時,二者邊界已幾乎無法分辨.但仍可從布拉格峰的位置來反推客體不同密度區域的邊界,所以源尺寸增加造成的空間分辨率降低并不影響我們判斷沖擊波的位置信息.

圖8 不同源尺寸下模擬得到的RCF 上的質子圖像 (a)—(d) 點源照相獲得第2—5 片RCF 上的質子圖像;(e)—(h)lsource=40 μm時,第2—5 片RCF 上的質子圖像;(i)—(l): lsource=80 μm 時,第2—5 片RCF 上的質子圖像Fig.8.The simulated proton images on the RCF pieces with different source sizes: (a)—(d) Proton images on the 2—5 RCF pieces with a point source;(e)—(h) proton images on the 2—5 RCF pieces using a point 40 μm source;(i)—(l) proton images on the 2—5 RCF pieces using a point 80 μm source.

5 結論

本文報道了在星光III 裝置上開展的利用質子照相技術對靜態和沖擊加載下的材料密度進行診斷的實驗研究.通過對臺階狀金剛石靜態靶照相,得到質子照相的相對密度分辨能力優于4%,空間分辨能力優于12 m;通過時序控制納秒激光驅動的沖擊加載過程和皮秒激光驅動的質子束照相診斷,驗證了通過質子照相對材料的動態密度分布進行診斷的可行性,并結合蒙特卡羅和流體模擬方法,成功獲得了沖擊加載下晶格泡沫材料的密度分布和沖擊波速度,建立了用于材料的動態密度分布反演及診斷技術.為了進一步提升質子照相的診斷精度,提出了利用選能系統獲得準單能質子束進行成像的新方法,并通過蒙特卡羅模擬分析了源參數對照相分辨率的影響.模擬結果顯示,準單能質子照相技術相較于直接使用連續譜質子照相,能夠將密度分辨率提升至1%以上,并且照相結果的對比度能獲得極大的提升.

感謝激光聚變研究中心星光III 運維團隊為本次實驗提供的大力支持.