[논문 리뷰] Characterization and performance of the Apollon Short-Focal-Area facility following its commissioning at 1 PW level

K. Burdonov, A. Fazzini외 46명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 03.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 1 PW 피크 전력에서 단축 초점 영역(SFA) 빔라인을 갖춘 Apollon 레이저 시설의 총검 결과를 제시한다. 이 빔라인은 10 J, 24 fs 펄스를 높은 공간적 및 시간적 안정성으로 제공하며, 효율적인 레이저-타겟 결합을 실현하여 강력한 입자 가속과 강력한 전자기파 펄스 생성을 가능하게 한다. 성능은 세계적 선도 시설과 유사하다.

ABSTRACT

We present the results of the first commissioning phase of the ``short focal length'' area (SFA) of the Apollon laser facility (located in Saclay, France), which was performed with the first available laser beam (F2), scaled to a nominal power of one petawatt. Under the conditions that were tested, this beam delivered on target pulses of 10 J average energy and 24 fs duration. Several diagnostics were fielded to assess the performance of the facility. The on-target focal spot, its spatial stability, the temporal intensity profile prior to the main pulse, as well as the resulting density gradient formed at the irradiated side of solid targets, have been thoroughly characterized, with the goal of helping users design future experiments. Emissions of energetic electrons, ions, and electromagnetic radiation were recorded, showing good laser-to-target coupling efficiency and an overall performance comparable with that of similar international facilities. This will be followed in 2022 by a further commissioning stage at the multi-petawatt level.

연구 동기 및 목표

• Apollon 레이저 시설의 단축 초점 영역(SFA) 빔라인의 1 PW 피크 전력에서의 총검 후 성능를 특성화하기 위해.
• 미래 사용자 실험을 위해 타겟 상의 레이저 강도, 초점 영역 안정성 및 시간 프로파일을 평가하기 위해.
• 에너지가 높은 전자, 이온 및 전자기 복사 측정을 통해 레이저-타겟 결합 효율을 평가하기 위해.
• 미래 고강도 레이저-물질 상호작용 실험을 위한 종합적인 진단 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• Apollon 레이저 시스템의 F2 빔라인이 1 PW 피크 전력에서 작동하여 10 J 펄스를 24 fs 지속시간으로 제공하였으며, 6시간 동안 1.5% rms 강도 안정성을 확보하였다.
• 52개 액추에이터를 갖춘 적응 광학을 통해 약 70%의 Strehl 비율을 달성하여 높은 빔 품질을 확보하였다.
• 다양한 진단 장비를 도입하였으며, 수소원판은 프로톤 탐지용, 스펙트론 플레이트는 빔 반사 영상용, 공간 해상도를 갖춘 집중 스펙트로미터는 레이저 스펙트럼 측정용으로 사용하였다.
• 전기장과 자기장을 고시간 해상도로 진공 챔버 내에서 측정하기 위해 D-dot 및 B-dot 센서를 사용한 전자기장 프로브를 적용하였다.
• 고조파 생성(HHG) 진단을 통해 고체 타겟에 조사된 레이저 스펙트럼을 캡처하였다.
• GEANT4 시뮬레이션을 사용하여 중성자 생성 및 스크린티레이터 반응을 모델링하여 시간 도달 검증을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Apollon SFA 빔라인이 1 PW에서 타겟 상의 강도와 시간 프로파일은 어떠한가?
• RQ2 장시간 운영 중 초점 영역과 레이저 빔의 안정성은 어떠한가?
• RQ3 에너지가 높은 전자, 이온 및 전자기 복사 생성에 있어 레이저-타겟 결합 효율은 어떠한가?
• RQ4 측정된 전자기파 펄스(EMP) 특성은 시뮬레이션 및 예상치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 진단 세트의 성능은 핵심 레이저-플라즈마 상호작용 매개변수를 캡처하는 데 어떻게 작용하는가?

주요 결과

• Apollon SFA는 1 PW 피크 전력에서 10 J, 24 fs 펄스를 6시간 동안 1.5% rms 강도 안정성으로 제공하여 안정적인 작동을 확인하였다.
• 적응 광학을 사용하여 약 70%의 Strehl 비율을 달성하여 높은 빔 품질과 위상면 보정의 효과성을 입증하였다.
• 라디오크로믹 필름을 통해 최대 28 MeV의 에너지를 가진 프로톤을 탐지하여 고체 타겟에서의 효율적인 이온 가속을 확인하였다.
• D-dot 및 B-dot 프로브를 사용하여 현장에서 전자기파 펄스(EMP)를 측정하였으며, 약 1.5 µs에 명확한 신호 피크가 관측되어 중성자 시간 도달 시뮬레이션과 일치하였다.
• 고조파 생성 진단을 통해 상대론적 레이저-플라즈마 상호작용과 일치하는 넓은 스펙트럼을 확인하였다.
• OTR 영상 측정을 통해 타겟 상의 레이저 초점의 공간 프로파일을 확인하였으며, f/6 이미징 파라볼로이드의 제한된 해상도로 인해 더 큰 초점 크기를 관측하였다.