[论文解读] Laser-driven platform for generation and characterization of strong quasi-static magnetic fields

J. J. Santos, M. Bailly-Grandvaux+32 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2015

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用 8

一句话总结

本文展示了一种激光驱动平台，利用高强度500 J、1 ns激光脉冲在电容-线圈靶上产生最高达800 T的准静态磁场。通过三种独立诊断手段——B-dot探头、法拉第旋转效应和质子偏转法——实现了可重复、精确表征的磁场，激光到磁能的转换效率高达8.3%，建立了一种紧凑、全光学的高能量密度磁场研究方法。

ABSTRACT

Quasi-static magnetic-fields up to $800\,$T are generated in the interaction of intense laser pulses ($500\,$J, $1\,$ns, $10^{17}\,$W/cm$^2$) with capacitor-coil targets of different materials. The reproducible magnetic-field peak and rise-time, consistent with the laser pulse duration, were accurately inferred from measurements with GHz-bandwidth inductor pickup coils (B-dot probes). Results from Faraday rotation of polarized optical laser light and deflectometry of energetic proton beams are consistent with the B-dot probe measurements at the early stages of the target charging, up to $t\approx 0.35\,$ns, and then are disturbed by radiation and plasma effects. The field has a dipole-like distribution over a characteristic volume of $1\,$mm$^3$, which is coherent with theoretical expectations. These results demonstrate a very efficient conversion of the laser energy into magnetic fields, thus establishing a robust laser-driven platform for reproducible, well characterized, generation of quasi-static magnetic fields at the kT-level, as well as for magnetization and accurate probing of high-energy-density samples driven by secondary powerful laser or particle beams.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑、全光学平台，利用激光驱动的电容-线圈靶在kT量级范围内产生强、准静态磁场。
• 通过多种独立诊断手段，精确表征这些磁场的时间演化、空间分布及峰值幅值。
• 研究激光脉冲到磁场的能量转换效率，并评估材料依赖性对磁场生成的影响。
• 利用次级激光束或粒子束在受控、易接近的几何构型下实现对高能量密度样品的磁化与探测。
• 通过多种互补技术验证场强测量结果，校正等离子体和辐射效应，解决先前报道中的矛盾之处。

提出的方法

• 使用500 J、1 ns、10^17 W/cm²的激光脉冲辐照电容-线圈靶（Cu、Ni、Al），驱动强表面电流，生成准静态磁场。
• 采用GHz带宽的B-dot探头，以纳秒时间分辨率测量磁场上升时间和峰值幅值。
• 利用偏振探测激光束通过位于安全距离（几毫米）的双折射晶体的法拉第旋转效应测量磁场强度，已对晶体响应和辐射效应进行校正。
• 采用TNSA质子束进行质子偏转法，通过偏转角推断磁场强度，已对静电势效应进行校正。
• 对线圈几何结构和电流环路进行磁静力模拟，将远场测量值外推至线圈中心的磁场值。
• 对三种诊断手段（B-dot、法拉第旋转、质子偏转）进行交叉验证，确保结果一致性，并识别在约0.35 ns后因等离子体和辐射效应导致的局限性。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过激光驱动的电容-线圈靶，可实现的最大准静态磁场强度是多少？磁场生成是否具有可重复性？
• RQ2 不同靶材（Cu、Ni、Al）如何影响峰值磁场强度和能量转换效率？
• RQ3 等离子体和辐射效应在多大程度上随时间扭曲磁场测量结果，特别是在0.35 ns之后？
• RQ4 在靶材充电的早期阶段，多种独立诊断手段（B-dot、法拉第旋转、质子偏转）能否获得一致的磁场测量结果？
• RQ5 磁场的空间与时间演化特征如何？与1 mm³体积内偶极子场的理论预期相比有何差异？

主要发现

• 激光驱动的电容-线圈靶可产生最高达800 T的准静态磁场，其上升时间和持续时间与1 ns激光脉冲一致。
• B-dot探头以GHz带宽测量磁场，证实了与激光脉宽一致的可重复上升时间和峰值幅值。
• 法拉第旋转和质子偏转测量结果在t ≈ 0.35 ns内与B-dot探头结果一致，此后等离子体和辐射效应导致读数失真。
• 磁场在约1 mm³的特征体积内表现出偶极子分布，与理论磁静力模型一致。
• 能量转换效率在铜中达8.3%，镍中为4.5%，铝中为0.35%，表明存在显著的材料依赖性，可能源于等离子体动力学和短路时间的差异。
• 约0.4 ns后，线圈周围形成负静电势，可能由电子磁化引起，该势场抵消了磁场偏转作用，导致质子偏转角随时间减小。