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Plasma polymers as targets for laser-driven proton-boron fusion

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作者
Marco Tosca,Daniel Molloy,Aaron McNamee,Pavel Pleskunov,Mariia Protsak,Kateryna Biliak,Daniil Nikitin,Jaroslav Kousal,Zdeněk Krtouš,Lenka Hanyková,Jan Hanuš,Hynek Biederman,Temour Foster,G. Nersisyan,Philip Martin,Chloe Ho,Anna Macková,Romana Mikšová,M. Borghesi,S. Kar
出处
期刊:Frontiers in Physics [Frontiers Media SA]
卷期号:11 被引量:6
标识
DOI:10.3389/fphy.2023.1227140
摘要

Laser-driven proton-boron (pB) fusion has been gaining significant interest for energetic alpha particles production because of its neutron-less nature. This approach requires the use of B- and H-rich materials as targets, and common practice is the use of BN and conventional polymers. In this work, we chose plasma-assisted vapour phase deposition to prepare films of oligoethylenes (plasma polymers) on Boron Nitride BN substrates as an advanced alternative. The r.f. power delivered to the plasma was varied between 0 and 50 W to produce coatings with different crosslink density and hydrogen content, while maintaining the constant thickness of 1 μm. The chemical composition, including the hydrogen concentration, was investigated using XPS and RBS/ERDA, whereas the surface topography was analyzed using SEM and AFM. We triggered the pB nuclear fusion reaction focusing laser pulses from two different systems (i.e., the TARANIS multi-TW laser at the Queen’s University Belfast (United Kingdom) and the PERLA B 10-GW laser system at the HiLASE center in Prague (Czech Republic)) directly onto these targets. We achieved a yield up to 10 8 and 10 4 alpha particles/sr using the TARANIS and PERLA B lasers, respectively. Radiative-hydrodynamic and particle-in-cell PIC simulations were performed to understand the laser-target interaction and retrieve the energy spectra of the protons. The nuclear collisional algorithm implemented in the WarpX PIC code was used to identify the region where pB fusion occurs. Taken together, the results suggest a complex relationship between the hydrogen content, target morphology, and structure of the plasma polymer, which play a crucial role in laser absorption, target expansion, proton acceleration and ultimately nuclear fusion reactions in the plasma.

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