（无线电物理专业论文）强脉冲激光等离子体和声致发光单气泡的某些理论问题研究.pdf

2 0 0 3 年上海大学博士学饿论文 摘要 本文主要在理论上研究了高溢等离子体中相对论电子的集体行为。然后，在 毙蕊破上磺宠了趋砖逡惶怒热电子寒鳓在多路激光是靶产生巍漫等黉予婊孛 的d t 核实施快点火的可行性。随后，为了能在实验台上实现可增箍的轻核聚变， 对于处于强超声场中的高温压缩含d t 气泡，我们也探讨了采用飞秒级强脉冲激光 浚点火魏可行蛙。 论文主要包括以下四部分内容及结果： 一、高温等离予体中相对论电子的集体振动行为。目前人们普遍接受的等离 子傣孛电子翡集俸行为是p i n e s 和b o h m 裁1 9 5 2 年掰骰秘工作。德稍主要研究了 稠密电子气中电子的锯弗。本论文将此内察推广到高温等离子体的情况，研究毒 温等离子体中相对论电子的集体振动行为。( 1 ) 通过引入李纳一一维谢尔相对论性 电磁势来攒述稽对论电子产生静场，然君由密度萄数摇在霹仑势律用下的多电子 系统划分受集体部分密令依部分，避蠢羞蘩黠集体部分进程研究荻褥裂程砖论修 正的高温等离子体的振动频率和“德拜长度”我们的理论结果表明：不同于通常 低溢等离子体的情况( 密度固定，搬动频率也就萄定了) ，高温等离子体的振动频 率会琏羞其滠度酶变恁嚣变化。速滚等离予体温发鳃上舞，照予戆运褰速震参法， 洛伦兹因予逐渐增加，使得高温等离子体的振动频率随之减小，而德拜长度则逐 渐增大。并凰，等离子体温度越高，这种变化越明驻。( 2 ) 我们研究了快电子束在 高漤等离子体孛镑徐靖，壶予毫子繁体摄动迭激发褥导致豹篷量损失。理论结栗 表明：相对论修正的集体激发引起的单位距离能量损失率比非相对论性的集体激 发引起的单位距离能量损失率明显减小。我们知道，稠密电子气中，在大于德拜 长凌五d 鹭落匿，系统禳鸯予产生集俗振动行荛；焉在小子德拜长茇锄蟾范辫，列 2 0 0 3 年上海大擘博士学位论文 与单个电子的自由热运动栩关。由此我们得出：对具有相陌电子密度分布的高温 等离子依嚣富，壶予德舞长发夔等簿子露滠发蘸土舞委凄大，这蕊使缮“德舜球” 外参与集体振动的电子数减少，而“德拜球”内参与自由热运动的电子数增加。 从而，在相对论性的高温等离子体中，集体激发b f 起的能鼹损失比通常等离子体 串酶夺。 二、我们在第一部分妁基础上砖高温棼离子体采用相对论的动力学模型，研 究由超快强激光所产生的能赣在0 5 m e v 1 5 m e v 范围内的相对论性电子柬( f e b ) 与密度为3 0 0 9 c m 3 1 0 0 0 9 c m 3 、滠度为5 k e v 1 0 0 k e v 的越压缩d t 靶酶相互作 用。出于经历了据对沦修正媳集体激发和瑟侮碰撞蹲释主要戆姥爨擐失规剃，使 得r e b 在d t 核中不断损失能量，并将能撼全部沉积在靶中理论结果表明：随 着等离子体溢度酶上升，由集体激发g l 起的能量损失逐渐减小，丽出两体磁撞g 起筑缝量撰失逐澎蟥知。隧爱，逶避诗算遘续夔捞瓣程、聂大穿透深凌帮特往砖 问三个重要物理参爨来估算r e b 对球对称越压缩d t 靶产出点火热斑的能力：重 新检验了对怒压缩d t 芯实施快点火的可行憔，修正了前a d e u t s c h ，e ta 1 p r l ( 1 9 9 6 ，2 0 0 0 ) 】蕊若予理论绪聚。 三，对声致发光单气泡产生的离温动力学行为俸了一些分析和研究。( 1 ) 奔绍 了单泡声致发光的过程、特点及研究意义。根据单泡声致发光的动力学特性，对 斑露酶解释声袭发巍鳃理论横蕉遂行篱要酶分析。( 2 ) 在t a l e y a r k h a n 夺鲤藤氘佬 丙酮蒸气泡研究核聚变的实验基础上，我们将快点火概念藏斓于气泡内部的褰涅 高密度等离子体，提出可采用飞秒级的超快超强脉冲激光同步地聚焦于已预热的 氘诧两酮蒸气沲，i ；( 舷发气沲中的d d 和d t 发生热核聚交殿应同时，初步研究 了这一建议媳可行蛙；特型对起攮趑强激光裳翡产生戆、筢爨在m e v 鐾级缝鞠对 论性电子柬与1 电- 7 - ( 氘化丙酮蒸气泡) 的耦合作用作了初步计算和研究。纂于能 l 2 0 0 3 年上海大学博士学饭论文 量转移机制及有关物理参数的优化，在理论上我们得出：对于在实验室中研究轻 核聚交，氘亿丙酮溶液( g 魏d ) 是一种比璧永( d ：p ) 更好的试验液体。这一结论正 好蓐t a l e y a r k h a n 小缓跌实验孛褥载鳇结谂撩一致毽稍燕裰据撼燮暮数搿徽塞载 断的。氘化丙酮有接近于1 的相交蒜数，而重水的相变系数只有约o 0 7 5 。我们则 是在假定气泡内的c ，d 。0 分子全都电离的前提下，根据相对论性超热电子在单位 潞程羲上酶麓方攘褰f 这个耱瑾簧褥窭稿瓣鳍论的。 四、我们在非相对论擞子场论的框架下研究了能量远低于i m e v 的电子系统 在强光场中的动力举行为。在强光场中除光场线性项外，非线性项即a 2 项的作用 不容忽视。敌我们给窭蕺予瑟与澎量子场籀互俸翅爵整个系统秘晗密骥嚣，用 f e r m i d i r a c 统计的s c h r 6 d i n g e r 嫠予渡场寒描述电子系统，并采用“鸯洽平均场” 和“有效质量”近似，基予位移谐振子的相干态方法，推导出电予波光量子 酶灏数、电子筢谱、毫子寄能和霸赣重整他等物理譬的有关理论计算公式。 关键词：高温等离子体，相对论性电子，集体振动，超快越强脉冲激光 浚点火，怒声场孛筚气邃，强爱场，菲线浚光学 i i i 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 a b s t r a c t m y t h e s i si sm a i n l yr e l a t e dt ot h ec o l i c c t i v eb e h a v i o ro f t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n si n t h eh o tp l a s m a 。w es t u d yt h ef e a s i b i l i t yf o r t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o nb e a m ( r e b ) r e a l i z i n gf a s ti g n i t i o ni nt h eh o tp l a s m ap r o d u c e db ym u l t i - p a t hl a s e r sf o c u s i n go nt h e t a r g e t 。i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa t t a i nt a b l e - t o pc o n t r o l l a b l en u c l e a rf u s i o n , w es h o w t h e o r e t i c a l l yt h a tt h ef e a s i b i l i t yf o ra p p l y i n gf e m t o - s e c o n di n t e n s el a s e rp u l s er e a l i z i n g f a s ti g n i t i o nt ot h ep r e c o m p r e s s e dh o tb u b b l ei na i la c o u s t i cf i e l d t h et h e s i si so r g a n i z e d 嚣sf o l l o w s ： ( 1 1t h ec o l l e c t i v eb e h a v i o ro ft h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n si nt h eh o tp l a s m a a t p r e s e n t 。t h ec o l l e c t i v eb e h a v i o ro f 氇e e l e c t r o n si nt h ep l a s m ad o n eb yp i n e sa n db o h m ( 1 9 5 2 ) i sg e n e r a l l ya c c e p t e d t h e ym a i n l ys t u d i e dt h eb e h a v i o ro ft h ee l e c t r o n si na d e n s ee l e c t r o ng a s 。h e r e ，w e d e v e l o p i tt ot h ec a s eo f t h e h o t 撼g 碡t e m p e r a 搬f e ) p l a s m a ， a n ds t u d yt h ec o l l e c t i v eb e h a v i o ro ft h et e l a t i v i s t i ee l e c t r o n si nt h eh o tp l a s m a ，f 曲b y i n t r o d u c i n gt h el i e n a r d w j i c h e np o t e n t i a lf o rt h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n sa n ds p l i c i n gt h e e l e c t r o nd e n s i t yf l u c t u a t i o n si n t ot h ei n d i v i d u a lp a r ta n dt h ec o l l e c t i v e p a r t ，w es t u d y t h e c o l l e c t i v eo s c i l l a l c i o no ft h er e l a t i v i s t i ee l e c t r o n s r e s u l t i n g f r o mt h ec o u l o m b i n t e r a c t i o n s c o n s e q u e n t l y , w ed e r i v et h eo s c i l l a t i o nf r e q u e n c yo f t h eh o tp l a s m aa n d t h e ”d e b y el e n g t h “w i t ht h er e l a t i v i s t i cm o d i f i c a t i o n w es h o w t h a tt h ei n c r e a s eo ft h e p l a s m at e m p e r a t u r e a sw e l la s t h a to f t h e v e l o c i t y o f t h ee l e c t r o n s ，l e a d st ot h ed e c r e a s e o ft h ep l a s m af r e q u e n c y 曲。a n dt h ei n c r e a s eo ft h e ”d e b y el e n g t h ”m o r e o v e r , t h i s t r e n db e c o m e sm o r eo b v i o u sw h e nt l l ep l a s m a t e m p e r a t u r ei sh i g h e r ( b ) w es t u d yt h e e n e 稽yl o s so f af a s t - e l e c t r o nb e a md u et ot h ee x c i t a t i o no ft h ec o l l e c t i v eo s c i l l a t i o ni n t h eh o tp l a s m a i ti ss h o w nt h a tt h ee n e r g yl o s sb a s e do nt h er e l a t i v i s t i cm o d i f i e d c o l l e c t i v ee x c i t a t i o ni ss i n a i l e rt h a nt h a tb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lc o l l e c t i v em o d e ，a n d w i t ht h ei n c r e a s ei nt h eh o tp l a s m at e m p e r a t u r et h ed i f f e r e n c eb e c o m e sm o r eo b v i o u s i nad e n s ee l e c t r o ng a s ，w ek n o wt h a tf o rp h e n o m e n a i n v o l v i n gd i s t a n c e sg r e a t e rt h a n t h ed e b y e l e n g t h ，t h es y s t e mb e h a v e sc o l l e c t i v e l y ；f o rd i s t a n c e ss h o r t e rt h a nt h i sl e n g t h ， i tm a yb et r e a t e da sac o l l e c t i o no f a p p r o x i m a t e l yf r e ei n d i v i d u a lp a r t i c l e s f o rt h eh o t p l a s m aw i t ht h e 2 n ee l e c t r o nd e n s i t y , t h ei n c r e a s eo ft h e ”d e b y el e n g t h ”c a u s e st h e d e c r e a s ei nt h en u m b e ro ft h ee l e c t r o n sp a r t i c i p a t i n gi nt h ec o l l e c t i v eo s e i l l a t i o n w h i l e t h ei n c r e a s ei nt h en u m b e ro ft h ee l e c t r o n sp a r t i c i p a t i n gi nt h er a n d o mt h e r m a lm o t i o n t h e r e f o r e ，i nt h e h o tp l a s m a ，t h ee n e r g yl o s sb a s e do nt h er e l a t i v i s t i cm o d i f i e d c o l l e c t i v ee x c i t a t i o nb e c o m e ss m a l l e rt h a nt h a tb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a lo n e ( 2 ) b a s i n go nt h ea b o v et h e o r e t i c a lr e s u l t s ，w ef u r t h e rs t u d yt h ei n t e r a c t i o n s b e t w e e nt h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n b e a m s ( r e b ) w i t h0 5 m e v 1 5 m e ve n e r g i e s p r o d u c e db yu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s el a s e r sa n dt h es u p e r - c o m p r e s s e dd t c o r ea t 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 d e n s i t i e s 3 0 0 9 c m 3 1 0 0 0 9 c m 3 a n d t e m p e r a t u r e s 5 k e v 1 0 0 k e v t h er e b c o n t i n u o u s l yl o s e se n e r g i e sw h e np a s s i n gt h r o u g ht h ed t c o r eb e c a u s eo f e x p e r i e n c i n g t w om a i ne n e r g y - l o s s - - m e c h a n i c ss u c ha st h ec o l l e c t i v ee x c i t a t i o na n dt h et w o - b o d y c o l l i s i o nw i t hr e l a t i v i s t i cm o d i f i c a t i o n w es h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep l a s m a t e m p e r a t u r e ，t h ee n e r g yl o s s c a u s e db yt h ec o l l e c t i v ee x c i t a t i o ng r a d u a l l yd e c r e a s e s w h i l et h a tc a u s e db yt h et w o b o d yc o l l i s i o no p p o s e si t t h e n ，b y c a l c u l a t i n g t h r e e i m p o r t a n tp h y s i c a lp a r a m e t e r s ：t h e c o n t i n u o u sw i n d e d r a n g e r ，t h em a x i m u m p e n e t r a t i o nd e p t hz o a n dt h es t o p p i n gt i m e t s m 。，w er e e x a m i n et h ep o s s i b i l i t yf o rt h e r e be f f i c i e n t l y i g n i t i n g t h eh o ts p o t si nad tt a r g e t ，a n dm o d i f ys o m et h e o r e t i c a l r e s u l t so b t a i n e db yd e u t s c he ta 1 ( p h y s r e v l e t t ，19 9 6 ，a n d2 0 0 0 ) ( 3 ) w ea n a l y z ea n ds t u d yt h ed y n a m i cb e h a v i o rf o rt h eh i g h t e m p e r a t u r es i n g l e b u b b l e s o n o l u m i n e s c e n c e ( s b s l ) ( a ) w e i n t r o d u c et h e c h a r a c t e r s ，a n d t h e s i g n i f i c a n c e so fs b s l ，a n da c c o r d i n gt oi t sd y n a m i cc h a r a c t e r ，w eb r i e f l yr e v i e wt h e e x i s t e n tl i g h t e m i t t i n gm e c h a n i s m ( b ) b a s i n go nt h ee x p e r i m e n td o n eb yt a l e y a r k h a n g r o u pu s i n gd e u t e r a t e da c e t o n e ( c 3 d 6 0 ) b u b b l es t u d y i n gn u c l e a rf u s i o nw ea p p l yt h e f a s t i g n i t i o nc o n c e p t t ot h eh o t p l a s m a i n s i d et h eb u b b l e w e s u g g e s t t h a tt h e f e m t o - s e c o n du l t r a f a s ta n du l t r a i n t e n s e1 a s e rb e a m c a nb ef o c u s e do nt h e p r e 。c o m p r e s s e dd e u t e r a t e da c e t o n eb u b b l es i m u l t a n e o u s l yt ot r i g g e rt h ed da n dd t c o r er e a l i z i n gn u c l e a rf u s i o ni n s i d et h eb u b b l e a tt h es a l t l et i m e ，w ep r e l i m i n a r i l ys t u d y t h ef e a s i b i l i t yf o rt h i s a p p r o a c h ，a n dd oc a l c u l a t i o n sf o rt h er e bi nt h em e v e n e r g y r a n g ei n t e r a c t i n gw i t ht h et a r g e t ，i na d d i t i o n ，w es h o wt h a t c 3 d 6 0a p p e a r st ob ea b e t t e rt e s tf l u i dt h a nt h eh e a v yw a t e r i ti sw e l lc o n s i s t e n tw i t ht h er e s u l to b t a i n e db y t a l e y a r k h a ng r o u pa c c o r d i n gt ot h ev a l u e so ft h ep h a s ec h a n g ec o e f f i c i e n t 口b u tw e g e ti ti naq u i t ed i f f e r e n tw a y o nt h ep r e m i s et h a ti ti sf u l l yi o n i z e di n s i d et h eb u b b l e ， w es t u d yt h e s q u a r ea v e r a g ed e f l e c t i o np e ru n i tp a t hl e n g t h 五。1 f o rt h er e l a t i v i s t i c e l e c t r o na n dt h e ng e tt h es a m ec o n c l u s i o nw i t ht h e m ( 4 ) w i t ht h ef r a m e w o r ko fn o n r e l a t i v i s t i cq u a n t u mf i e l d t h e o r y ，w e s t u d yt h e d y n a m i c so ft h ee l e c t r o ns y s t e mw i t he n e r g yf a rb e l o w1 m e vi nt h ei n t e n s el a s e rf i e l d t h ec o n t r i b u t i o no ft h en o n l i n e a rt e r ma 2 c a n tb ei g n o r e di nt h ei n t e n s el a s e rf i e l d s o w ec o n s i d e rt h et o t a lh a m i l t o n i a no p e r a t o r h “l f f o rt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o n f i e l da n dp h o t o nf i e l d w ed e s c r i b ee l e c t r o n sw i t ht h e s c h r 6 d i n g e rq u a n t u mw a v e f i e l do f 如 一d i r a c s t a t i s t i c s b ya p p l y i n g s e l f - c o n s i s t e n tm e a nf i e l d ”，“e f f e c t i v e m a s s ”a p p r o x i m a t i o na n dt h ed i s p l a c e dh a r m o n i co s c i l l a t o rc o h e r e n t s t a t et h e o r y ，w e d e r i v e l e e l o w p i n e s e x p r e s s i o nf ( b + ) f o rt h e e l e c t r o n w a v e p h o t o n f i e l d o p e r a t o rf u n c t i o n ，a n ds o m e r e l e v a n t c a l c u l a t i n g f o r m u l a s ，i n c l u d i n g d e t a i l e d e x p r e s s i o n s f o rt h ee l e c t r o n e n e r g ye i a n dt h ew a v ef i e l d p a r a m e t e r 屈f u r t h e r m o r e ，w ea l s od e r i v et h e s e l f - e n e r g ye a n dt h er e n o r m a l i z e dm a s s ”o ft h e v 2 0 0 3 牟上海天学博士擎穰论文 e l e c t r o n k e yw o r d s ：h o tp l a s m a ，r e l a t i v i s t i ce l e c t r o n s ，c o l l e c t i v eo s c i l l a t i o n ，u l t r a f a s ta n d u l t r a i n t e n s el a s e r s ，f a s ti g n i t i o n ，s i n g l eb u b b l ei na na c o u s t i cf i e l d ，i n t e n s e1 a s e r f i e l d ，n o n l i n e a ro p t i c s v l 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景、国内外现状及发展 1 1 1 强脉冲激光等离子体 激光等离子体物理是- f l 新式的分支学科，是研究强激光 强度l o 1 0 h w 仡m 2 ， 脉宽约纳秒( 1 0 9 s ) ，波长厶约微米大小的激光】产生等离子体及它们相互作用规律 的科学。它的研究前沿主要包括：激光与聚变等离子体的相互作用、激光驱动高 能粒子加速器物理、以及超短脉冲强激光与等离子体相互作用。 随着强激光技术的不断发展，激光等离子体相互作用【1 1 出现了许多新现象2 1 。 由于激光与等离子体各种相互作用过程十分复杂，可人为的将其分成主要两部分 研究内容：其一是研究经典碰撞占优势时强激光产生的等离子体整体特性，包括 激光逆轫致吸收、能量转换和输运过程、流体力学过程以及高温离密度等离子体 状态：其二是研究无碰撞体制下激光与等离子体集体相互作用过程，包括各种波 的不稳定激发和非线陛相互作用以及能量反常输运过程等等。 近十年来，随着短脉冲，高强度激光技术的发展，人们可以获得脉宽从皮秒 ( 1 0 m s ) 到飞秒( 1 0 s ) ，强度高达1 0 1 6 1 0 1 8 w c m 2 的可见区激光。因此，原子在强 激光脉冲的前沿就会被强场电离，其部分甚至全部内层电子可以直接的被激光场 剥落。显然，用超短脉冲激光可以产生特殊状态的等离子体。 超短脉冲强激光与等离子体相互作用的主要特点为：超短脉，中辐照固体靶， 能瞬间在固体表面产生厚度只有光波长几十分之一的高密度冷等离子体；超短脉 冲能有效地冻结流体动力学过程和离子的运动，使得物理过程只与电子运动有关； 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 电子在强激光场中具有很高的颤动能量，这一能量可高达甚至趔过电子的静止能 繁m 。o2 ，霞弛相对论效痰越来越显著劳残为主要瓣# 线性效应。 超短脉冲强激光与替离子体相互作用是跨世纪物理学的一太活跃领域。这一 渫题主要可分为惩个方西：其一是关于光脉冲在非稠密等离子体中的传播，所谓 j 稠密等离子体稽的是等离子体中电子的密度小于光脉冲传播静淮莽密度。( 1 ) 出 于有质动力、热效应、相对论效应等三种主要驱动囡素使激光光压改变等离子体 密度，扶褥l 起枣聚焦p 棚孝残丝1 5 , 6 1 。塞聚焦移成丝破坏了光寒孝等毒子体均匀性， 在惯性约束梭聚变( i c f ) 研究中这些不稳定惶会影响靶丸辐照均匀度和诱发或增疆 其他不稳定烛，可采用无规捆位扳等光寒平滑技术对其进行抑制吧在强场物理研 究中自聚焦和成丝对诀赢火概念潮、激竞| 雷f 9 】、电子逵波加速1 啦等都有囊要意义。 f 2 ) 由于有质动力，光脉冲会激发起火的等离子体尾波场，这个场可以用来加速电 子柬至扳褰浆裁鐾“埘；7 0 年代寒，强；i m a ，d a w s o n 提出了激光等离子体加速的 设想f 1 3 l ：激光尾流场力口速器、等离予俸抬频波加速器和彦谲制麓流场加速器。瑾 论研究袭蜞，等离子体可以支持g e v m 量级的越高电场而不破裂。这个电场超过 常规线僚加速器中壤垢帮个数量级激土，黄规模在米量缓尺尊黪夺整装显上加速 粒子提供了可能。近年柬，超短脉冲强激光的发展使激光尾波场加速器( l w f a ) 方 案褥到重视。( 3 ) 光默中与等离子体要产生强的期于藏蹬谐波，出此可获 导娥波长 相干光h l 。街阶谐波可漾认为是一秤由于释放的电子与离子再磁撞产生酶勒致辐 射。但与普通由随机碰撞产生的连续轫致谱不同，这种发射是入射激光频率的分 立谐波。( 4 ) 黻等离子俸律莛奔震鼋汉实臻激光凝率懿连续鼓大秘辣嵬压镑f 吨o 。 w i l k s 等人( 1 曾提出让光脉冲穿过快速电离生成的锌离子体产生激光频率上转换 螅方法。北方法已经周微波实验缮以证明。1 9 9 0 每，k i m 等发现起短强激光脉 冲在气体中传播醑，可瑷通道光场诱导电离导致英额率麓移。1 9 9 1 年，m o i l 琏1 旋 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 出用相对论电离前沿同时使一个迎面传来的光脉冲产生频率上移和脉宽压缩； k a p t e y n 等1 9 1 认为用稠密的电离波前反射的多普勒频率上移技术有可能产生单周 期、覆盖近红外、可见光和超紫外区的光脉冲；一年后，s a v a g e 等2 0 】能够用光脉 冲电离前沿把电磁波的频率从3 5 g h z 提高到1 1 6 g h z 。 超短脉冲强激光与等离子体相互作用的另一个方面就是：超短脉冲强激光与 固体靶的相互作用。飞秒激光脉冲与固体靶相互作用的特点是，加热过程中形成 的等离子体来不及膨胀，激光的能量全部沉积在趋肤深度内，被加热了的电子通 过电子热传导将能量传入固体靶内部进而离化较冷的原子，形成近固体密度的等 离子体。如果能通过已知的入射激光的性质、靶材料的性质对电子温度密度随时 间的变化做出较准确的估算，就能对激光等离子体的许多动力学性质和物理过程 有深入的了解。关于这方面典型的工作是r o s e n l 2 1 1 的飞秒脉冲一一等离子体相互作 用的给出的定标律( 关于高温高密等离子体的电子温度和标尺长度与入射激光的 性质、靶的性质之间的关系) 、大型的计算程序l a s n e x ，m e d u s a ，以及对相互 作用过程各种参数的演变提出的简单模型m 2 5 1 。超短脉冲激光与固体靶相互作用 的典型物理特征为：能产生超热电子、很陡的等离子体密度轮廓、异常吸收机制、 短脉冲强x 射线产生以及自生磁场等【2 “3 。1 。 最近出现了一系列研究激光热核聚变的新工作一一惯性约束核聚变( i c f ) 的快 速点火( f i s ) 【趴。它是等离子体自聚焦的一个直接的重要应用。快点火”将整个过 程分为独立的两步进行：先由多束驱动内爆的激光( 1 0 h 1 0 1 4 w l c m 2 ) 对靶丸进行压 缩，达到所需的高密度；再用超强点火激光( 1 0 1 81 0 2 0 w c m 2 ) 加热芯部达到点火条 件。“快点火”方案利用超短超强激光器和常规聚变激光器配合使用，只需数万焦 耳激光能量就可使i c f 的靶丸点火，数十万焦耳激光能量就可能获得高增益聚变。 这种新的点火机制除了降低点火能量外还有很多优点，例如不太要求均匀密度， 2 0 0 3 车上海大学博士学位论炙 不太依赣点火蒋要控锱酶热斑，混合不憋灭点火；被相对论电子如热嚣辩阉娥， 以致予流体力学膨胀可忽略，减少r a y l e i g h - t a y l o r 不稳定性增长昀时间；而胜， 从处爱点火出从孛心点火熨具主动性。困此，“快点火”具有十分诱人的前景。同 时，我们也应该看瓠“快点又”方式存在的爵难。翻确怒强激光实疑点天涉及禳 多复杂的趟强激光和等离子体相互作用的问题。超强激光在稀薄等离子体中传播 时能驻转多静咎离予体不稳定性，存在蓑提对论密聚焦、残丝，产生超热电子匆 高斯慢变磁场，同时也存在着激光能赣在空问的扩散在起临界稠密等离子俸中， 则簧要研究激光传播与打澜过程，能鳖吸收机剑，超热电子的产生和传输，越高 斯慢交磁场酶产盎与佟擂簿。 可见，超短脉冲强激光与等离子体相短作用包含了大璧的、全新的物理过程。 秘对于蓉羚弱研究状况，国蠹也露苓少谚究单位正遗头赵上，取终了诤多可 喜成就。除某些重点高校外，主要研究单位有：中国稃学院物理研究所、中菌科 学院上海光学精密机械研究所、北。京斑用物理与计算数学研究所、中国工程物理 研究流西南核物理与仡学钎究所、中谣科学院中蓠工程耪理繇究院商动搴激光及 物理联合实验童，还有中国工程物理研究院上海激光等离子体物理研究所、中国 琢子能辩学磅究酸、孛匡科学浣等赛予体物理研究睫等等。 相关研究工作主要表现为：( 1 ) 强激光等离子体中电子加速机锏f 3j - 3 5 1 ；( 2 ) 对 快点火机理及其物理可行性进行理论和数值摸姒研究2 1 ；( 3 ) 对于飞秒激光与固 体靶鞫互作用产盛怒热电子蓊研究汹蛳；( 4 ) 对激先与等离子体耪益佟用酵激光酶 自作用的研究( 4 7 4 9 1 ；( 5 ) 超短脉冲激光与等离子体相互作用昀理论研究和数值模 数 札5 2 ；( 6 ) 稠密莓褰子体中她x 射线疆射( 5 3 5 5 1 ；等棼。 粪似于多路激光打靶产生高溢等离子体惯性约束研究中目l 入越短强脉冲激光 快点火，我们提出1 5 6 1 将此应用于强超声场中的压缩气泡，即，当气泡收缡到最小 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 值时，用一束超强超短脉冲激光同步的作用在气泡上，使能量处于兆电子伏特量 级的相对论性超热电子与气泡中超压缩的d t 小靶丸发生相互作用，促使气泡内 d d 、d t 发生可增益的轻核聚变。 1 1 2 单泡声致发光 声致发光是超声空化【5 7 1 伴随有发光，也就是使束缚在液体中的气泡在周期性 的超声场的驱动下脉动发光的现象。它是一种由声能转化为光能的过程，也是唯 一不使用激光器而能产生皮秒级闪光的方法【5 8 】 声致发光现象的发现可以追溯到1 9 3 4 年。当时观察到的是一个不定位无周期 的大量空化泡的爆炸发光现象一一多泡声致发光( m b s l ) 【59 1 。由于在实验上很难对 多泡发光现象进行准确的测量和记录，使其在之后的很长一段时间内倍受冷落。 而当g a i t a n 和c r u m l 6 0 l 发现了稳定的单泡声致发光( s b s l ) 的条件，单泡声致发光被 首次报道以来由于其表现出的特殊而惊人的特性，一直是声学界和物理学界的热 门课题之一。近年来，对于“单泡声致发光”的研究更是数不胜数，大量的研究 报告不断涌现。研究的重点主要集中在以下几个方面： 一、单泡声致发光的内部机制及理论模型。对声致发光的理论解释有多种： 准绝热压缩导致的热辐射f 6 l l 、激波导致的热辐射 6 2 , 6 3 , 6 4 l 、碰撞导致的辐射【65 1 、真 空辐射6 6 ，6 7 1 等等目前的解释多倾向于把s b s l 归于稠密冷等离子体的热辐射。 超声场作用下的空化气泡的运动是非线性的，对其过程的研究最有效和直观 的方法是通过数值模拟。无论哪一种理论模型，必须要了解气泡内部经历的过程。 早期的理论模型回避了气泡内气体运动的时空演化，将气泡中的气体当成绝热、 统一的整体，虽然得到了一些与实验相近的结论，但过于粗糙，难以另人信服。 w u 和r o b e , s 删从r a y l e i 曲一一p l e s s e t 【6 8 】方程出发结合气体流动力学方程组一一 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 e u l e r 方程组，对气泡中的气体运动进行了描述，得到了激波的时空演化，从而使 人们对声致发光的认识发生了改变。但是，他们没有计及一些可能会导致计算结 果量级变化的耗散效应。近年来，一些理论模拟工作大多集中于各种耗散效应 6 9 1 ， 特别是发现水蒸气的蒸发和分解会吸收大量能量，使计算所得的泡内温度( 约几千 度) 降低了。去年，t o e g e l 等7 0 1 在p h y s r e v ，l e t t 上发表的理论文章指出，泡内气 体压缩时非理想气体的排空效应会抑制水的吸热分解反应。但由此得到的泡内温 度( 约几万度) 离核聚变所需的温度还很远。 一个模型是否有效，需要看它能否解释某些实验观察到的现象。尽管已有的 多种理论模型能各自部分解释声致发光的实验数据，但至今为止，还没有一个统 一的理论能完整地解释气泡发光的内部机制。由于实验条件的限制，除用条纹相 机获得气泡中部分直接信息外，至今无法直接探测到发光气泡内部经历的详细过 程。只有通过进一步的理论与实验相结合研究才有可能为声致发光的物理现象做 出解释。 二、单泡声致发光的实验控制参数。在实验上人们发现，气泡的发光强度明 显的依赖于实验控制参数( 如气泡的初始半径、驱动压强、频率、液体介质、液 体温度、气体溶解度、泡内气体等等) 。举例说明为：a ) 在声致发光态一个2 0 内 的气泡半径的变化会导致辐射光强度成百倍的变化【7 “。b ) 当水温从3 0 。c 降低到 2 5 。c 时，每个脉冲产生1 0 0 0 倍以上的光子数【5 8 l 。虽然在其它液体介质中也观察 到发光现象，但水仍然是最佳介质。c ) 当频率从2 0 k h z 降到5 k h z 时，每次发光产 生1 0 0 倍以上的光子数7 2 1 。d ) 对惰性气体的依赖f 7 3 】：纯氮气发光极弱，而纯氩气发 光很强；惰性气体声致发光的光谱从氦到氙，紫外成分逐渐降低。空气泡的发光 也很强。为解释这一现象，有人提出一种“整流”假设：在气泡压缩过程中， 空气的主要成分都通过化学反应溶解到水中，只剩下惰性气体氩。所以空气泡发 2 0 0 3 年上海大学博士学位论文 光实际上是氢气泡发光。这一假设已被广泛接受。 总之，人们希望通过调节实验参数使气泡内部达到更高的温度。 三、对单泡声致发光光谱的研究。发光现象是高温高压的产物，对光谱的研 究有利于揭示空气泡在受压缩时内部的形状。在水中典型的单泡声致发光光谱是 由a t c h l e y 小组7 5 1 获得的。实验测得的单泡声致发光光谱是类似于黑体辐射谱低能 尾部的连续谱，无特征线谱出现。由于水窗的限制，只能得到可见光波段的光谱。 人们对声致发光脉宽的测量7 q 得到了脉宽与光的波长无关的结论可见，声致发 光不是简单的黑体辐射。这无疑大大限制了对声致发光之迷的揭示，也给了各种 理论解释同时生存的条件。 四、含d t 气泡核聚变的探索。由于单泡声致发光具有很强的能量局域性，理 论上的推算可使泡内温度有望达到1 0 8 k 1 5 8 ，这引起了聚变工作者的注意。 p u t t e r m a n 7 7 1 等人利用重水来进行单泡声致发光的实验研究；j o m e l 7 8 1 在悬浮有载氘 的钯粉末的重水中，进行了超声辐射并导致空化及钯粒子间的高速碰撞；美国l o s a l a m o