（等离子体物理专业论文）超短超强激光与固体靶相互作用激发kα特征线研究.pdf

摘要 摘要 超短超强激光与固体靶相互作用时，在临界密度面附近产生超热电子。此 超热电子在靶中传输时，会激发靶材料的k a 特征线辐射。利用这种k a 特征线 辐射，能诊断超热电子在稠密等离子体内的输运和能量沉积等。其次，以脉冲 形式辐射出的线，是独特的k o l 线光源，这种光源能量单一、空间尺度小( 微 米量级) 、时间尺度短。综上所述，k a 线的研究具有极其广阔的应用前景。为 了研究超短超强激光与固体靶相互作用所产生的超热电子行为，并使k c t 线光源 为未来所应用，本论文开展了超热电子在靶中输运过程中激发k c x 特征线的 i t s 3 0 程序计算和实验研究。 本论文首先介绍了强场与快点火物理的研究进展，系统阐述了激光与固体 靶相互作用产生超热电子的物理机制，以及k a 特征线产生的原理和数值模拟程 序i t s 3 0 。随后介绍了诊断超热电子的实验方法，然后给出相关计算结果以及 实验研究结果。 本文利用i t s 3 0 蒙卡模拟程序对超热电子在固体靶中激发k c x 特征线发射 进行了模拟，研究了不同出射角度、不同靶厚和不同超热电子温度情况下k a 线强度变化，并将部分模拟计算结果与实验结果进行了比较，二者符合较好。模 拟计算和实验数据结果显示：( 1 ) 偏离靶法线方向的角度越大，k a 的线强度越 小：( 2 ) 存在着最佳的荧光层厚度，使得激发的k c x 线强度最大；( 3 ) 当超热电 子超过一定的温度时，荧光层的k a 线强度基本保持不变。 在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的s i u - i 超短脉冲激光装置 上，进行了复合靶和c h 泡沫靶超热电子转换效率的实验。在复合靶实验中， 利用两荧光层辐射出的k a 特征线强度比值，结合i t s 3 0 程序模拟结果，对向 靶内输运的超热电子的温度进行了诊断。论证了利用双荧光层复合靶的k a 特 征线强度比值诊断靶内超热电子温度的可行性。在泡沫靶实验中，利用k a 特征 线强度推得超热电子的产额。 关键词：超短超强激光超热电子k a 特征线i t s 程序转换效率 a b s t r a c t a b s t r a c t d u r i n gt h ei n t e r a c t i o no f u 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 rp u l s ew i t hp l a s m a s ，h i g h e n e r g ye l e c t r o n sw i l lb ep r o d u c e dn e a rt oc r i t i c a l d e n s i t ys u r f a c e w h e nt h eh o t e l e c t r o n sk n o c k e do u ti n n e r - s h e l le l e c t r o n so ft h ec o l dm a t e r i a l ，k c xc h a r a c t e r i s t i c l i n e se m i s s i o nw i l lb ee x c i t e d k ae m i s s i o ni s c l o s e l yc o r r e l a t e dw i t ht h eh o t e l e c t r o n s a c t i o n f r o mk al i n e se m i s s i o n , w ec a r lf m ds o m eu s e f u li n f o r m a t i o no fh o t e l e c t r o n ，s u c ha si t sp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r ti no v e r d e n s ep l a s m a s o nt h eo t h e rh a n d , s u c hk ae m i s s i o nh a sw i d e l yp o t e n t i a la p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l yf o rc h a r a c t e r i s t i cp u l s e l i g h ts o u r c e ，o w i n gt oi t sc o m p a c t n e s sa n dh i 【g hf l u e n c e f o rt h em o t i v a t i o nr e f e r r e d a b o v e ，w ec a r r i e do u tt h ei t ss i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a ls t u d i e so nt h ek a c h a r a c t e r i s t i cl i n e se m s s i o n i nt h i st h e s i s ，i tw a sf i r s t l ys t a r t e dw i 也t h em o d e la n ds i g n i f i c a n c eo ft h ef a s t i g n i t i o na n ds t r o n gf i e l d s e c o n d l y , t h ei n t e r a c t i o no fl a s e r 埘t hp l a s m aa n dt h e p r o d u c t i o no fh o te l e c t r o n sw e r ee x p a t i a t e d t h i r d l y , t h ep r i n c i p l eo fc a c u l a t i o na n d i t se x p e r i m e n ts e t u po fk al i n e ，w e r ei n t r o d u c e d f i n a l l y , t h ei t sc o d e u s e dt o c a l c u l a t et h el i n ei n t e n s i t yo fk c t , a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tw e r ei n t r o d u c e d b yu s i n gt h ei t sc o d e ，i tw e r ec a l c u l a t e dt h ek al i n ei n t e n s i t i e so fs o m es o l i d t a r g e t s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a t ：1 ) t h el i n ei n t e n s i t yo fk ad e c r e a s e sa st h ea n g l e w i t ht h en o r m a ld i r e c t i o no ft h et a r g e ti n c r e a s e s ；2 ) t h e r ei sa no p t i m a lt h i c k n e s s w h i c hi n a k et h el i n ei n t e n s i t yo fk ab i g g e s t ；3 ) w h e nt h et e m p e r a t u r eo fh o te l e c t r o n s e x c e e dad e f i n i t ev a l u e ，t h el i n ei n t e n s i t yo fk ah a sat i t t l ef l u c t u a t i o na r o t m dac e r t a i n n u m e r i c a lv a l u e c o m b i n e dw i t ht h em e a s u r e m e n t so ft h ey i e l do fk ap h o t o na tt h eu i - u sl a s e r f a c i l i t y i nt h ec h i n aa c a d e m yo fe n g i n e e r i n gp h y s i c s ( c a e p ) ，t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo fh o te l e c t r o nw a sc a l c u l a t e da b o u tm u l t i l a y e rt a r g e t t h et e m p e r a t u r eo f t h eh o te l e c t r o n si sd i a g n o s e db yk ac h a r a c t e r i s t i cl i n e se m i t t i n gf r o mat w o - l a y e r f l u o r e s c e n tt a r g e ti nc o m b i n a t i o nw i t hm o n t e - c a r l os i m u l a t i o n s t h et e m p e r a t u r e so f t h eh o te l e c t r o n sm e a s u r e dw i t ht h i sn e wm e t h o d , a r ec o m p a r e dt oo u rd a t am e a s u r e d b yam a g n e t i cs p e c t r o m e t e rf o rt h es a m es h o t s w ef i n dt h a tam o n t ec a r l om o d e l w i t hah e u r i s t i cm o d e lf o rt h ee l e c t r o ni n j e c t i o ng i v e sar e a s o n a b l ef i t 谢也o u rd a t a 功er e s u l t ss h o wt h a t , b yc h o o s i n ga p p r o p r i a t ef l u o r e s c e n tl a y e rm a t e r i a l sa n dt h e t h i c k n e s s ，t h et e m p e r a t u r eo f t h eh o te l e c t r o n si n s i d et h et a r g e tc a l lb em e a s u r e db y a b s t r a c t t h ei n t e n s i t yr a t i oo fc h a r a c t e r i s t i cl i n e s w i t hc hf o a mt a r g e t , t h ec o n v e r s i o n e f f i c i e n c yo ft h eh o te l e c t r o n si sf o u n d k e yw o r d s ：u 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 , h o te l e c t r o n ，k 0 【l i n e ，c o n v e r s i o n e f f i c i e n c y l i i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的 成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或 撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作 了明确的说明。 作者签名：努通强 签字日期：丝应：笸：至 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学 拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构 送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中 国学位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内 容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 吆开口保密( 年) 作者签名：盔酒涵 导师签名：乏! 里叁垄 签字日期： 塾f j 2 ：笸：b 签字日期： 第l 章绪论 1 1 激光核聚变简介 第1 章绪论 鼍- 簧三鍪 。i j 鳓爆 o 铺哆“1 1 铺 图1 2 点火靶标准三层结构 点火能量阐值对燃料的收缩比有很强的依赖关系，内爆收缩比取决于内爆速 度，所以点火闽值强烈依赖于ka 点火的能量阈值随u 二变化，其中对于图1 3 所示的靶型驸5 6 。对于具有不同内爆压力和熵压力的靶，闽值的近似定标公 式： * 矿嘭p 。 ( 1 1 ) 第1 章绪论 其中，p 为内爆压强，口是给定密度燃料的压强与其费米压强之比a a w t 2 = 嚣”* 糟酱。 三夏至垂三譬。 珊m ：k ：劣。一等自= ：! 篇 图1 3 目前i c f 点火靶的物理参数：对驱动强度、对称性、稳定性和点火的约束条件 典型的基本点火方式有三种：中心点火、体点火和快点火。 中心点火：在所有点火方式中，研究最多，最为成熟，所以是晟有可能 的。而由于间接驱动有较好的对称性，因此n i f 的点火靶又以间接驱动的中心 点火方式为主。 世竺! ：，生，! ! ! ! ! j 图1 4 中心点火示意圈 第1 章绪论 咄 獠旦源= 麓烈 索豢 图l5 中心点火的四个步骤” 一黜：矿 _ 嚣 o 中心点火的三大问题：( 1 ) 要提高能量的利用率( 转换效率、内爆效率) 。 ( 2 ) 提高压缩的有效性( 对称性、等熵压缩) 。( 3 ) 降低内爆的有害性( 腔内激 光等离子体、流体力学不稳定性) 。美国点火物理也是针对这些问题开展工作的。 体点火( 双层壳靶点火) ：这种点火方式采用双层壳靶。外壳层与非常轻 的内壳层碰撞使其加速到较高的速度，当内壳层质量远小于外壳层可忽略时内 壳层速度为外壳层速度的2 倍。因此，双壳层靶可以达到速度倍增的效果，从而 实现在较低的内爆速度下点火。 区三三三卫 图i 6 取层壳靶结构” 外壳层的作用主要是对柱腔产生的x 射线进行有效吸收，在球形压缩的基 础上，外壳层被加速撞击在内壳层上，如果考虑到完全弹性碰撞，内壳层可获得 外壳层的加速，使双壳层靶增益较单壳层靶高。内壳层的作用在于限制点火燃料 的辐射损失，因为原子序数高，可提供额外的惯性约束以延缓燃料解体时间。内 壳层初始密度高，可以承受外壳层的撞击，这样进一步降低了点火的阈值。 第l 章绪论 快点火：这种点火方式将压缩和点火热斑的形成分开，先用中等功率密 度激光将燃料压缩到高密度，然后用p w 超短超强激光形成超热电子流形成点火 热斑。 1 2 强场和快点火物理 圈17 快点火示意圈。1 c p a 技术与已有高功率激光装置相结合，能够输出拍瓦激光“。啁啾放大技 术的基本原理如图1 8 所示。 圈18c p a 檄光器工作原理示意图 激光八射到靶面时，所产生的电场强度超过氢原子第一玻尔半径库仑场 ( 1aeu = 5 l l0 9 v c m ) 的2 0 0 多倍，一系列极端物态条件开辟了一个崭新的 科学领域强场物理“”。超强超短激光等离子体相互作用研究内容十分广泛， 各国实验室纷纷投入力量将c p a 技术与己有的大型激光器相耦合“1 中国工 程物理研究院激光聚变研究中心的s i l e x - i 超短超强1 0 0 t w 激光装置，输出功 率高选2 0 0 t w ，靶面聚焦功率可达到1 0 2 1 w e r a 2 【”。 超短超强檄光的出现为墩光惯性约束聚变提供了一条新的可行性途径，快点 火的核心思想是将压缩和点火两个过程分开。 第1 章绪论 。爵雾- 0 o g 銎 固。黧- i n e n s 猡e 快点火方案的优点还在于，这种点火方案适合多种驱动方式 画i 腰围 团翌囤 田1 1 0 快点火的驱动方式” 快点火的基本要求，点火柬能量：2 占0 2 l 靳i i i 参磊_ ) “”j 点火柬功率密度：2 0 2 6 8 x l 酽i i i 5 磊- ) ”5 矿，删2 点火束脉宽：2 。2 2 1 丽乞_ ) 圳5 芦 点火柬半径：2 。2 2 0 ( 3 0 0 9 旦c m ，”一m 如图1 1 0 ，快点火具有多种点火方式。锥一壳点火方式是目前研究较多的 快点火方式。 第l 章绪论 p wj a s o t f o rh e a t i n g c o n es h e t lt a r g e t 圈1 1 1 锥一壳点火方式 锥一壳快点火方式被认为是最可行的快点火方案，但是锥与激光的相互作用 物理过程复杂，还有许多疑点未搞清楚，比如：锥靶是否能增强超热电子发射； 锥的最佳角度是多少，与激光如何匹配；锥的烧蚀过程是如何的等一些问题。 快点火作为一种比较理想的激光聚变点火方式。也有一些风险，具体体现在： 1 利用2 0 0 - - 3 0 0 1 d 的整形脉冲获得快点火所需密度条件，风险度比较低， 但是由于与中心点火有较大差别，仍然需要加大研究和方法掌握。快点火的风险 主要在于点火激光到热斑的总的耦合效率，日本的集成实验得到2 5 ，并不完 全足以定标到高密度状态。 2 分解的超热电子产生效率测量还没有更可靠精确的办法，但是很多人相信 可达到3 0 以上，但是仍然需要研究点火尺度小下的转换效率( 2 0 口s 、 i c o w c m 2 ) 、是否需要2 激光等。 3 超热电子的传输和能量沉积风险度较太，可以说现在开展的在固体靶中的 超热电子传输实验与点火尺度下的警嘭犯密度梯度的差距较大。对超热电子在点 火尺度下的传输问题还是限于不完整的模型和模拟。 4 质子快点火的风险也很大，关键是产生效率和聚焦焦斑。 3 本研究课题的提出 超短超强激光和固体靶相互作用，在靠近靶面附近产生大量的超热电子，当 其能量大于原于k 壳层的电离能时，就会激发产生k 始征x 射线发射”“l 。k a 线光源具有能量单一、脉宽短( 飞秒量级) “4 、亮度高以及源尺寸小( 微米量级) “3 “1 等特点。我们利用单光子计数型c c d 射线谱仪所组成的无色散测量装置， 铡量了功率密度为1 0 ”1 0 ”w e m 2 时，不同材料、厚度的平面靶、复合靶及c h 泡沫靶的k a 光子的产颧，利用由不同材料构成的两荧光层靶辐射出的k q 特征 线强度比值结合程序模拟结果，对向靶内输运的超热电子的温度进行了诊断，并 计算了澈光能量转化成超热电子的效率。 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 第2 章激光等离子体超热电子的产生 2 1激光能量的吸收机制 中物院在2 0 t w 激光器上进行了超热电子角分布实验，测得超热电子能谱空 间的角分布：靶前法线方向主要由共振吸收和真空加热机制产生超热电子n 酊。还 在1 0 0 t w 超短超强激光装置上，利用电子磁谱仪在靶前反射方向和靶后激光传 输方向研究了超热电子的能谱删。 2 1 1共振吸收 等离子体密度梯度不很大时，共振吸收机制是占主要地位的，吸收过程就是 入射激光的电磁波转换为电子等离子体波订。随着激光强度的增j j i ( 1 0 巧w c m 2 ) ， 在相互作用时等离子体的温度上升很快，这使得电子和离子的碰撞频率大大减 少，致使碰撞吸收变得不再重要，同时共振吸收等一些非碰撞机制可以将激光能 量耦合到等离子体里面去。 在非均匀等离子体中，斜入射的p 偏振激光的电场矢量沿等离子体密度梯度 方向的分量进行振荡时，形成电荷密度涨落，而临界密度区的电子会随之发生共 振，从而在临界密度区的等离子体中激发一个很强的电子等离子体波。由于这是 一个正反馈过程，激发的电子等离子体波增长很快，最后通过各种阻尼机制如碰 撞阻尼、波破等将能量交给电子，产生超热电子。 共振吸收的特点： ( 1 ) 吸收率对入射角和极化很敏感 首先考虑激光极化对共振吸收的影响。图2 1 给出了激光在有密度梯度等离 子体中斜入射的几何模型。由图可见，p 极化激光斜入射时的电场矢量位于入射 平面，在密度梯度方向有z 分量，因此它能分离正、负电荷。在临界面处，c o l = o j r ， 这导致朗缪尔波的共振激发，可以看到i e ：1 2 的共振峰，当这个波离开峰值时，获 得很大的振幅，最终，波破裂而产生热电子。而对于s 极化激光，电场矢量和平 板靶表面平行，在z 方向没有分量。相应的j e ，1 2 画在图2 1 的右边，它没有共 振行为，也没有波激发引起的能量吸收。 7 第2 章激光等离子体超热电子的产生厦输运 图2 1p 极化和s 极化区别1图2 2 共撮吸收理论吸收曲线1 另外，图2i 表明共振吸收只有在激光以角度州入射时才能发生。这里密 度轮廓是标尺刚蔓为l 的线性坡度光束轨迹不能穿透到位于z = 0 的共振层， 在z = 屯s m 2 口处就被截止。但是由于渡的本性，电磁波能以振幅随z 坐标指数 衰减形式穿过这段相差的距离并把一部分能量传八到等离子体深处。 对拎等离子体，可以证明，吸收效率只依赖一个参数，q = ( 盘l ) 啦s i n = a 。图 2 2 给出了数值结果“。这个吸收曲线在物理上很容易理解：对正入射( q ；0 ) ， 光波的电场矢量和等离子体表面平行，所以没有耦合。另一方面，对非常斜的入 射或者太标尺长度( q 1 ) ，截止远离共振层，所以遂穿根弱。另外从图可以看 出，当q = 05 时有最大值a l = o4 9 ，即共振吸收的效率约为5 0 。 ( 2 ) 密度调制 等离子体中一点如果被施加压力，则该处密度曲线将被调制。菸振吸收时， 附近的密度被斜入射电磁渡反射时的压力和共振产生的静电场施加的压力共同 调制，变陡峭。因为密度调制，实验铯攫8 量到谐波的产生。高次谐波就是密度分 布陡峭的证据 ( 3 ) 密度标长及能量定标关系 共振吸收要求等离子体密度标长。，其中= 峨q 瑶为电子抖 动振幅e 为电子电量，为电子静止质量， 为激光波长，嘞= 2 r r c 2 为激光 圆频率。f o r s l u n d 等人得出超热电子由共振吸收获得能量的定标率为 t ( k e v ) = 6 x 1 0 4 u 2 妒。 入射光波在等离子体中传播时，会产生拉曼散射、积等离子体衰变、受撤布 里撼散射等一些参量不稳定性，这些不稳定性也可以引起激光能量的吸收。与共 振吸收不同，通常情况下，参量不稳定必须满足的条件是：等离子体密度标尺长 度远大于光波长。参量不稳定性引起的吸收主要是通过以产生的等离子体波加热 电子的方式来实现。光强处在弱相对论强度的情况下，各种不稳定性导致的吸收 增长率与光强成正比。 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 2 1 2 激光有质动力 超短超强激光与物质相互作用中，当入射激光的功率密度非常高时，例如 1 0 1 9 w c m 2 ，会发生口蛐1 j x b 加热机制。该吸收机制来源于激光有质动力的振荡部 分，而有质动力是激光高频场与等离子体耦合产生的低频力。当激光与超临界密 度的等离子体相互作用时，在等离子体与真空界面处便形成了趋肤层。假设趋肤 层内的激光电场强度为e = es i n c o o t ，则产生的有质动力为 厂= 一等瞳o ) ( 1 - c o s 2 c o o t ) ( 2 1 ) - g r x 其中v = e e 。m o o 。有质动力的时间平均项作用在等离子体上使之变陡，这就是常 说的“陡化”，而有质动力的振荡部分将导致j x b 加热，产生超热电子。 j x b 加热特点： ( i ) j x b 加热电子振荡形式 有质动力的振荡部分所驱动的静电场表示为 生= 了1i 0v l 2 ( x ) c o s 2 吖 ( 2 2 ) m 斗“忑 由于振荡的静电场的作用，电子在真空与等离子体的界面处以二倍的激光频 率振荡，如果电子受到的力足够强，边界上所有的电子将会以“非共振”波的形式 来振荡。其中的一些电子在这种振荡中获得能量，进入高密度的等离子体。这种 机制类似于真空加热，但不同的是有质动力的振荡成分驱动电子穿过真空与等离 子体的界面，而不是激光的电场驱动电子振荡由于有质动力的振荡成分随时间 以2 c o d 的频率变化，所以被加热的高能电子在相空间的位置大致间隔半个激光波 长，这也是j x b 加热机制的一个重要特征。同时该机制随电子密度的增加而减 小，但背景电子温度对该吸收机制的影响不是很大。 ( 2 ) j xb 加热与激光强度的关系 静电场助正比于钟叙，所以入射激光越强，电场梯度越大，该加热机制越 有效。在n ：1 0 1 7 w p m 2 c m 2 时，其吸收率约l 糊，而当激光强度增加至 u ：一1 0 1 8 w 1 t m 2 c m 2 时，吸收率上升为1 5 。 高频部分的电子振荡速度和电场有以下形式： “。= ”。( x ) e - a ，e = e o ( 功e 埘 ( 2 3 ) 则有质动力的表达形式m 1 ： f ；一鲁v 时 ( 2 4 ) 2 国2 o 2 1 3 反常趋肤效应 9 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 关于反常趋肤效应人们认识得较早，w e i b e l 等在1 9 6 7 年首先讨论了该种吸收 机制，后来t i k h o n c h u k 给出了吸收效率并把这一吸收机制称为反常趋肤效应乜2 】。 与常见的共振吸收以及逆韧致吸收相比，该机制的发生的几率较小，但在一些特 殊的情况下应该考虑该吸收机制。 当高强度等离子体温度为几千电子伏特时，电子的自由程超过趋肤深度 c ( c 是真空光速，国。是等离子体频率) ，激光电场就能通过振荡的电子穿过 趋肤层进入更深的等离子体区域而被吸收，这就是所谓的反常趋肤效应。 反常趋肤效应的效率与趋肤深度密切相关，趋肤深度越大，吸收越强。当入 射激光达到相对论量级时，由于电子质量随相对论因子增加，趋肤深度也会增加， 反常趋肤效应也相应增大。 上面分别介绍了几种超热电子产生机制，而在激光和靶相互作用的过程中往 往几种机制是同时存在的。文献嘲中的模拟很清楚的给出了三种不同条件下超热 电子的发散角，从而推断出超热电子产生机制。在他们的模拟中得到当功率密度 为2 1 0 1 9 w c m 2 时，同时存在共振吸收和j x b 加热，如图2 3 所示。 l 矗) 8 x 10 仃w 细伊 和2 x l o 。w 衍m 2鼢8 x l o t w ，饼，l l e 1 0 0 k e v巨 3 6 0 k e ve - ，1m e v 隧。酒 蹬? 嗯；霸 0 、? ：2 j ：2 7 0 2 1 4 真空加热 【忑 p 、= 0 缈i i绘 沁0瓣 泌知2 7 0 躐爝 l j ，一_ 譬。 婚。|溯 0v 图2 3电子角分布随激光强度的关系瞄1 真空加热嗽1 是一种与共振吸收相联系的机制，都是激光电场驱动电子穿过一 个具有密度梯度的等离子体，不同的是共振吸收中等离子体标长是激光波长的很 多倍，而真空加热中则小于激光波长。b r u n e l 首先在1 9 8 7 年讨论了该机制， 所以该机制又称为b r t m e l 效应或者是“非共振 共振吸收。 当p 偏振激光脉冲斜入射到超临界密度的等离子体上时，电子将被激光电场 的分量直接加速。电子在光学周期的上半周期逃逸到真空中，而在下半个光学周 期被反向的分离电场拉回到等离子体表面，在这一过程中电子获得的速度几乎为 振荡速度屹。，这就是所谓的真空加热过程。 真空加热特点： ( 1 ) 吸收率随入射角和激光功率密度的关系 l o 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 考虑到入射激光场的不完全反射以及相对论效应两个因素，b r u n e l 最终给 出了吸收效率随角度及激光功率密度的变化关系n ： 锄= 去水- 舾2 秒) 1 2 _ 1 尝 ( 2 - 5 ) 根据这个表达式，b r u n e l 给出了三种不同情况下吸收率随角度及激光功率密度 的变化关系曲线图。如图2 4 所示，三条曲线分别对应a o - - 0 1 ，考虑激光泵浦损 图2 4 共振吸收理论吸收曲线n 7 1 耗及a o l 三种情况。未考虑泵浦损耗时，吸收率随射角迅速增大，在八十几度 处达到百分之百。考虑泵浦损耗，吸收率随角度先增长，然后迅速下降。对比 a o = 0 1 和a o l 两种情况可发现吸收率随激光强度明显增长。另外，和共振吸收 相比，可看出真空加热的吸收效率能达到百分之百，而共振吸收最多只有百分之 五十左右。 ( 2 ) 密度标长及能量定标关系： 这种机制主要发生在等离子体密度超过临界密度并且有大的密度梯度或密 度不连续的情况下。在标尺长度厶没有明显的大于电子振荡振幅的情况下，标 尺长度越长，被拉到真空中的电子数目越多，激光能量被吸收的越强烈。如果电 子在一个激光周期中的运动距离大于等离子体的标尺长度，电子就会把它的振动 能量沉积到更高密度的等离子体中去。真空加热要求l , n m x o s c 。电子通过真空加 热所获得能量的定标率为s ( k e v ) 兰3 6 x 1 0 。1 6 ，麓。 2 2 激光等离子体超热电子的定标和研究方法 通过前面提到的几种吸收机制，激光的能量主要转换成电子的能量，但激光 与固体靶中高能电子的产生主要通过无碰撞吸收机制。 f o r s l u n d 1 等人以及e s t a b r o o k 和k l m c r 矧通过数值模拟发现，通过共振吸收产 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 生的高能电子的温度死们 娩川6 x l o - 5 ( 所) “3 。文献乜7 1 给出了当入射光强达到相 对论强度时，如果激光正入射到很陡密度梯度的等离子体上，则，b 加热起主 要作用，这时给出能量定标律为 帅5 t ，( 1 + 蒜卜- l 眨6 ， p u k h o v 嘲等人的数值模拟表明通过在激光自聚焦通道中逆自由电子激光加 速这种机制产生的超热电子的温度【拖y 】_ 1 5 ( 1 6 8 ) 2 。 激光功率密度由下式决定： ，= 习瓦石e j ( m j ) 1 0 - 3 忑= 去x 1 2 7 3 2x1 0 2 0 i j z , 1 3 ( 州c m x l o 2 f xr ( j 台) xl o 2 ) ( 2 7 ) f = 1 _ ；一5 _ l j 厶， 万l d ( 们) - 4_ 5 d 2 f 、。 超热电子的能量受激光功率密度的直接影响，超热电子的温度满足定标关系 油】 r ( k e v ) = 1 0 0 ( 1 2 2 1 0 1 7 ) 4 ( 2 8 ) 其中，口在1 3 l 2 之间。随后，文献给出定标关系 嘲解k 1 0 0 ( 1 1 7 矛) 3 妇y 。对于i o o t w 超短脉冲激光装置，超热电子温度定标 关系有如下修正口： 。，1 0 0 ( 1 7 旯2 ) o 4 2 6 钯矿 ( 2 9 ) m a l k a 伽锄等人用超短脉冲激光与等离子作用的实验研究发现，预脉冲存在 产生的预等离子体对加热电子有一定的作用，还发现超热电子能谱出现两个温度 不同的超热电子群，分别对应不同的加速机制。 此外，关于高能电子的发射方向也是一个令人感兴趣的问题。盛政明3 等人 对这个问题做了理论研究和数值模拟，给出高能电子出射方向的解析表达式。这 些表达式可以解释一部分实验观察，还有一些实验观测至今不能被理论解释。 2 3 激光与物质相互作用中超热电子的研究进展 国内外许多研究小组对超热电子在等离子体中的行为进行了大量的研究，并 取得了重要进展。 u t e u b n e r 泓3 和t l f e d o s e j e v s 哺1 等人比较了p 极化和s 极化光与物质相互作 用时产生x 射线产额，发现前者远高于后者。 y o i c h i r oh i r o n a 等口町将4 1 f s 激光以6 0 0 入射到c u 靶上( 强度为 1 3 x 1 0 1 7 w c m 2 ) 。用x 射线光电二极管测量硬x 射线( 4 k e v - 2 0 k e v ) 的产额，用s i 单晶衍射仪测量c u 的k a 线，两探测器放在角度仪( n - l 围绕焦点扫描) 上测量硬 x 射线和k 线的角分布。一般实验假设k 线辐射和总的x 射线的辐射是各向同性的 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 c 钾】 工f e u r e r 等呻1 用8 0 f s ，t i ：蓝宝石c p a 系统激光( 最大能量2 0 0 m j ) 辐照s i 靶， 测得x 射线脉冲宽度在2 0 0 f s - - 6 4 0 f s 之间，并用p i c 和m c 电子输运程序模拟k a 线 辐射的时间特性。f p i s a n i 等汹1 用3 9 5 n m 、1 8 0 r s ( 聚焦强度为1 0 1 7 w c m 2 ) ，间隔 2 0 p s 的两束飞秒脉冲辐照s i 0 2 靶，测量s i 的k 线辐射的时间特性，发现第一束激 光脉冲产生的k 线脉冲为1 1 p s ，而第二束产生的k 线比第一束产生的长0 7 p s 。 c h r e i c h 等用一个二维的单色成像系统研究了f 激光与t i 靶相互作用k 线 辐射的空间特性。低强度时，k a 线的辐射由一宽的峰组成，而在高强度时，k a 线峰值的中心被一大的弱k 线辐射的环围绕，它占k 线辐射的2 3 。当激光强度为 7 1 0 1 8 w c m 2 时，k a 线辐射区达4 0 0 i t m ，峰值的半高宽为7 0 i t m ，而激光光斑尺 寸为3 p s n 。当激光强度增加时k a 线辐射的峰值不再增加，甚至减小。 d s a l z m a n n h 建立了在激光打靶中超热电子产生k a 的谱线模型，拟合出光 ， 子产额的解析式：心= m 吼告争f 翘吒忸k ( e ) ，得出最优的产生k c l 线辐 叶刀 五 射的靶厚度和超热电子的能量及靶材的关系，发现最优的靶厚和电子的射程及光 子的平均自由程相当，此时，超热电子的能量应为k 壳层电离势的4 1 2 倍。 c h r e i c h “2 1 等考虑了k 线向靶前辐射时的再吸收效应，模拟了最优的产生k a 辐射的功率密度。解析模型得到的产生k a 辐射最优的激光强度为： = 7 x 1 0 9 z “，p i c 模拟结果得到c u 、a g 的k a 线辐射的最优强度则分别为 7 1 0 1 5 w c m 2 和3 x 1 0 1 6 w c m 2 ，其结果与解析模型结果有一定的偏差，这主要 是由于考虑再吸收过程的近似处理造成的。 l m c h e n 等h 羽用t i ：蓝宝石c p a 激光( 7 0 - - 4 0 0 f s ，强度1 0 1 7 1 0 饽w c m - 2 ， 5 6 0 入射) 辐照银、铜靶平面靶研究超热电子角分布，激光k a 线转换效率与激 光强度、脉冲及能量的关系并用p i c 程序作了有关模拟。发现当激光强度 i l x l 0 1 7 w c l l l - 2 时，银的k a 线的转换效率在激光强度i = 4 x 1 0 1 8 w c m - 2 时达到最 大值2 x l o 弓。 a l e x e iz h i d k o v m l 等研究t 4 2 f s 、7 8 0 h m 、1 0 1 7 w c m 2 激光辐照厚c u 靶( 直 径7 0n l n l ，厚5 m m , 表面抛光) 产生的超热电子的能量分布和k 线辐射。并用混 合模拟程序( 流体力学模型，碰撞p i c 模型和m o n t ec a r l o 电子输运模型) 进行 了数值模拟。发现超热电子有一能量截止，它依赖与自发辐射放大( a s e ) 脉冲 与主脉冲的对比度，当激光脉冲强度大于相对论强度( i 1 1 0 墙w c m 2 ) 时仍 然存在。 m t a r a k i s 等通过c d 2 靶的前后表面放置的探测器观察到了超热电子形成的 靶前后表面产生的等离子体发射阴影成像。 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 二曩 圈25 靶前和靶后等离子体发射阴影成像“” l bw h a r t o n 等人首次用超强激光辐照复合靶测量了不同靶材料产生的k n 谱线“”。实验测量了激光与三层靶( a i m o c h ) 相互作用辐射出的m o 靶随a l 层厚度的关系曲线。然后通过i t s 程序拟合不同能量的超热电子在三层靶中传输 时激发的k a 射线随靶厚的关系曲线，比对实验和程序拟合出的曲线，可| = 上给出 超热电子温度和激光能量转化超热电子教率。结果发现超热电子的转换效率在 2 0 3 0 之间。 c h z i e n 口等3 发现使用适当的预脉冲，k n 线转换效率可以提高2 5 倍 h i d e t o s h i n a k a u o 等用两束1 0 0 f s 、7 9 0 r i m 的c p a 激光辐照a l 靶，研究预等离 子体对k a 线辐射的影响。实验在中预、主脉冲强度固定在8 5 x 1 0 ”w c m 2 和 23 1 0 “w c m 2 预、主脉冲问隔在o - 3 n s 之间变化激光入射角在o 4 0 。之间 变化。 1 9 9 3 年c h e n 抽i 等人第一次定量研究了皮秒激光与多层靶( a i s i ) 相互作用， 通过比较不同a l 层产生的k n 射线绝对产额结合蒙特卡罗程序计算结果，得到了 超热电子温度为3 k e v 。m a r f i n o l l i ”1 等人，建立了激光辐照三层靶( a i c u a i ) 模型，通过测量c u 和a i 的k c t 射线强度之比再结台蒙特卡罗程序模拟方法，诊 断了超热电子温度等信息。 靶的结构对x 射线的产颧也有较大影响，故另外一些受关注的办法是使用 带特殊结构的靶( 非平面靶) 如：刻槽( g r a t i n g ) 靶“，胶体靶( c o l l o i d a l ) 嘲， 多孔靶( p o r o u ss i ) ，天鹅绒靶( v e l v e t ) 瞄，纳米圆孔阵列靶( n a n o e y l m d e r ) ， 以及金属纳米颗粒靶”1 等等。这些特殊的表面结构，提高了激光转化为x 射线 的效率。范围为4 2 0 倍，在增强激光和靶耦台效率方面体现了一些优势。 加拿大gk u l c s r 9 ，采用天鹅绒靶研究了软x 射线发射特性，获得了较平 面靶强度高5 0 倍的能量= 9 0 0 e v 的x 射线强度。p pr a j e e v 等”通过高压直流溅 射法在铜基底上形成厚度约l i m a 的球形和椭球形( 比率为1 5 ) 铜纳米粒子层。 用p 极化的l o o f s 钛宝石激光( 1 0 “一l o ”w c m 2 ) 以4 5 0 入射到纳米粒子层，测 量到1 0 k e v - - 2 0 0 k e v 范围内的硬x 射线产额，相对于抛光的铜靶，最大有1 3 第2 章激光等离子体超热电子的产生及输运 倍的提高。 l l n l ( l a w r e n c el i v e r m o r en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 利用k o t x 射线，首次测量了 i 1 0 1 9 w e r a 2 条件下，超强激光在固体靶内产生的超热电子行为。实验发现，在 固态靶中，有2 0 3 0 的激光能量转移给了向前运动的电子，且转换效率与材料 无关，但电子的平均动能与材料有关踟。 大多数实验结果棚3k c t 线产额为1 0 9 1 0 儿( 4 n s r ) ，转化效率为 - 1 0 6 一l o - 5 。用于激光强度的不n ( 1 0 1 7 - 一1 0 1 1w e r a 2 ，前向超热电子效率变化较大 r 媲乩5 町 2 4 小结 超短超强激光与等离子体相互作用中，激光能量通过多种吸收机制将其能量 传递给等离子体，产生高能的超热电子。超热电子的加热机制对激光功率密度的 依赖较大，激光功率密度的不同，产生超热电子的占主导地位的加热机制不同。 第3 章激光等离子体超热电子行为主要诊断设备 第三章激光等离子体超热电子行为主要诊断设备 3 1实验诊断系统 3 1 1电子磁谱仪 电子动能为： e ( k e v ) = m c 2 - m o c 2 = m o c 2 由此得出，不同的曲率半径对应着不同动能的电子，记录下各种半径处超热 电子的数目，就能得出超热电子的能谱分布。 图3 1电子磁谱仪原理示意图嘲 利用电子磁谱仪可以测量出超热电子能量的空间分布嗍，电磁能谱的测量中 我们采用i p 板作为超热电子的探测元件。成像板( i m a g ep l a t e ，口) 是一种近年发 展起来的，能对x 射线、电子和离子等进行有效积分测量的、高空间分辨的， 新型的二维