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四川大学硕士学位论文 超短超强激光等离子体中超热电子激发 k a 特征线实验研究 原子分子物理专业 研究生张双根指导教师蒋刚谷渝秋 超短超强激光与等离子体相互作用过程中，在临界密度面附近产生能量很 高的超热电子。当其能量超过靶后冷物质k 壳层的电离能时，就会激发冷物质 的k a 特征线。从k a 特征线辐射可以间接诊断超热电子在稠密等离子体内的产 生和输运等信息。超热电子在稠密等离子体中的行为在快点火物理研究中是一 个重要的课题，它的产额、温度及其在圆体靶中的输运都是重点研究对象。另 外，脉冲形式向外发射的k a 线，可以形成独特的k a 线背光源，这种光源具有 空间尺度小( 微米量级) 、时间尺度短( 皮秒量级) 等特点，因而背光源的研究具 有极其广阔的应用前景。为了探索超短超强激光等离子体中超热电子的行为， 并为未来的应用作预研，本论文开展了对超短超强激光等离子体相互作用中超 热电子激发的k a 特征线的实验研究。 论文从惯性约束聚变入手，简单介绍了强场与快点火物理的研究进展，在 理论基础部分，阐述了激光与等离子体相互作用的基本原理、超热电子的产生 等问题。介绍了超热电子在高温高密等离子体内的行为，包括相对论电子的单 粒子行为和超热电子流的输运，随后介绍了超热电子行为的实验诊断方法 单光子计数型c c d 是k a 特征线测量的重要仪器，在中国计量科学研究院 对该型c c d 进行了精确标定，获得了该型c c d 的能量特性、不同能点的探测效 率。结果表明：该型c c d 产生一个计数所需的光子能量约为6 4 5 3e v ；在该型 c c d 的有效能区内，不同能量的入射光子，其探测效率不同，在5 3k e y 处获 得最高探测效率6 6 。 在中国工程物理研究院激光聚变研究中心的s i l e x i 超短脉冲激光装置 四川大学硕士学位论文 上，利用已标定的单光子计数型c c d 建立了g a 特征线谱仪，进行了复合靶k a 特征线实验。复合靶的设计包括示踪层、荧光层、c h 层三层。在国内首次定量 测量了不同材料的荧光产额，研究了靶前、靶后，不同材料厚度、不同激光功 率密度时的荧光强度和单色性。结果表明：随着入射激光能量的增加，光子产 额呈近似线性提高：当激光功率密度提升到相对论功率密度( 1 0 1 8 l c f f ) 时， g a 光子产额会有量级的增加；k a 光子的转化效率在l o 1 0 之间，主要依 赖于入射激光的强度和能量；示踪层厚度对k a 光子产额也有较明显的影响， 随着示踪层厚度的增加，k a 光子产额下降，主要是由于超热电子在厚靶中输 运沉积了更多的能量；高信噪比下k a 光子产额高，相同能量下，光予产额约 为低信噪比时的两倍；比较了靶的前向和背向x 射线谱，背向的x 射线谱更具 单色性。 关键词：激光等离子体k a 特征线超热电子c c d 四川大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so n k ar a d i a t i o np r o d u c e db yh o t e l e c t r o n sd u r i n gt h ei n t e r a c t i o no fu l t r a - s h o r ta n d u 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 m a j o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：s h u a n g g e nz h a n g s u p e r v i s o r ：g a n gj i a n gy u q i ug u d u r i n gt h ei n t e r a c t i o no fu 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 e w i t h p l a s m a s ，h i g h e n e r g y e l e c t r o n sw i l lb ep r o d u c e d n e a rt o c r i t i c a l d e n 8 i t ys u r f a c e w h e nt h eh o te l e c t r o n sk n o c k e do u ti n n e r s h e l l e l e c t r o n so ft h ec o l dm a t e r i a l ，k ac h a r a c t e r i s t i cl i n e se m i s s i o nw i l l b ec r e a t e d k ae m i s s i o ni s c l o s e l y c 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 nf i n ds o m eu s e f u l i n f o r m a t i o no fh o te l e c t r o n ，s u c ha sit sp r o d u c t i o na n dt r a n s p o r ti n o 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 y p 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 y f o rc h a t a c t e r i s t i cp u l s el i g h t s 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 n r e f e r r e da b o v e w ec a r r i e do u tt h ee 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 nw i t ht h em u l t i l a y e r st a r g e t si r r a d i a t e d b vu s u il a s e r t ob e g i nw i t h ，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 ti g n i t i o nw e r e b r i e f l yi n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h eb a s i ct h e o r yw a se x p a t i a t e d ，i n c l u d i n g t k ep r o c e s so ft h ei n t e r a c t i o no fu s u il a s e rw i t hp l a s m a ；t h ep r o d u e t i o n a n da c c l e r a t i o nm e c h a n i s m so fh o te l e c t r o n s ：t h er e l a t i v i s t i ce l e c t r o n k i n e t i ct h e o r ya n dt h ep r o p a g a t i o no fh o te l e c t r o n s c u r r e n t a tl a s t ，t h e m e t h o d su s e dt od e t e c th o te l e c t r o n s a c t i o nw e r ep r e s e n t e d t h es i n g l e p h o t o nc o u n t i n gc c dw a su s e dt od e t e c tk ae m i s s i o n w e c a r r i e do u tt h ee n e r g yc a l i b r a t i o ne x p e r i m e n tu s i n gs e v e r a ls t a n d a r d x - r a ys o u r c e si nn a t i o n a l i n s t i t u t eo fm e t r o l o g eo fc h i 慨t h e 四川大学硕士学位论文 c a l i b r a t i o ns h o w sp h o t o nw i t h6 4 5 3e vc a np r o d u c eo n ec o u n t b a s e do n t h i sr e s u l t ，t h ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yo ft h ec c i ) i sc a l c u l a t e d t h e d e t e c t i o ne f f i c i e n c yc h a n g e sw i t hd i f f e r e n tp h e t o ne n e r g i e si nt h er a n g e o f5 3k e y s 3 0k e y t h ee f f i c i e n c yd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fp h o t o n e n e r g y t h ek af l u o r e s c e n c em e a s u r e m e n tw a sc a r r i e do u ta tt h eg i - u sl a s e r f a c i l i t yi nt h ec h i n aa c a d e m yo fe n f i n e e r i n gp h y s i c s ( c a e p ) i nt h e e x p e r i m e n t ，k e e p i n g t h el a s e r i n t e n s i t y v a r i a b l ef r o m1 0 1 w c m 2t o 1 0 1 9 l c m t h et a r g e t sa r er e c t a n g u l a rf o i l so fv a r i o u sm a t e r i a l s t h e t r a c e rl a y e r ( a lo rc u ) h a sd i f f e r e n tt h i c k n e s sf r o m0 1 肿t o7 朋，a n d t h ef l u o r e s c e n tl a y e rh a s t h ei n v a r i a b l et h i c k n e s s5 0 朋靠f i n a l l y ，a l a y e ro f2j 肼t h i c kc hc o v e r e dt h eb a c ko ft h et a r g e t i ti sd e m o n s t r a t e d t h a tk ay i e l di sr e l a t e dt om a n yf a c t o r s w i t ht h el a s e re n e r g yi n c r e a s e ， k ax r a y y i e l d i n c r e a s ea p p o x i m a t e l yl i n e a r t h ej 【口 y i e l di s s e n s i t i v et ot h el a s e ri n t e n s i t y w h e nt h ei n t e n s i t yi n c r e a s e f r o m n o n r e l a t i v i s t i ct or e l a t i v i s t i c ，t h ey i e l dr i s ei nm a g n i t u d e t o t a l c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yo fk ap h o t o n sw a sl a c a t e di nt h er a n g eo f1 0 1 1 0 d e n p e n d e do nt h el a s e re n e r g ya n di n t e n s i t y b yv a r y i n gt h ed e p t ho f t h et r a c e r l a y e r ，t h e k a y i e l dc h a n g e da c c o r d i n g l y ，t h e t h i c k e r l a y e r ，t h ef e w e rk ay i e l d f r o mt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，w ec a ns e et h a t t h eb e h i n dx - r a ye m i s s i o ni sm a r em o n o c h r o m a t i ct h a nt h ef o r w a r dx - r a y e m i s s i o n 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 ，p l a s m a ，h o te l e c t r o n ， k ac h a r a c t e r i s t i cl i n e ，c c d 四川大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 惯性约束聚变简介 随着世界人口的不断增加，人们生活水平的提高和生产的发展，能源消耗 量逐年大幅度上升。有机燃料和化石燃料在地球上的存储量是有限的，并且化 石燃料排出大量的废气，污染环境，还会造成大气中二氧化碳的浓度增加，其 温室效应会使地球变暖；裂变能也存在成本高，资源有限等缺点。同时裂变能 的利用还有安全性和核废料的处理等问题。利用核聚变能是人类文明延续的必 然。我们知道，聚变能是太阳、恒星和核武器的原动力，核聚变反应可以比核 裂变反应释放大得多的能量，如果将聚变能变成可控的能源，那将成为人类的 福音。在可控条件下产生热核聚变是一个挑战性的科学技术难题，为此开辟了 两条道路，一是磁约束聚变( 配f ) ，已经研究了四十多年，也取得了辉煌的成就。 另一条路是惯性约束聚变( i c f ) ，相比之下，惯性约束聚变是一个年轻的领域， 但前景十分广阔。 1 9 6 0 年世界上第一台激光器( 红宝石激光器) 问世，美国及前苏联就开始了 利用激光驱动核聚变的研究。1 9 6 3 年，前苏联著名科学家巴索夫提出利用玻璃 激光器照射重氢化锂，成功地产生了中子，发表了激光核聚变的概念，这一成果 引发了早期的激光聚交热。一年后，中国著名科学家王淦昌院士提出了利用高 功率激光打靶产生中子从而实现激光核聚变的设想。所谓的惯性约束是指在短 时间内将极大的能量注入核燃料，产生高温高密等离子体，然后利用物质的惯 性，使得这些高温商密等离子体在飞散以前完成核聚变。以惯性约束机制对核 聚变进行约束，我们称之为惯性约束聚变。 实现激光惯性约束聚变的驱动方式有两种：一种是直接驱动的方式，即用 多束高强度激光以球对称的方式直接照射在热核燃料颗粒( 靶丸) 表面，激光 能量以逆韧致吸收或等离子体各种集体相互作用传递给电子，电子热传导将能 量输运到烧蚀阵面，烧蚀阵面向内形成冲击波，压缩和加热热核燃料层，使之 达到热核反应所需要的条件，实现高增益的热核反应；另一种是间接驱动方式， 是将热核燃料颗粒放在由重金属材料制成的空腔中( 图1 1 ) ，通过高强度激光 照射空腔内表面使之产生均匀对称的x 射线，再由x 射线辐照燃料颗粒。用强 四川大学硕士学位论文 激光驱动惯性约束聚变起初采用的是直接驱动方式，但是这种驱动方式对激光 对称性要求非常高，技术上实现对称压缩存在很大的难度。而间接驱动则比较 容易解决这一问题。与直接驱动相比，间接驱动的主要优点在于更容易实现靶 丸的对称压缩，从而达到高压缩比，而这正是达到高增益热核反应的必要条件。 由于对激光束均匀性条件的放宽和对流体力学不稳定性敏感度的降低，自， 从1 9 7 6 年以来，美国i c f 计划主要致力于i c f 间接驱动上。 图1 1 柱形黑腔间接驱动靶丸示意图 惯性约束聚变的驱动源主要是激光和粒子柬。粒子束作为惯性约束聚变的 驱动源，其优点是能量转换效率较高，驱动源的能量在等离子体中的沉积较好。 目前用于惯性约束聚变研究的粒子束主要是电子束、轻离子束、重离子束。但 是粒子束无法很好的聚焦，从而不能获得相对较高的功率密度，实现对燃料的 点火。 1 9 7 2 年，美国劳伦斯利弗莫尔实验室的n u c k o l l s 提出了中心点火模型( 如 图1 2 所示) ，以激光作为驱动源的惯性约束聚变的相关理论计算结果发表在 ( n a t u r e 上。自此，中心点火模型经过3 0 多年的研究，已经较为成熟。 惯性约束聚变过程可以基本概括为加热、压缩、点火和燃烧等四个步骤。 加热：将大功率激光器产生的激光束或由粒子加速器产生的高能粒子束照 射在由d t 材料构成的靶球上，靶球外表面在很短的时间( n s 量级) 内迅速 电离和消融，形成温度很高的等离子体层电晕层。 压缩：电晕层一部分等离子体以极快的速度( 约1 0 8 c m s ) 向外喷射，剩余 部分的等离子体在向外喷射等离子体产生的反作用力的作用下聚心压缩，在燃 料的中心形成很小的但有着极高温度( 约1 0 0 ，0 0 0 , 0 0 0 0 c ) 和极高密度( 约1 0 0 1 0 0 0 9 c m - ) 的等离子体区域，称为热斑。 2 四川大学硕士学位论文 点火：在热斑区域，高温高密度等离子体燃料发生热核反应，并且释放出 能量巨大的中子( 1 4 0 6 m e v ) 和口粒子( 3 5 2 m e v ) 。 燃烧：带电粒子的能量沉积在周围的燃料中，加热这部分燃料，开始了从 里到外的热核燃料的燃烧过程，这种燃烧的波前从里到外通过整个燃料区域的 时间比燃料飞散的时间要短，因此可以在燃料飞散前完成整个燃料的燃烧。 蠢光辐射内鸯压缩 聚变点戈聚变蝇饶 先快瞳加热钮瓤靶丸矗靶乜襄向执物质向蚪哮发 重形成等鼻子伴饶蚀屠反囱持籍毒辩 矗d 禹心鼙曩过器氟_ 攘嚣格世烧在# 限嬉髂韩内部 憾辩选料岛薯冉密废姥盎蔓瑶产生矗俯的麓量增叠 一聋囊艟一i 奎t一日量代的巷t 图1 2 中心点火模型 惯性约束聚变对大尺度球的对称性和小尺度靶的均匀性都有严格的要求， 大的球收缩比和强大的驱动压力将导致推进层的瑞利一泰勒不稳定性增长而 且通过增加压缩能量而达到的靶增益是有限的，点火的阈值能量也很高。这些 因素决定了驱动器的大小和达到靶增益的最小注入能量需要几个兆焦耳( 中心 点火需要的激光能量高达1 0 6 m ，一! 6 m j ，并且其中主要能量用于形成热斑) 也就是说，中心点火模型要求极高的激光辐照对称性( 1 ) 以限制瑞利一秦勒 不稳定性的发展，并要求极高的激光能量以实现中心点火和热核燃烧，这无疑 存在着巨大的困难。在科学技术和费用上对任何国家都是一个挑战。由于 e 一所2 ，如果能够先进行高密度压缩，再用另外的方法将热斑加热到点火条 件，则可以大幅度地降低激光能量随着超短超强激光技术的发展，给惯性约 束聚变带来了新的契机，一种全新的点火方式“快点火”“1 逐渐引起了人 们的广泛关注。它有望解决i c f 中心点火模型难以克服的几个难题，大大降低 了对激光能量和对称性的要求，也减少了经费的需求。 1 2 强场与快点火物理 激光的出现是二十世纪最重要的发明之一，激光一出现即以其高度的方向 3 四川大学硕士学位论文 性、相干性以及高强度等方面的优势而受到各个领域的重视并迅速获得广泛应 用。激光技术的发展一直朝着提高功率输出、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以 及全固态化、小型化以致微型化方向发展。脉冲激光技术自1 9 6 5 年用被动锁模 红宝石激光器获得皮秒级脉冲而进入超短范围以来，发展十分迅速；7 0 年代中 期出现了对撞锁模环形染料激光器，使得激光脉冲的宽度进入了飞秒范围。追 求高峰值功率输出一直是激光技术的目标之一。早期提高输出功率的主要手段 是靠缩短脉冲宽度，六十年代调q 技术( q - s w i t c h e d ) 和白锁模 ( s e r f - m o d e l o c k i n g ) 技术的发展将激光脉冲宽度缩短到地和数十p s ，峰值功 率提高了六个数量级，达到o w ( m w = l o 气v ) 水平。在这样高的功率密度下， 光学材料的非线性折射效应引起的自聚焦( s e l f - f o c u s i n g ) 和成丝( f i l a m e n t a t i o n ) ， 造成材料破坏并降低光束质量。在其后二十年时间内提高峰值功率的技术手段 没有重大突破，主要靠增加光学口径和束数来提高总峰值功率。 八十年代中期发展起来的啁啾脉冲放大( c h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ，简称 c p a ) 技术嘲是激光技术新的里程碑，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。掺钛蓝宝石晶体具有宽带高增益和良好的热性能等优点， 是非常理想的超短脉冲激光工作介质；啁啾放大技术的基本原理如图1 3 所示。 图1 3c p a 激光器工作原理示意图 在图i 3 中，从宽频带超短脉冲( 1 0 - ”s ) 振荡器发出的超短激光脉冲先 通过一个色散延迟光学元件( 例如光栅) 使其脉冲宽度得到1 0 l 1 0 5 倍的展宽， 然后注入激光放大器中进行放大，以得到尽可能大的能量。由于此时的激光脉 4 四川大学硕士学位论文 冲很宽，所以放大后的激光脉冲光强仍低于激光介质的破坏阈值。在激光放大 器之后，再通过一个共轭色散补偿光学元件，把放大后的激光脉冲再压缩回到 原来的脉冲宽度。这样，既可以保证有高的通量以实现高的抽取效率，又避免 了非线性效应。 目前，利用c p a 技术，激光的脉宽已经进入皮秒( p s ) 甚至飞秒( f s ) 量 级，功率密度可以达到l 泸w c m 。如此的超短超强激光不仅可以产生远大于 原子内电场的超强电场，而且可以产生大于1 0 “b a r 的超高压和1 0 的超强磁 场，还可以产生温度高达i o k ( 远大于太阳的温度) 的黑体辐射。给实验室带 来了前所未有的强电场、强磁场、高压强和高温度的极端物态条件。激光在靶 面产生的电场强度为氢原子第一玻尔半径库仑场( 1a c u - - 5 1 x 1 0 9 v c m ) 的 2 0 0 多倍，电子在电场作用下作q u i v e r 运动的动能达到了l o m e v 量级，光压约 为l o 5 0 p a ，加速度大于l 酽g 。这些极端物态条件开辟了一个崭新的领域一 强场物理魄“。强场物理为许多研究方向提供了崭新的基础平台，这其中包括 i c f 快点火物理、高能量密度物理、高强度x 射线辐照源、粒子加速、天体物 理、物质微观结构等方面。由于牵涉许多极端物理条件，所以在强场物理研究 。 中，需要将实验研究、理论计算、计算机模拟等手段互相配合、互相补充、相 互支持，使这门崭新的学科不断取得新的进展，结出更丰硕的成果。 近年来，国外有几个实验室着手研究利用0 p c 队( o p t i c a lp a r a m e t r i c c h i r p e dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 技术建造高功率超短脉冲激光器。在这种工作 模式下，工作介质为晶体( 如l b o 和k d p 晶体) ，钕玻璃不再用作放大器工作介 质，已有激光输出的激光脉冲经过二倍频后去驱动由晶体组成的多级放大器， 在晶体中的非线性过程将能量耦合给待放大的种子光。一旦o p c p a 技术成功地 与大型激光器耦合，可望获得较高的信噪比。 从事激光聚变的各大实验室纷纷投入力量将c p a 技术与已有的大型激光器 相耦合嘲。如美国利弗莫尔实验室( l l n l ) 、日本大坂大学激光工程研究所( i l e ) 、 英国卢瑟福实验室( p a l ) 、法国里梅尔实验室( l i m e i l ) 、德国重离子研究中心 ( g s id a r m s t a d t ) 以及日本原子能研究所( j a e r i ) 使用c p a 技术，建成了新 一代高功率超短脉冲固体激光器，为激光惯性约束聚变的研究提供了条件。 我国有几所大学和研究所购置或建立了台式超短脉冲激光装置，它们的输 出功率多为i o t w 以下，聚焦功率一般不超过l o 5 l r c 2 。中国工程物理研究院激 四川大学硕士学位论文 光聚变研究中心的s i l e x i 超短超强激光装置的建立经历了三个阶段：在2 0 0 0 年建立了3 t w 掺钛蓝宝石超短脉冲激光装置，聚焦功率为l o ”w c m 2 ；2 0 0 2 年底， 在3 t w 激光装置的基础上，采用c p a 技术，使超短脉冲激光装置升级到2 0 t w 【岫， 靶面聚焦功率为1 0 1 唧c m ；2 0 0 4 年已升级到i o o t w 啊，输出功率高达2 0 0 t w ， 靶面聚焦功率可达到1 0 2 增c 酽。 超短超强激光的出现为激光惯性约束聚变提供了一条可行性途径，1 9 9 4 年，t a b a k 提出了快点火概念。根据t a b a k 提出的快点火模型，快点火将压缩 和点火过程分开，具体可分为三个阶段：首先用通常的i c f 方法，即用主脉冲 为几个n s ，波长为0 3 5 p a n ，i = l 酽一1 0 1 5 w c m a 的激光压缩d t 小球到高密度 ( p = 3 0 0 9 c m 3 ) 芯区，外围为几个衄到i c m 厚的高温低密度等离子体冕区。 再用iz1 0 1 9 w c m 。2 ，脉宽约l o o p s 的强激光从冕区入射至约1 0 0 倍临界密度( 相 对论效应) 处，形成一个通道。最后，在芯区达到最大密度时，用波长为i 0 5 l u n ， 功率密度i z 2 1 0 1 9 w c m a ，脉宽为l 1 0 p s 的点火激光经过通道到达高密度区 产生动能约为i m e v 的超热电子，并在芯区边缘沉积能量，形成点火热斑。由超 热电子实现局部热核燃料的燃烧，并释放出大量的乜粒子。n 粒子再加热周围 “冷”等离子体区，实现持续高增益的聚变燃烧。 l a 嘟e 霸0 埘 _ 奄豢专囝 图1 4 快点火模型 由于“快点火”方案将压缩和点火两个过程分开进行，与i c f 中心点火模 型相比有许多独特的优点：快点火能大幅度降低对驱动器能量的要求。假定增 益系数为1 0 左右的点火模型，粗略估计快点火要求驱动内爆压缩的激光能量 臣。4 0 0 k j ( a = 0 3 5 t i m ) ，脉宽1 1 0p s 的点火激光能量民2 0 k j ( a = 1 0 5 # m ) ；预压缩过程的加速度相对低，具有致稳作用的烧蚀深度大， 6 四川大学硕士学位论文 流体力学不稳定性的发展较小；快点火的预压缩缓和了对内爆对称性的要求； 快点火比中心点火方式有更高的增益；制备快点火所需的靶相对容易。 随着快点火研究的深入，催生了人们对许多点火方式的设想，出现了锥一 壳点火方式、冠状点火方式( 又称无钻孔快点火方式) 、质子快点火方式等。 目前研究比较多的快点火方式是的锥一壳点火方式。锥一壳点火方式避免了超短 超强激光脉冲在长的冕区传播时损失能量，日本大阪大学激光工程研究所与英 国人合作，用金属锥插入c d 球壳组成快点火器( 图1 5 ) 。 圈1 5 锥一壳点火方式 实验在g e k k o - x i i i 激光器上进行，它是由原来的g e k e o - x i i ( 1 2 柬，i 船 脉宽，波长a = 0 5 3 t i m 时极大能量1 5 灯) 和一束皮秒脉冲( a = 1 0 5 3 f l m ，功 率i o o t w ，6 0 j ) 时间同步组成。快点火器具体几何结构为6 0 。角的金锥插入 中空c d 球壳( 直径约为5 0 0 ，船，厚约6 # 魄) ，锥壁方向沿球半径，锥顶端离 球中心5 0 t i m 处。 利用超热电子柬实现热斑点火并不是唯一的快点火途径。除了超热电子书 点火外，相互作用中产生的高能离子是将激光能量输运到靶丸的另一种候选载 流子。超短超强激光与等离子体相互作用中产生的高能质子束作为驱动源驱动 快点火。 从原理上讲，离子柬可能对“快点火”更加有利。束经过聚焦的离子柬 在穿过冠状等离子体时，伴随电子云，空间电荷中性化，所以离子柬不散焦， 几乎可以维持一条直线的运动轨道，而且离子在射程内( b r a g gp e a k ) 有较高 的篦量沉积，能够在一个有限的体积内释放几乎全部的能量，所以离子对燕核 燃料有更好的耦合效率。离子束在反应室内的输运要超过几个微米才能到达靶， 7 四川大学硕士学位论文 这将产生一个比最佳离子束斑大的区域，它就要求一个更高的离子脉冲能量。 因此，用离子柬实现“快点火”存在一个如何获得必不可少的离子束强度( 小 焦斑，短脉宽) 的问题。 可以看出，离子和电子不同，离子在冕区等离子体和高密度核燃料中基本 上沿直线稳定传输，不易受自身电磁场和碰撞效应的影响，能量沉积效率高。 在快点火过程中，如果能够有效的利用高能离子和电子，有可能达到混合点火。 快点火物理研究的重点是超短超强激光等离子体的相互作用，由于其物理 条件是以前实验从未达到过的，相互作用过程必将产生许多新的物理现象，呈 现许多新的特点： 1 由于外加电磁场远大于原子内的库仑场，以往常用的微扰理论已经不适 于在超强激光等离子体相互作用研究中使用，需要发展新的非微扰理论。 2 由于电子运动速度很快，接近于光速，电子的质量会增加，必须考虑相 对论效应。 3 由于超强光压的产生，很高的有质动力效应必然产生新的物理现象。例 如穿孔效应。 4 由于激光脉冲足够短，靶物质在超强激光作用下的高电离率和离子惯 性，激光等离子体膨涨很小，等离子体标长( l = c 。f ，c ，为离子声速，t 为脉宽) 也很小。从而形成近固态密度且梯度很陡的等离子体。这种等离子体的电离、 吸收、等离予体不稳定性都与聚变等离子体有显著差别，给理论研究、实验诊 断提出新的要求。 1 3 超短超强激光等离子体相互作用中超热电子输运的研究现状 在快点火物理中，超热电子是激光能量的载体，扮演着重要的角色。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研究，并取得了重 要进展。 j r d a v i e s 等人嘲建立了相对论f o k k e r - p l a n c k 方程，首次考虑了背景等 离子体的加热所引起的碰撞效应、电磁场以及阻抗的变化。典型的激光条件是 激光脉冲为i p s ，中心波长为i # n ，靶面激光强度为2 x 1 0 1 8 砌l _ 2 ，焦斑直径为 2 0 a m ，产生的超热电子在固体铝靶中的输运，当超热电子的数密度远小于背 景粒子数密度、超热电子能量远高于背景粒子温度、时间标长足够短以致可忽 8 四川大学硕士学位论文 略磁散射和热传导时，这个模型是有效的：同时忽略离化限制了该模型的适用 性。文中计算了电磁场占主导地位时的激光强度；电场降低了超热电子穿透靶 材的能量，磁场减弱了径向扩散，增加了超热电子穿透靶材的瞬时能量，反射 削弱了超热电子能量；阻抗的变化大大影响了电磁场的产生。 j r d a v i e s 等“”利用非完备c h o l e s h i 程序模拟了强激光脉冲在7 0 2 5 0 i 研厚的含氘聚乙烯( c d 2 ) 靶中产生的超热电子的输运。模拟的激光强度为 j = i o p - , 1 r 1 p 呻，最大强度( ，。) 为2 x 1 0 ”w c m 4 ，焦斑半径( r ) 6 p m ，脉宽 为i p s ，一个脉冲能量约2 0 j 。超热电子的输运过程满足f o k k e r - p l a n c k 方程， 它的求解运用m o n t ec a r l o 模型转化为随机微分方程。背景等离子体表示为： 豆= 碗，五是背景电流密度，刁是背景等离子体阻抗，忽略位移电流，有： 豆= 谚，+ ! l v 丘 ( 1 ) 。 卢。 罢= v 疗，一v x - - l v x 蜃 ( 2 ) d f 。 风 其中，了，是超热电子的电流密度。 开始电场抑制电子的传输，导致背景等离子体的加热，减小阻抗，因而又 允许电子的输运。所以低阻抗通道的形成使得电子传输。在传输轴上，电流密 度更高，这种效应更为明显电流密度的增加，导致电场的增强，最终欧姆加 热引起的低阻抗效应超过电场的增强 方程( 1 ) 】。开始较高电流密度的区域有 较强的电场，最后电场减弱，这种效应就是基本的h a i n e s 热电不稳定性。抑制 束流传输的电场如果发生径向的变化 方程( 2 ) 中的一，7 谚：a r 项 ，会迅速产 生反向的磁场，箍缩电流。同时欧姆加热引起的电流的连续下降会减弱磁场 方 程( 2 ) 中的( _ v 吁) ，j ：项 ，最终产生沿轴向的反向磁场，这种效应阻止了磁场 引起的柬流的箍缩。低阻抗通道的形成，减弱了它内部的场强，引起边缘磁场 准直，使电子朝靶后向输运。影响到达后表面的能量的最主要因素有等离子体 的阻抗，它决定了电场【方程( 1 ) ，以及s h c ( s p e c i f i c h e a tc a p a c i t y ) ， 它决定了形成低阻抗通道所需的能量。靶后表面的加热会造成小范围等离子体 的形成，反射电子没有任何加热效应。 虬t a r a k i s 等“1 1 在c d 。靶的前端和后表面放置探测器观察，超热电子的一 9 四川大学硕士学位论文 些有意义的现象。实验激光波长1 0 5 4 a n ，最大强度2 8 x l o ”w c m 。2 ，c d ：靶尺 寸5 m m x 5 m m ，厚度1 4 0 2 5 0 a n 。 图1 6 给出了前后表面产生的等离子体图像，发现后表面等离子体总是与 激光焦点同轴。文章指出这是有超热电子形成的，靶内的磁场具有准直作用， 其它的机制要么不可能，要么与实验观察不一致。首先，激光脉冲穿过这样的 固体靶厚度是不可能的。预脉冲1 0 ”w c m 。2 ，超过了靶的破坏阈值而被吸收， 它领先于主脉冲3 0 0 p s ，在这个时间内它所形成的等离子体不能被观察到。所 以不可能是预脉冲前端传输在靶后表面迅速聚焦。而且如果1 0 ”w c m 。2 激光脉冲 能产生等离子体，那应该在低强度的实验中观察得到。形成时间 2 2 p s 排除了 脉冲在靶中的输运，它不可能形成这样小的直径范围可重复的实验直径范围 和位置排除了是前端电场的下降所造成的。靶的厚度排除了是超热电子( 能量 m e v ) 的输运造成。这只能是由超热电子引起。超热电子的温度5 6 5 k e v ，激光 强度1 8 x l o ”w a n 。2 ( 2 0 j ) 。具有这样动能的超热电子速度为0 8 8 c ，因此它能 解释快速形成图像。 涨 懑 m t “舭 口m r f 幻e 图1 6 靶前靶后等离子体发射的阴影成像 超热电子穿过靶时，损失的能量很小，然而阻抗抑制了超热电子的穿透深 度： 刎毗任玲广陆 幽笋芝) ) ； 这表明超热电子的穿透能力受到抑制，但是这会导致本底的加热，从而减 小阻抗，又允许超热电子穿透更深，当超热电子离开后表面，建立起空间电场， 1 0 四川大学硕士学位论文 反射超热电子，在表面d e b y e 长度给出的标长d 内形成电子鞘。靶内电场为： 层互乩3lo一6l，巧弘伽。d 、jj ， 式中，n ，和l 分别表示表面超热电子的数密度和温度( e v ) 。靶的法线方向电 子密度呈最小分布，且在激光脉冲后仍持续较长的时问，这取决于磁场。这个 结果对于快点火方案有重要意义，等离子体的打洞能持续足够长的时间引导点 火脉冲。另外超热电子穿过靶时被靶内磁场强烈的准直，这对快点火方案是很 有意义的结果，这将大大提高到达靶丸的能量，同时可以看出激光校准显得非 常重要。 九r b e l l 等“4 在距低z 靶的表面一定距离处放置高z 材料层，电子穿透这 个靶层时会发射特征x 射线，改变材料层距靶面的距离可诊断电子的穿透深度， 这是超热电子输运诊断的常用方法。材料层会产生磁场，在某些情况下或许足 够强以致限制了超热电子的穿透，因而影响传输。 a r b e l l 等【1 3 】利用高强度短脉冲激光辐照到固体靶上，产生高度准直的强 相对论高能电子束。超热电子的平均自由程比固体靶的厚度大，碰撞时间比激 光脉冲时间长，实验上发现它们是以电子束形式穿透靶材的。 准直性在高z 靶中表现得更强，这是由于它们有更高的阻抗。实验建立了 k a l o s 模拟程序，假设超热电子和冷电子的数量相同，数值模拟了阻抗的准直 效应。 e m s t e f i l l 等【1 4 1 通过近似求解圆柱体内的m a x w e l l 方程研究了导体介质对 高强度电子束流的响应。如果电子束的脉冲宽度在两个特征驰豫时间，即动量 迟豫时间和磁场散射时间之间时，这个近似是有效的。即t ， f ， z 。，或者 f 。 f 。利用皮秒或亚皮秒激光脉冲产生电子束，这个条件得到很好的满足。 本文通过理论推导，计算得出回流的空间和时间分布、导体中径向感应电流， 以及电子束流和回流的角向磁场。 j r d a v i e s 等“叮理论计算了导体中超热电子柬产生的电场和磁场，以及欧 姆加热引起的阻抗变化假设了阻抗对温度有任意的幂律依赖性；超热电子流 密度恒定( 刚性粒子束) ；电荷中和是瞬间的；忽略磁散射时间。为简化计算， 假设电子束具有旋转对称性，超热电子流密度仅有轴向分量( 7 = 虎) 。则电场主 1 l 四川大学硕士学位论文 要是轴向g ：反) 、磁场是角向岱= b 百) 。电场和磁场为： 扯谚，票汛面 其中，作了近似了c ；一了。豆= 碗，豆为电场， 导体的电阻率。计算得到的电场和磁场为： 一。卜口蝴咖。 了c 是导体的电流密度，7 是 口 l 肛嘞e x 4 警l ， 删 b = - 堕霉f l + 业三一三旦1 。口 l 办j 2l i - 口瓦i - 口j 她堕州c r o r ( 警一- 阔， 删 k b w h a r t o n 等人“”首次利用超强激光辐照复合靶测量了不同材料的勋 谱线，激光功率密度高于1 0 1 唧c m 2 。实验是在l l n l 的n o v a 激光装置上进行的， 激光采用脉冲啁啾放大技术，典型的激光参数为：激光脉宽为4 0 0 f s ，中心波 长1 0 6 p m ，能量在1 2 j 到3 0 j 之间。实验得到了超热电子的平均温度，以及 不同超热电子温度下，激光的转化效率。结果表明激光能量转化为超热电子的 效率在2 0 3 0 之间，实验结果显示转化效率与激光功率密度和靶材料没有很 大关系。 d s a l z m a n n 掣1 ”建立了在激光打靶中超热电子产生k a 谱线的分析模型， 假定超热电子在靶的前向产生，超热电子的分布与能量相关： ，( d = 唧( _ e 瓦) ，其中，瓦表示超热电子的温度。得出了前向和后向的光 子产额与超熟电子温度和靶厚度的函数关系。 t a h a l l 等在v u l c a n 激光器上运用，脉冲宽度为3 p s ，能量范围4 j 1 5 j ，最大辐照强度为6 x 1 0 1 6 w o r n 4 前向辐照聚乙烯靶产生超热电子，靶后用2 n s 的激光脉冲逆向辐照产生冲击压缩等离子体。首次在实验上用k a 发射谱测 1 2 四川大学硕士学位论文 量了超热电子在冲击压缩等离子体内的产生和能量沉积。 超热电子的能量沉积为：警= 一兰乒g ，o + 厶) ，其中，e 是电子能量， 4 z后 。 n ，是自由电子密度，n 6 是束缚电子密度。 1 4 本课题研究内容的提出 在快点火方案中，利用超热电子束传输激光能量实现热核聚变点火，涉及 到高温高密等离子体内超热电子行为的研究，包括激光能量的吸收、超热电子 的产生、输运以及能量沉积等问题。超短超强激光等离子体相互作用过程中， 产生的超热电子能量大于冷物质k 壳层的电离能时，会激发k a 光子辐射，通 过k a 特征线辐射可以诊断超热电子在等离子体内的相关行为，如获得超热电 子的能量分布和超热电子的平均温度等信息。在这个科研需求下，我们建立了 单光子计数型c c dx 射线谱仪和滤片组成无色散测量装置，测量了功率密度为 l o ”1 0 1 w c m 2 时，k a 特征线的转化效率；激光能量