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四川大学硕士学位论文 y 6 5 4 6 4 1 飞秒激光与固体靶相互作用产生的 硬x 射线能谱测量研究 原子分子物理专业 研究生陈豪指导教师罗湘捷 强场物理是最近几年迅速发展起来的惯性约束聚变( i c f ) 的研究翻方 向。与传统惯性约束聚变中心点火方式不同，它提出“快点火”的概念。“快 点火”的许多优点显示用超短脉冲实现惯性约束聚变是有前景的，也是最 经济的。根据“快点火”概念的设想，超短脉冲与等离子体相互作用产生 的超热电子能有效地点燃热核燃料，所以超热电子的研究在强场物理中是 一个很重要的课题。它的产额，温度及其在靶中的输运等都是重点研究钓 对象。超热电子在靶和稠密等离子体中输运时与离子碰撞产生很强的轫致 辐射，理论上它们具有相同的能量分布，测量轫致辐射谱能间接地得到超 热电子温度。 随着激光强度的增加，激光与等离子体相互作用产生的超热电子和轫 致辐射的能量也越来越高，传统诊断硬x 射线能谱的方法( 比如，滤波一 荧光谱仪) 已不能满足实验的要求，探索新的诊断硬x 射线能谱的方法成 了一个重要的研究课题。近年来，热释光技术已经发展成熟，剂量片的高 灵敏度，宽量程，小体积等优点引起了人们的青睐。美国率先用l i 。b 。0 ，和 c a s 吼熟释光剂量片和几种吸收滤片测量了0 ，5 3 m e v 的硬x 射线的能谱， 但国内在强场物理研究中利用热释光技术诊断硬x 射线能谱的工作还没有 开展，我们首先探索了用灵敏度更高的l i f 热释光探测器诊断硬x 射线能 谱的方法，并在实验中获得了理想的结果。 文章首先介绍了传统惯性约束聚变和“快点火”的研究进展，阐述了 激光与等离子体相互作用的基本原理，回顾了近期硬x 射线的研究现状， 重点论述了l i f 热释光探测器在辐射场中的剂量学问题，推导出基本剂量 学之间的重要关系。在这些理论基础上，本文详细地阐述了用l i f 热释光 探测器诊断硬x 射线能谱的方法。硬x 射线谱仪的设计和用m a p l e 高级语 叫川大学硕_ i 学位论文 言编写的解谱程序。为验证该方法的可行性，我们用硬x 射线谱仪测量了 标准源”7 c s 的能谱，实验结果和其它方法测量的结果相吻合。在强场物理 实验中，我们测量了飞秒激光与等离子体相互作用产生的硬x 射线能谱， 并拟合出超热电子的温度。实验结果与用电子磁谱仪测得的温度是一致的， 都满足同一个超热电子温度定标率。这说明用l i f 热释光探测器诊断硬x 射线能谱在实验上是可行的，并具有独特的优点，是一个值得探索的诊断 方法。 关键词：硬x 射线能谱l i f 热释光探测器诊断方法 州j i i 大学硕士学位论文 r e s e a r c ho ft h es p e c t r u mm e a s u r e m e n to fh a r d x r a y i nt h ei n t e r a c t i o no ff e m i t o s e c o n dl a s e rw i t hs o l i d t a r g e t s p o s t g r a d u a t e ：c h e nh a os u p e r v is o r ：l u ox i a n g j i e i n t e n s i t yf i e ldp h y s i c si st h en e wr e g io no fi n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o n ( i c f ) ，w h i c hh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h er e c e n ty e a r s i t b r i n g sf o r w a r dt h ec o n c e p to f “f a s ti g n i t i o n ”w h i c hh a sd i f f e r e n c e i nt h em o d eo f i g n i t i o nw i t ht h et r a d i t i o n a li n e r t i a lc o n f i n e m e n t f u s i o n m u c ho fa d v a n c ea b o u tf a s t i g n i t i o ns h o w si t i sp r o m i s i n g a n de c o n o m i ct or e a l i z ei n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o nw i t ht h eu l t r a s h o r tp a l s el a s e r ，a c c o r d i n gt ot h es u p p o s eo ft h ef a s t i g n i t i o n ， h o te l e c t r o n sp r o d u c e db yt h ei n t e r a c t i o no ft h el a s e rw i t hp l a s m a c o u l de f f e c t u a l l yi g n i t et h en u c l e a rf u e l t h u s ，t h er e s e a r c ho ft h e h o te l e c t r o np l a y sa ni m p o r t a n tk e yi nt h ei n t e n s i t yf i e l dp h y s i c s a n di t sy i e l d ，t e m p e r a t u r ea n dt r a n s m i s s i o ni nt a r g e t sw e r ee m p h a s e s t o i n v e s t i g a t e w h e nh o te l e c t r o n sa r et r a n s m i t t i n gi nt h et a r g e t s a n dd e n s i t yp l a s m at h e yc o l l i d ew i t hi o n sa n dp r o d u c eb r e 【s t r u h l u n g t h e o r e t i c a l l y ，h o te l e c t r o n sh a v et h es a m ed i s t r i b u t i o no fe n e r g y w i t ht h eb r e m s t r u h l u n g a n ds o ，t h em e a s u r e m e n to ft h eb r e l l l s t r u h l u n g s p e c t r u mc o u l dg a i nt h et e m p e r a t u r eo fh o te l e c t r o n si n d i r e c t l y w i t ht h e i n t e n s i t y o f1 a s e r i n c r e a s i n g t h ee n e r g y o fh o t e l e c t r o n sa n d b r e m s t r u h l u n gp r o d u c e di nt h ei n t e r a c t i o n o fl a s e rw i t h p l a s m aw a sh i g h e ra n dh i g h e r t h et r a d i t i o n a ld e t e c t o r sh a v en o tb e e n f i tf o rt h er e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n t s ，s u c ha st h ef i i t e r f l u o r e s c e r s p e c t r o m e t e r i tb e c a m ea ni m p o r t a n tt a s kt op r o b ean e wm e t h o d d i a g n o s i n gt h ee n e r g y s p e c t r u mo fh a r dx - r a y r e c e n ty e a r s t h e t h e r m 0 1 u m i n e s c e n c e t e c h n o l o g y h a sb e e nm a t u r e d a n d h i g h s e n s i t i v i t y ，l a r g e r a n g e a n ds m a l 卜v o l u m eo ft h e d o s a g ef i l t e r s c a u g h ts i g h to fh u m a nb e i n g se y e s t h ee n e r g ys p e c t r u mo f0 5 3 m e v h a r dx - r a yw a sf i r s t l ym e a s u r e du s i n gs e v e r a la b s o r b e d f i i t e r sa n d i i j 旧川大学颂l 学位论文 t h et h e r m o l u m i n e s c e n c ef i l t e r sl i 2 8 4 0 ta n dc a s 0 4i na m e r i c a b u tt h e w o r kw a sn o ts t i l ll a u n c h e dt od i a g n o s et h ee n e r g ys p e c t r u mo fh a r d x - r a yu s i n g t h i s t e c h n o l o g ya t h o m e w ef i r s t l yp r o b e di n t ot h i s m e t h o dt om e a s u r et h e e n e r g ys p e c t r u m o fh a r d x r a yu s i n g l i f t h e r m o l u m i n e s c e n c ed e t e c t o r sw h i c hh a s h i g h e rs e n s i t i v i t y t h a n l iz b 4 0 7a n dc a s e d ，a n dg a i n e di d e a lr e s u l t si ne x p e r i m e r i t s t h et h e s i si n t r o d o c e dt h eh i s t o r yo ft h et r a d i t i o n a i n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o na n df a s t i g n i t i o i 3 ，e x p a t i a t e d t h ea b co ft h e i n t e r a c t i o no fl a s e ra n dp l a s m a ，r e v i e w e dt h ec u r r e n tc o n d i t i o no f h a r d x r a yr e s e a r c h ，e m p h a s i z e d t h e d o s i m e t r y i s s u eo fal i f t h e r m o l u m i n e s c e n c ed e t e c t o ri nr a d i a t i v ef i e l d sa n dd e d u c e dt h e i m p o r t a n tf o r m u l ao ff u n d a m e n t a lp a r a m e t e r so fd o s i m e t r y b a s e do n t h e s et h e o r i e s ，t h et h e s i se x p a t i a t e dt h em e t h o dm e a s u r i n gt h ee n e r g y s p e c t r u mo fh a r dx - r a yu s i n gt h el i ft h e r m o l u m i n e s c e n c ed e t e c t o r ， d e s i g no ft h eh a r dx r a ys p e c t r o m e t e r ，a n dt h er e l e v a n tc o d e sw r i t t e n i nt h ea d v a n c e dl a n g u a g em a p l e t h es p e c t r u mo fs t a n d a r dr a d i a n t s o u r c e 3 7 c sw a sm e a s u r e du s i n gt h eh a r dx r a ys p e c t r o m e t e rt ov a li d a t e t h el e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d ：t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sw e r ec o n s i s t e n t w i t ht h o s eg i v e nb yo t h e rm e t h o d s a d d i t i o n a l l y ，w em e a s u r e dt h e e n e r g ys p e c t r u mo f t h eh a r dx r a y p r o d u c e di n t h ei n t e r a c t i o no f f e m i t o s e c e n dl a s e rw i t hp l a s m aa n dm o d e l e dt h et e m p e r a t u r eo fh o t e l e c t r o n s 。t h er e s u l t sw e r ei na g r e e m e n tw i t ht h a tg i v e nb y t h e m a g n e t i cs p e c t r o m e t e ro fe l e c t r o n ，a n df i to n ea n dt h es a m es c a l i n g 1 a wo fh o te l e c t r o n st e m p e r a t u r e i td e m o n s t r a t e dt h a tt h em e t h o d w a sv a li di ne x p e r i m e n t s ，w h i c hh a dp a r t i c u l a rv i r t u e s ，a n dw o r t h y o fm u c hp r o b i n g k e yw o r d s ：s p e c t r u m ，h a r dx r a y ，l i ft h e r m o l u m i n e s c e n e ed e t e c t o r m e t h o d so fd i a g n o s i s 四川大学颂j ：学位论文 第一章绪论 1 惯性约束聚变概述 2 0 世纪6 0 年代初梅曼成功地研制出激光器后，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n g 。b a s o v 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 发了早期的激光聚变热。一年后，中国专家王淦昌教授也提出了利用高功 率激光打靶产生中予的建议。直到1 9 7 2 年，美国j h n u c k o l l s 等人在 n a t u r e 上发表激光压缩点燃的概念，公开了压缩点燃惯性约束聚变，引起 了世界各国的普遍关注。 激光压缩点燃核聚变就是在塑料小球中装入核聚变燃料( d - t ) ，用高 强度的激光驱动固化压缩的熟核燃料颗粒，使之产生高温等离子体，高温 等离子体被箍束到非常高的密度后聚变燃烧释放出高增益的能量。激光压 缩点燃熟核燃料的方式有两种：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熟核燃料颗粒表面；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 图1 1 柱形黑腔间接驱动靶示意 强度激光照射空腔内表面使之产生均匀对称的x 射线，再由后者辐照燃料 颗粒。图1 2 表示了惯性约束聚变中心点火模型从聚心压缩到聚变点火、 持续燃烧的全过程。熟核燃料颗粒的表面受到强度为1 0 “1 0 “渺c m 2 的激 光或x 射线的辐照，在颗粒表面产生高温高密度的等离子体。无论哪种辐 照方式，燃料颗粒表面产生的等离子体的压力将达到1 0 0 m b a r ( 1 亿大气 压) ，图1 2 ( a ) 。在该压力作用下，靶丸球壳被压缩，同时向中心急剧加 速，图1 2 ( b ) 。如果控制激光或x 射线的脉冲形状，使压力缓慢地增加至 l 】：【i 川人学砸j ：学位论文 1 0 0 m b a r ，以防止强烈的冲击波，那么加速时的颗粒球壳密度会达到固体 密度的1 0 倍左右。如果球壳被加速到3 0 0 5 0 0 概s 之前一直保持球状，由 核聚变燃料构成的球壳就会以迅猛之势向中心缩聚，从而产生超高温、高 密度的等离子体图1 2 ( c ) ，等离子体此时的直径约为压缩前颗粒直径的 1 3 0 。压缩点燃熟核燃料的动能转换为等离子体的热能，结果在中心区产 生1 0 k e v ( 约1 亿度) 以上的高温等离子体( 熟电离火花) ，图1 2 ( c ) 。 abcd 图1 2 中心点火模型四个阶段示意图 熟电离火花周围的等离子体温度比较低，处于被压缩的状态，形成超过固 体密度1 0 0 0 倍的超高密度等离子体。熟电离火花中心区域，核聚变开始燃 烧，发生下面的反应： d + r 一+ 口+ 1 7 6 m e v 释放出高能口粒子，口粒子再加热周围“冷”等离子体，使燃烧持续进行， 图1 2 ( d ) 。 用强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。 间接驱动则比较容易解决这一问题，但间接驱动也有它自身的缺点。下面 就这两种驱动方式做一比较： 1 直接驱动要求驱动源多束、同步、对称：间接驱动则要求驱动源在靶 丸周围产生的辐射场空间均匀。 2 直接驱动的烧蚀机制是电子热传导；间接驱动则是辐射热传导。烧蚀 发生在靶丸的推进层，烧蚀产生的冲击波推动热核燃料做聚心运动。 聚心压缩过程将推进层动能转变为燃料内能，并可以通过驱动源和靶 的设计控制压缩达到的状态。 3 间接驱动的优点在于x 光输运快，容易做到均匀驱动内爆，而且x 光 2 旧川人学坝【、学位论文 烧蚀深度大，对于内爆压缩流体力学不稳定性( 如r a y l e i g h - - t a y l o r 不稳定性) 具有较好的抑制作用。流体力学不稳定性是内爆是最大的 威胁，而这正是直接驱动所难以解决的最大问题。 4 间接驱动的缺点是总的激光能量利用率低，而这却是直接驱动的最大 的优点。 综上所述，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r t ( r a l e i g h t a y l o ri n s t a b i l i t y ) 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兆焦耳。也就是说，中心点 火模型要求极高的激光辐照对称性( 1m j ) 以实现中- t l , 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。超短脉冲激光 技术的发展给惯性约束聚变带来了新的契机，一种新的点火方式“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 服的几个问题，大大降低对激光能量和对称性的要求，减少了科研经费的 需求，这对发展中国家无疑是个很好的发展方向。 2 快点火的提出及研究进展 随着高强度激光在i c f 研究中的深入应用，激光技术得到迅速的发展。 长期以来，追求激光器高峰值功率输出是激光技术重点发展的目标之一。 六十年代，调q 技术( q s w i t c h e d ) 和自锁模( s e l 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数1 0 个p s ( 1 0 。1 2 j ) 量级，峰值功率提高了 六个数量级，达到g i g ( 1 0 9 矽) 的水平。在这样高的功率下，光学材料的 非线性折射效应很容易引起光束在透镜中形成自聚焦( 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 ) ，造成光学材料破坏并降低光束质量。这期间提高 峰值功率主要靠增加光学口径和光束数。直到八十年代中后期激光工程 引入了掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i r e ) 晶体和啁啾脉冲放大( 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0 1 ，给激光技术的发展带来了一次革命。 这是因为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。啁啾脉冲放大技术的应用抑制了自聚焦和 叫川大学硕j 。学位论文 成丝的产生，降低了激光对光学材料的破坏。它的基本原理如图1 3 。从宽 频带超短脉冲( 五) ，轫致辐射束的发射方向 与等离子体的密度标长没有明显的关系。在二维p i c 模拟程序中也得到了 相似的结果。他们认为，当等离子体具有陡峭的密度梯度时( l “ ) ，观 察到的等离子体密度标长和轫致辐射的关系可以用b r u n e l 共振吸收占主导 的加速机制来解释。随着等离子体标长的增加，有质动力加速机制变成了 主要的产生超热电子的机制。在窄密度梯度( l a ) 的时候，这个简单 的物理图像就不成立了，激光束能够在等离子体冕区穿透很长一段距离， 结果产生了一个不规则的角分布，还有可能是激光在次密等离子体中的成 丝和自聚焦的影响。r k o d a m a 等人用热释光探测器阵列