（物理学专业论文）激光质子加速研究.pdf

国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 摘要 超短超强激光脉冲与固体靶相互作用可以产生几个到几十个m e v 高能质子 束，具有良好的定向性、很窄的脉宽和比较好的方向性等特点，在粒子加速、质 子成像、“快点火 和治疗癌症等方面具有极为广泛的应用前景。因此，为了解 超短超强激光等离子体相互作用中产生的高能质子的特性，并为未来可能的应用 作预研，本论文开展了对超短超强激光质子加速的研究，重点研究了靶背法线方 向发射质子束的最大截止能量和质子产额，并对质子成像进行了初步实验研究。 本文首先从惯性约束聚变入手，简单介绍了“快点火 物理和强场物理，以 及超短超强激光等离子体相互作用中质子束发射的研究现状和进展。在理论基础 部分，就超短超强激光等离子体相互作用过程，以及质子加速机制作了较为详细 的阐述。论文的重点是对质子加速和质子成像实验研究及结果分析。 实验是在中国工程物理研究院聚变研究中心的s i l e x i 超短脉冲激光装置上 进行的。通过对实验所得c r 3 9 上质子径迹抛物线进行测量得到了准指数分布的质 子能谱；根据激光质子加速理论计算了实验条件下产生质子束的最大截止能量， 结果显示质子主要是来源于靶背法向鞘层加速机制，同时利用m u l t i 2 0 0 5 程序计算 了激光器信噪比对靶背鞘层电场的影响，计算表明：在实验条件下，当激光器信 噪比达到1 0 8 ：l 时，预脉冲对鞘层电场( 5 r t m 铜靶) 的影响基本可以忽略；根据 辐射变色膜片吸收剂量与光密度变化的关系计算得到质子产额约1 0 1 0 量级，这与 由c r 3 9 得到的结果是相符的，计算还表明在激光质子加速实验中采用镀c h 靶可以 显著提高质子产额。 在质子成像实验中，对金属网格和空心聚苯乙烯小球进行静态成像，分析实 验结果，由点投影成像模型得到等效质子源约在靶背表面前2 5 0 1 0 0 9 m ，在像的 边界区域看到了明显的质子数量跃变；初步对等离子体进行了动态成像，实验结 果尚需迸一步处理。 主题词：超短超强激光等离子体质子能谱截止能量质子成像 第i 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 a b s t p a c t 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 ep u l s el a s e r 谢t hs o l i dt a r g e t ， p r o t o nb e a m sw i t l le n e r g i e so fs e v e r a lm e vp e rn u c l e o nw i l le m i ti nas m a l lc o n ea n g l e i nt h ed i r e c t i o no ft a r g e tn o r m a l s u c hp r o t o nb e a m se x h i b i tu n p r e c e d e n t e dc h a r a c t e r i s t i - g s ：s h o r tp u l s el e n g t h s ，s m a l ls o u r c es i z ea n dl o wt r a n s v e r s ee m i t t a n c e ，w h i c hc a nb e a p p l i e dw i d e l yi ni o na c c e l e r a t i o n ，p r o t o ni m a g i n g , f a s ti g n i t i o n , c a n c e rt h e r a p ya n ds o o n i no r d e rt or e a l i z et h ec h a r a c t e r i s t i c so fp r o t o n se m i t t i n gi nt 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 ep u l s el a s e rw i t l l p l a s m a , t h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s l a s e r - p r o t o na c c e l e r a t i o n ，e m p h a s i z i n go nt h ec u t - o f fe n e r g ya n dy i e l do fp r o t o nb e a m s a tt h er e a rs i d eo ft a r g e t ，a n di n t r o d u c e sp r e l i m i n a r yr e s e a r c ho fp r o t o ni m a g i n g t h et h e s i sb e g a nw i t hs i m p l yi n t r o d u c t i o no ft h e “f a s ti g n i t i o n a n dh i g hf i e l d p h y s i c s ，a n dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h ep r o t o n sp r o d u c e di nt 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 ep u l s el a s e r 、柝mp l a s m a a n dt h e nw ee x p a t i a t ei nd e t a i lt h e t h e o r yo ft h ep r o c e s so ft 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 i t yl a s e rw i t h p l a s m aa n dt h ea c c e l e r a t i o nm e c h a n i s m so fp r o t o n s a tl a s ta n dm o s ti m p o r t a n t l y ，w e i n t r o d u c et h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fl a s e r - p r o t o na c c e l e r a t i o na n dp r o t o ni m a g i n g t h ee x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ta tt h eu 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 rf a c i l i t y s i l e x ii 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 w eg e tt h ee x p o n e n t i a l e n e r g ys p e c t r u mb ym e a s u r i n gt h ep a r a b o l ao fp r o t o nt r a c ko nc r 3 9 a c c o r d i n gt ot h e t h e o r yo fl a s e r p r o t o na c c e l e r a t i o n , t h ec u t o f fe n e r g yo fp r o t o nb e a m si se s t i m a t e d t h e e s t i m a t i o na c c o r d i n gt ot h er e a rs i d em e c h a n i s ma g r e e sw e l lw i t he x p e r i m e n t a ld a t a b e s i d e st h ei n f l u e n c eo fp r e p u l s et ot h ea c c e l e r a t i n gf i e l di se s t i m a t e db ym u l t i 2 0 0 5 c o d ea n di tc a nb en e g l e c t e dw h e ns i g n a l t o n o i s ei sb e t t e rt h a n10 8 ：li no u r e x p e r i m e n t w ec a l c u l a t et h ey i e l do fp r o t o n sw i m g i v e ns p e c t r u mb a s i n g o nt h eo d c h a n g eo fr c f a b o u t1 0 p r o t o n s 埘t l le n e r g yg r e a t e rt h a n0 2 m e vw e r ea c c e l e r a t e di nt h ee x p e r i m e n t t h er e s u l ta g r e e sw e l lw i mt h er e s u l tg a i n e df r o mc r 3 9 a d d i t i o n a l l y i t sa l s os h o w n t h a tc o p p e rt a r g e tp l a t e dc hc a ns i g n i f i c a n t l yi n c r e a s et h ey i e l do fp r o t o n ，c o m p a r e d w i t hb a r e l yc o p p e rt a r g e t i np r o t o ni m a g i n ge x p e r i m e n t , h i g hs p a t i a lr e s o l u t i o na n dh i g hc o n t r a s tp r o t o n r a d i o g r a p h yf o rm e t a lg r i da n dh o l l o wp l a s t i cp e l l e tw a sd e m o n s t r a t e d t h ep r o t o n s o u r c ei sa b o u t2 5 0 - a ：10 0 1 x mb e f o r et h er e a rs i d eo ft a r g e t ，a c c o r d i n gt op o i n t i m a g i n g m o d e l ，a n dt h ep r o t o nf l u e n c ec h a n g e sg r e a t l ya tt h es h a r po u t l i n e s w ea l s op e r f o r m e d p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n to np r o t o nr a d i o g r a p h yo fl a s e r - p r o d u c e dp l a s m a t h er e s u l t s n e e df a r t h e ra n a l y s e s 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 ap r o t o ne n e r g y s p e c t r u m c u t - o f fe n e r g y y i e l dp r o t o ni m a g i n g ( r a d i o g r a p h y ) 第i i 页 国防科学技术火学研究生院硕十学位论文 表目录 表4 1g a f c h r o m i cm d 一5 5 2 的剂量学性质2 6 表4 2t h o m s o n 离子谱仪参数3 0 表5 1 实验条件下加速质子的截止能量的理论数值与实验数值3 5 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 图 图 图 图 1 2 3 4 图2 1 图3 1 图3 2 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图 图 图 图 1 2 3 4 图5 5 图5 6 图5 7 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 11 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图6 1 图6 2 图6 3 图目录 惯性约束聚变( i c f ) 的四个阶段示意图l c p a 激光器的基本原理2 “快点火”模型4 靶背质子束的发射6 相对论自聚焦和分布陡化示意图1 3 t n s a 机制示意图2 0 分离电场加速示意图2 l m d 5 5 2 光密度变化与吸收剂量的定标关系2 5 m d 5 5 及h d 8 l o 的结构及成分2 5 辐照前后g a f c h r o m i c 系列m d 5 5 2 的吸收光谱2 6 c r 3 9 上的粒子径迹一2 7 t h o m s o n 离子谱仪工作原理示意图2 8 偏转磁极的磁感应强度分布图2 9 离子能谱测量实验布局图3l 离子能谱计算3 2 质子能谱3 3 s i l e x i 激光器靶前表面加速中质子截止能量与激光功率密度的关系3 4 s i l e x i 靶后表面加速中质子能量与激光功率密度的关系3 5 预脉冲与5 p m 铝靶作用后4 n s 时等离子体标长与功率密度的关系3 6 h d 8 1 0 的o d 值变化与吸收剂量的关系3 7 质子照射后变色的h d 81 0 3 7 未修正的h d 8 1 0 对质子的平均质量阻止本领3 8 h d 8 1 0 对质子的等效质量阻止本领3 9 实验中碳离子的能谱4 0 h d 8l0 的o d 值变化分布4l h d 8 1 0 的吸收剂量分布4 l 采用镀c h 铜靶时h d 8 1 0 上质子注量分布4 1 用铜靶时得到的h d 8 1 0 4 2 h d 8 1 0 上质子注量对比4 2 激光质子成像示意图4 5 网格像及( x = 1 6 0 i t m ) 处灰度分布分析4 5 实验示意图4 6 第1 v 页 国防科学技术火学研究生院硕+ 学位论文 图6 4 图6 5 图6 6 图6 7 图6 8 图6 9 图6 1 0 图6 11 实验中对5 0 1 t mt a 丝成像4 6 对1 5 0 1 t m 玻璃球成像4 6 质子成像实验布局图4 7 显微镜下网格实物及r c f 上的网格像4 8 点投影成像示意图4 8 c l u 9 上网格像及显微镜下网格像局部视图一4 9 塑料小球实物及c r 3 9 记录的小球像4 9 实验中对靶杆动态成像的图像5 0 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：器差望日期：知听年1 2 月矿日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：瘴盘盎 作者指导教师张鱼鲜堑 日期：砂奄y 年1 2 月矽日 日期：伊锋，2 月7 日 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第一章绪论 1 1 惯性约束聚变物理 惯性约束聚变这个概念是二十世纪六十年代时，世界上多位科学家提出来的， 其中包括中国著名科学家王淦昌先生。他提出利用大能量高功率激光器轰击氘冰 来产生中子，并以此作为氢弹的点火机制。所谓惯性约束是指在短时间内将极大 的能量注入核燃料，产生高温高压高密度等离子体，然后利用物质的惯性，使得 这些高温高压高密度等离子体在飞散以| j 完成核聚变的方式。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i ”。 惯性约束聚变可以概括为四个阶段：辐射加热、内爆压缩、聚变点火和聚变 燃烧( 如图1 1 ) 。 窜囊 ：“：! ? ；螽： ! j ：i “”8 戮o t r * ：i 笛：“；：慧：4 i 德：嚣： m * 豳ll 惯性约柬聚变( i c f ) 的四十阶段示意圈 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柬照射 在由d - t 材料构成的靶球上，靶球外表面在纳秒级时间内迅速电离和消融，形成 温度为数千电子伏的等离子体层一电晕层。 压缩：电晕层一部分等离子体以极快的速度( 约1 0 6 m s ) 向外喷射，剩余部 分的等离子体在向外喷射等离子体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极高密度的等离子体区域，称为热斑。 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 量巨大的中子和n 粒子。 燃烧：带电粒子的能量沉积在周圈的燃料中，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自j 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。这种点火 模型也称为中心点火模型。 惯性约束聚变的驱动源主要是激光和粒子束。粒子束作为惯性约束的驱动源， 其优点是能量转化效率较高，一束经过聚焦的离子束在穿过冠状等离子体时，伴 随电子云，空间电荷中性化，所以离子束不散焦，几乎可以维持一条直线的运动 第l 页 国防科学技术人学研究生院硬士学位论文 轨道，而且离子在射程内( b r a g gp e a k ) 有较高的能量沉积，能够在一个有限的体 积内释放几乎全部的能量，所以离子对热核燃料有更好的耦台效率。当前用于惯 性约柬聚变研究的粒子柬主要是电子束、轻粒子柬、重离子柬。 激光压缩点燃热核燃料的方式有两种：直接驱动和问接驱动。直接驱动是用 多束高强度激光以球对称的方式直接照射在热核燃料靶球表面，激光能量通过逆 韧致吸收以及等离子体各种相互作用机制传递给电子，电子热传导将能量传递到 烧蚀阵面，烧蚀阵面向内形成冲击波。压缩并加热靶球燃料层，使之达到热核反 应的条件，实现高增益的热核反应：间接驱动是指将热核燃料颗粒放在由重金属 材料如金制成的空腔中，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，再山后者辐照靶球实现热核反应。与直接驱动相比，间接驱动的主要优点 在于更容易实现对靶球的对称压缩，从而达到高压缩比_ j 吝正是达到高增益热 核反应的条件。 1 2 强场物理与“快点火” 自从1 9 6 0 年美国人m a d m a a 制成第一个激光器( 红宝石激光器) 后，由于激 光具有方向性好、相干性好、功率密度大等优点，檄光广泛应用于测速、测距、 通信、同位素分离 2 i 及受控热核聚变等各种领域。掺钛蓝宝石( t i ：s a p p h i ”) 和啁 啾放大( c h i q 弛dp u l s ea m p l i f i c a t i o n ) 技术”l 的结合，使激光已经发展到强度高达 1 0 ”1 0 2o w c m 2 的超强超短脉冲，其场强可大于原子内部的场强。这样高的功率 密度在实验室中产生了前所未有的强电场、强磁场、高压强和高密度的极端物理 条件，为i c f “快点火”、高能量密度物理、粒子加速、非线性光学、相对论物理、 天体物理等领域的研究带来了新的机遇。 1 2 1 强场物理 二十世纪八十年代中后期掺钛蓝宝石与c p a 技术的结合给超短脉冲激光技 术的发展带来了一次革命。掺钛蓝宝石晶体具有宽频带和高增益以及良好的热性 能等优点，是非常理想的超短脉冲激光工作介质，c p a 技术的基本原理如图l2 。 圈1 2 c p a 激光器的基本原理 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 从宽频带超短脉冲( 小于1 0 。1 2 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 3 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到原来的脉冲宽度。这样， 既可以保证有高地通量以实现高的抽取效率，又避免了非线性效应。 九十年代以后，世界上许多大学和实验室相继建立了小型装置，脉冲宽度多 为亚皮秒至数十飞秒，输出能量多小于几百m j ，输出功率大多不超过1 0 t w ，聚 焦后功率密度一般低于1 0 1 8 w e r a 2 。这给物理学带来了新的机遇，科学家纷纷探索 新现象、新规律和潜在的应用。在激光聚变研究的需求下，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。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( r a l ) 、 法国里梅尔实验室( l i m e i l ) 等把这一技术与用于激光聚变研究的高功率固体激光 器相耦合，形成了全新的一代高功率超短脉冲固体激光器，这些激光器脉冲宽度 一般为数百飞秒，输出能量数十至数百焦耳，输出功率大都高于5 0 t w ，甚至超过 1 0 p w ，聚焦功率密度后高达1 0 1 9 1 0 2 1 w c m 2 。 新型超短脉冲激光不仅可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 1 6 p a 的超高压和1 0 4 t 的超强磁场，可以产生温度高达1 0 9 k ( 远大于太阳的 温度) 的黑体辐射。在这样强的电场中，电子的振荡速度接近光速。其将给天体 物理、材料科学、等离子体物理、激光核聚变、原子物理、非线性光学、相对论 物理、凝聚态物理、激光物理、加速器物理、高能物理及其它许多应用学科带来 巨大冲击和机遇。 当功率密度大于1 0 1 8 w e m 2 时，具有强的相对论效应。此时，靶面激光电场 e = 2 ，c ，其中氏是真空介电常数，c 为光速。将数据代入，得到激光电场为 3 1 4 x1 0 1 2 v m ，其值已是氢原子中束缚基态电子的库仑场强( 5 1 4 1 0 v m ) 的5 倍多。功率密度达到1 0 2 0 1 0 2 w e r a 2 时，这样强的功率密度带来了实验室中前所 未有的强电场、强磁场、高压强和高温度的极端物理条件。这时激光与物质( 或 等离子体) 相互作用属与强场( 或极端) 物理范畴。此时电场已达数十至数百倍 于氢原子第一玻尔半径库仑场，电子的颤动能将达到1 0 m e v 量级，远大于其静止 能量0 5 1 m e v 。光压p = l c 则达到l o 5 0 p p a ，即约l o 大气压。这和激光聚变 所涉及的激光( i = 1 0 ”w c m 2 ) 等离子体相互作用有显著的不同。如激光吸收机制， 激光等离子体不稳定性等。它的应用范围，实验诊断仪器，问题的处理方法等都 有差异甚至截然不同。激光功率密度从1 0 1 6 1 0 2 1w c m 2 是一个很大的跨度，所能 产生的物理现象和所能研究的物理问题也不尽相同。许多科学家在众多领域中已 第3 页 国防科学技术人带研究生院硕十学位论文 经或i f 在努力探索。这些领域如i c f “快点火”，高能量密度物理，高强度x 射 线辐射，粒子加速，x 射线激光，激光高次谐波，中子、质子的产生等。 以往常用的微扰理论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。由于电子速度很高，可接近光速，超相对论效应尤为重要。 由于超强的光压，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。 由于激光脉冲足够短，靶物质在超强檄光作用下的高电离率和离子惯性激光等 离子体膨胀很小，等离子体标长( l = c 。f ，c 为离子声速，r 为激光脉宽) 也很 小。从而形成近固态密度且梯度很徒的等离子体。这种等离子体的电离、吸收、 等离子体不稳定性都与聚变等离子体有显著差别，对理论研究、实验诊断提出新 的要求。 超强超短激光等离子体相互作用研究内容十分广泛，主要有：超强超短檄光 与固态物质、原子或团簇的相互作用及电离机制；超强超短激光在等离子体中的 传播、吸收：超强超短激光等离子体不稳定性，超热电予的产生机理和产额：超 强超短激光与物质相互作用x 射线辐射及其特性；超强超短激光等离子体中的自 生磁场及其影响：快点火机理及其粒子模拟；高次谐波的产生及其应用：x 射线 激光；粒子加速等。 12 2 “快点火”物理 高功率超短脉冲固体激光器的出现为“快点火州w 的研究提供了条件。根据 t a b a k 提出的“快点火”模型( 图i - 3 ) ，快点火将压缩和点火过程分开具体可 分为三个阶段：首先用主脉冲几个纳秒、波长0 3 5 岬、功率密度l o ”1 0 ”w l c m 2 的激光压缩d t 小球到高密度( p = 3 0 0 9 c m 3 ) 的芯区外围为几个n u n 到i c m 厚 的高温低密度等离子体冕区。其次，用强度1 0 t 9 w k m 2 、脉宽约1 0 0 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10 5 p r o ，脉宽为l 1 0 p s ，功率密度2 1 0 ”w c m 2 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。 幽l3 快点火模型 点火激光经过通道到达高密度区，与电子相互作用。在相对论效应下，有质 第4 砸 囊 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 动力直接加速电子产生动能近似为1 m e v 的超热电子。i m e v 的超热电子在d t 中 的射程约为0 3 5 9 c m 2 ，丽1 0 m e v 电子在d t 中的射程约为1 0 9 c m 2 ，所以i 不能 太大，不然超热电子会穿出芯区。一般激光强度为1 0 旧w c m 2 比较合适。超热电子 在高密度芯区边缘沉积能量，形成热斑并达到点火条件 瓦5 k e v ( 1 1 ) p h r h = 0 3 5 9 c m 2 对于快点火模型，芯区密度与压缩小球的密度是一样的，所以有p h = 成，这 样芯区内能瓦= 2 1 t h 彳1 2 k j ，只有中心点火模型的1 1 0 0 ，因此快点火可以大 大降低对激光能量的要求。 实验和计算表明，脉宽p s 量级，波长为1 0 5 p r o ，功率密度i 1 0 伸w c m 2 的激 光转换为超热电子的效率约为3 0 ，再加上激光在冕区传输时损失能量的3 5 。 这样，要求点火用的超短超强激光的能量为 b ，1 2 ( 0 3 0 3 5 ) k j l l k j ( 1 2 ) 事实上，因为热斑形成在芯区表面，部分口粒子要跑向真空，为了确保点火 和燃烧，要求e s t 1 7 ( 0 3 0 3 5 ) k j 1 6 k j 。 对点火的超短超强激光脉冲宽度的要求，可以通过以下几种相互作用时间的 估计和分析得到： 激光和电子的作用时间t r 一 -15；et o o 1 0s 超热电子与d t 离子的作用时间r , i 5 1 0 2 霉佗n , 0 7 6 p s 热斑膨胀时间t d r h c , 1 0 p m ( 0 5 1 u n p s ) 2 0 p s 点火激光的脉宽要满足t 一 f p t d ，即f p = l 1 0 p s ， 功率p = e s l r 。3 x 1 0 1 4 w ，功率密度i = p 万r 2 1 0 1 9 1 0 2 0 w c m 2 。这就是 为什么飞秒激光不能用于点火的物理原因。从目前的c p a 技术的发展来看，能量 压缩和放大的上限为l o w ，可以达到快点火对激光功率的要求。 同中心点火模型相比，要产生同中心点火模型相当的压缩燃料层，要求用于 压缩的主脉冲能量( 0 3 9 m j ) ，远远小于中心点火模型需要的( 1 6 m j ) 。并且， 由于没有中心点火区，内爆压缩对称性的要求可以降低，特别是发生在热斑与高 密度主燃料层界面间严重的流体力学不稳定性不再存在，大大放宽了对内爆对称 性的要求，从而进一步降低了对激光能量的要求。 1 3 激光质子加速的研究进展 早在1 9 6 3 年，激光物质相互作用中产生的高能离子发射就已经被观察到。实 第5 页 国防科学技术人学l _ i f 究生院硬十学位论文 验中发现这些离子是质量根轻的质子，柬自靶表面含氢元素的粘污层。粘污层很 薄( 5 0 a ) ，一部分来自靶室中的永蒸气，一部分来自真空泵泵油中的碳氢化合物。 1 9 8 6 年，利弗莫尔实验室的s g i l o m e r 广泛地分析了激光波长、能量和脉宽对激 光物质相互作用中产生的高能质子的影响。他们采用了五种理论模型解释了高能 质子与超热电子温度的关联，通过这些模型获得的结果与实验有较好的符合。图 13 是靶背法向质子发射的示意图。 _ 娥 l 酗1 3 靶背质子采的发射 在超短超强激光等离子体相互作用中，靶背方向产生的质子束沿着法线方向 以一定的锥角发射。与加速器产生的质子柬流相比，超短超强激光与等离子体相 互作用过程中产生的质子束存在着以下几个特点：首先是柬流小，发射源的尺度 与激光焦斑尺度大致相当，只有几十到几百个微米：虽然存在一定的发射张角， 但发射张角不是很大，在超热电子云的作用下可以保持整体准中性，不会发生 大的敞焦；其次，方向性很好。靶背的质子柬严格沿着靶背表面法线方向发射， 这使得我们可以很好的控制质子柬的方向；因为质子的加速主要来自激光等离子 体相互作用中产生的超热电子在靶背建立的鞘层电场，超热电予的速度很快，已 经接近光速，产生的鞘层电场对质子的加速也在很短的时间内完成，因此质子束 的脉宽很窄，这也是加速器无法实现的。基于以上这些特征，超短超强激光等离 子体相互作用产生的质子在粒予加速、质子成像、“快点火”和治疗癌症等方面 具有极为广泛的应用前景。 当前，对超短超强激光与等离子体相互作用产生的质子束研究已经成为超短 超强激光等离子体相互作用领域中的一个热点，国际上已有多个研究小组展开了 对此的研究，并取得了重大的进展。 a p f c w $ 等人p l 首次在v u l c a n 激光系统上采用强度为2 1 0 。s w c m 2 的口s 激光产生的等离子体中观察到了快离子。激光的参数为：能量3 0 j ，波长1 0 5 3 r i m ， 脉宽18 4 0 p s ，p 极化对比度1 ：1 0 6 。靶为3 6 “m 厚的聚脂薄膜并且激光以3 0 入 射。快离子的发射采用c r - 3 9 塑料核径迹探测器记录。他们发现发射的离子中， 质子占主导地位。在一些情况下也观察到了碳离子。当激光入射强度达到1 9 1 0 s w c m 2 时，靶背法线方向的离子能谱显示：随能量的增加离子数成指数减少， 且髓后在4 2 m e v 处产生一个尖锐的能量截断。而激光入射强度为1 0 1 0 ”w c m 2 时，能谱明显地不同于前者。它显示出一个非指数分布，同时也出现尖锐的能量 截断。快离子的角分布呈圆锥对称。快离子发射的一半被限制在一个2 0 的锥角中。 第6 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 激光功率密度从1 0 1 0 w c m 2 变剑2 0 l o 馏w c m 2 时，离子特征( 平均) 能量 从0 2 m e v 变到1 3 m e v ，大约有1 0 的激光能量转化为能量大于1 0 0 k e v 的离子。 h a t c h e t t 等人【5 l 提出了质子的一种加速机制靶背法向鞘层加速( t n s a ) 。即 超短超强激光与物质相互作用过程中，在主脉冲到达之前，激光预脉冲将靶离化， 相应的等离子体温度为k c v 量级。在这样的高温下，靶前表面的等离子体以大约 1 0 5 r r d s 的速度向真空膨胀，形成高温、低密度的等离子体层电晕区。主脉冲 到达之后，与等离子体相互作用，在临界密度面附近产生大量的超热电子，形成 超热电子云。如果靶足够薄，对于这些速度接近光速的超热电子来说是透明的， 那么超热电子会穿越整个靶区，在靶背表面与含氢沾污层中的氢元素的壳层电子 碰撞，使之电离。超热电子在靶与真空的交界面，会形成很薄( 大约几个到十几 个微米) 的鞘层电场，该鞘层电场在非常短的时间内( p s 量级) 使被电离的质子 获得加速。加速的质子沿着靶背法线以一定的立体角发射出去。t n s a 加速电场大 小为l e i 圮讲“p 厶) 。t n s a 加速机制从理论上解释了在实验中测量到的靶背高能 质子。这也是应用最广泛的，被实验证实测量到靶后质子理论解释。 p m o r a l 6 j 提出了超强超短激光固体靶相互作用发射质子的解析模型等离 子体向半空间膨胀模型。模型假设电子密度是b o l t z m a n n 分布，通过联立p o i s s o n 方程，离子数连续性方程及离子运动方程，结合相应边界条件，用自相似方法 ( s e l f - s i m i l a r ) 给出了在等离子体膨胀“前沿”的电场分布，并进一步求解得到 t n s a 机制加速质子的最大能量为k = 2 k r t 。 1 n ( r + 4 1 + f 2 ) 】2 ，其中为玻尔兹 曼常数，瓦为超热电子温度，f = ，乏，t 是激光脉宽，国驯= 刀2 而，岛是 质子等离子体频率。理论上给出了计算激光加速质子的截止能量的解析公式，但 模型无法给出质子的角分布的信息。 y o i s h i 等人r 7 j 系统研究了激光与质子能量和产额间的关系。该实验采用t i ： a 1 2 0 3 激光器( t h a l e sl a s e r ，a l p h ai o u s 2 0 t w ) ，波长为8 0 0 n m ，频率为 1 0 h z ，信噪比低于1 0 ，采用p 激化，仍离轴抛面镜对激光束进行聚焦，与靶面 成4 5 0 ，焦斑为4 xl l o r e 2 ，与5 岬的c u 靶相互作用。在脉宽是5 5 f s 时，激光能量 从4 3 m j 到1 2 0 m j 时，质子的产额和质子的截止能都随着激光能量的增加而增加， 质子的截止能从0 5 m e v 增加到1 3 m e v ；激光能量为1 2 0 m j 时，随着激光的脉宽 从5 5 f s 到4 0 0 f s 时，质子截止能变i x ；激光功率密度为2 1x1 0 1 8 w c m 2 时，随着 激光能量和脉宽同时增加时，质子的产额和质子的截止能均增大。当激光能量保 持不变，f ：，从4 0 0 f s 减少到5 5 f s ，质子的能谱没有明显的变化，e 。，仅增加了1 3 倍，然而i 增加时瓦。就增加了7 3 倍，这些结果说明质子在鞘层里的加速时间随 着乃而增加。实验结果与p m o r a 模型中的质子最大能量吻合得很好。 第7 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 m k a l u z a 等人1 8 】研究了预脉冲与靶厚度对高能质子发射的影响。在实验中他 们得出在预脉冲脉宽一定时，激光功率密度一定时，改变靶厚得出随着靶厚度的 增加时，质子的最大能量增加，到一定厚度后继续增加靶厚时，质子的最大能量 将要减小，则可以找到使质子能量最大的靶厚叫做最佳靶厚度。不同预脉冲宽度 得到不同的最佳靶厚，线性拟合得出它们间的关系为3 6 p m n s 。对于预脉冲脉宽 一定时，激光功率密度改变时，最佳靶厚度是相同的，由此得出靶的最佳厚度与 激光的功率密度无关，只是随着预脉冲脉宽的增加而增加。 z l c h e n 等人【9 1 在大阪大学用脉宽0 7 5 p s 、波长1 0 6 9 m 、能量1 8 0 j 的激光打 凹进去的锥形金靶。靶上的最大功率密度约1 0 1 9 w c m 2 。他们用r c f ，c r 3 9 和i p 成像板组成的探测器来观测电子和质子在激光的传播方向的不同能量的角分布。 实验中得出锥形靶得到的质子的最大能量大于平面靶，凹进去3 0 。的锥形靶大于 凹进去6 0 。的锥形靶产生的最大能量。 2 0 0 6 年h s c h w o e r e r l l o j 等人通过在激光光斑相应靶区附近镀上丰氢材料改变 靶结构，用功率密度1 0 1 9 w e m 2 、脉宽8 0 f s 的激光脉冲打微结构靶，由于在激光质 子加速中，激光焦斑中心区域方向的鞘层电场强度基本均匀，可以加速出能散较 小的准单能质子束。实验中观测到了能散为a 睇删k = 2 5 的准单能质子束。 激光质子加速机制是强场物理非常重要的研究方向，近年来国际上对此研究 很多，实验上通过改变靶的结构等方法来改进质子束特性，从理论上不断改进质 子加速的解析模型，同时通过p i c 模拟来研究各种加速机制，取得了重大的进展。 1 4 本文研究的主要内容及目的 本文对超短超强激光和固体靶相互作用中质子发射现象进行了研究，研究质 子加速机制、质子束特性，同时初步研究了质子成像的一些技术问题，对于我国 激光聚变“快点火 研究、核武器物理深入研究、稠密等离子体新诊断方法探索 等具有一定指导意义。本文主要内容安排如下： 绪论中阐述了强场物理与惯性约束聚变的关系，包括超短超强激光技术的发 展，“快点火 物理等，并介绍了激光质子加速的研究进展。第二章是激光等离 子体相互作用概述，同时介绍了产生超热电子的几种机制。第三章则是超短超强 激光固体靶相互作用中质子加速的机制，介绍了研究激光质子加速的解析模型； 第四章对实验中质子诊断系统的材料及仪器进行了说明。第五章是介绍了在 s i l e x - i 上的激光质子实验的基本条件，并对实验结果的分析处理，给出了质子束 能谱，在此基础上对实验中质子束的截止质量进行了计算，并用m u l t i 2 0 0 5 程序计 算了激光器信噪比对质子束能量的影响；同时从辐射变色膜的变化计算了实验中 质子产额；第六章介绍了对质子成像的初步研究，对实验中观测到的静态成像结 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 第9 页 国防科学技术人学研究生院硕十学位论文 第二章超短超强激光等离子体相互作用及超热电子的产生 机制 在激光物质相互作用中，在激光功率密度i 1 0 1 2 w c m ? 时，等离子体就已经 产生了。当高强度激光脉冲作用于靶上，预脉冲就可以离化靶原子，形成等离子 体，然后主激光将与等离子体相互作用。当激光功率密度高于1 0 1 8 w c m 2 时，要考 虑相对论效应，激光与单粒子的耦合机制将发生改变，而离子将参与集体运动且 要建立很强的准静态场。当超强激光作用于固体靶时，不仅会形成等离子体，还 能改变等离子体的性质。在激光等离子体相互作用后粒子在很短的时间内被加速。 最重要的是，在加速阶段里电荷不再保持电中性，加速将由电荷分离建立的准静 态电场加速。 激光不对离子直接加速，而是由等离子体与超热