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四j i i 大学硕士学位论文 激光团簇聚变中氘团簇的产生及特性研究 专业粒子物理与原子核物理 研究生吴玉迟指导教师杨朝文 随着超短超强激光的发展，气体团簇和激光相互作用引起人们的广泛关注。 超短超强激光与氘团簇相互作用可引发库仑爆炸释放出高能氘离子，这为激光 核聚变的研究提供了又一途径。在这一过程中，团簇自身的特性对实验结果有 着至关重要的影响。本文的主要内容就是研究用于团簇聚变的团簇的产生及其 特性的研究。 论文首先介绍了团簇的概念，并对超短超强激光与团簇相互作用的研究进 展及应用前景做了简单的介绍。阐述和比较了目前国外对各种团簇特性的研究 方法及相关结论。 研究了各种团簇源的产生机制。结合聚变物理实验，采用超声速喷射法建 立了一套用于团簇聚变研究的低温氘团簇制备系统，主要包括五个部分：进气 装置，冷却装置，阀门，喷嘴，位置调整系统。经测量，在背景压强4 8 a r m 、初 始温度1 0 0 k 时，该系统可制备出大尺寸( 2 3 6 0 原子团簇) 、高密度( 3 5 1 0 ” 个气体原子c m l ) 的氘团簇。该团簇源制备系统的制备为激光与团簇相互作用实 验奠定了基础。 从理论上研究了团簇的特性，通过模拟计算得到团簇密度分布、团簇尺寸 的变化规律。采用m z 干涉法诊断气体密度，瑞利散射法诊断团簇尺寸及结 核几率。研究了这两种诊断方法的原理和技术，并搭建了相关的实验诊断系统， 实现了与团簇制备系统的时间和空间同步。两套实验系统的稳定性高，重复性 好，且不破坏团簇的自身结构。 研究了实验数据的处理方法。采用基于傅立叶变换的方法处理于涉场图， 该方法精度高，处理速度快。开发了相关的实验数据处理程序，在应用中取得 了良好的效果。 四川大学硕士学位论文 采用m z 干涉仪测量了在不同实验条件下的气体密度分布。( a ) 分析了喷 嘴出口处的密度随压强、温度、喷嘴几何尺寸的变化情况，与理论模拟的结果 基本符合。通过研究喷嘴轴向和径向密度分布得出密度分布的空间分布规律， 同理论相结合，得到了描述喷嘴轴向和径向密度分布的半经验公式。( b ) 改变诊 断光与阀门的相对延时，测量了密度分布随时间的变化情况。密度在一个区间 内稳定在最大值，说明团簇源系统本身的工作过程中具有一个相对稳定的状态。 结合团簇源的特性诊断确定了激光与团簇相互作用的最佳时间和最佳位置。( c ) 结合瑞利散射的实验结果，给出了喷嘴轴线上2 r l l i i l 处团簇的平均密度，研究其 随压强的变化规律。结果表明，在一定温度下，随着背压的增加，团簇尺寸不 断增加，同时结核率上升，而团簇的总体数目确在不断减少，这说明团簇的生 长速率比生成速率快。 通过比对国外实验和理论计算，对该团簇源系统在团簇聚变实验中的应用 效果做了一定的评估。目前该团簇源的性能指标已经达到了国外团簇聚变实验 中所采用团簇源的同等水平，能够为团簇聚变实验提一个良好的实验条件。 关键词：氘团簇团簇特性m z 干涉仪瑞利散射库仑爆炸团簇聚变 四川大学硕士学位论文 t h e p r e p a r a t i o na n ds t u d yo nd 2c l u s t e rf o rl a s e r - c l u s t e rf u s i o n m a j o r ：p a r t i c l ea n dn u c l e a rp l a y s i c s p o s t g r a d u a t e ：y u c h iw u s u p e r v i s o r ：c h a o w e ny a n g m o r er e c e n t l y , a c c o m p a n i e db yp r o g r e s s e so nt h et e c h n i q u eo fc h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ，t h ei n t e r a c t i o no fc l u s t e r s w i t hp i c o s e c o n d sa n df e m t o s e c o n dl a s e r s h a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s t c l u s t e ri n t e r a c t i o nw i t hu l t r a s h o r tp u l s e u l t r a - h i g hi n t e n s el a s e rl e a d st oc o l u m ne x p l o d i n g ，a n di tc a np r o d u c ed e u t e r i u mi o n w i t he n e r g ya b o u tm e v t h u si tp r o v i d e sp e o p l ew i t hab r a n dn e wi d e at oa c h i e v e f u s i o ni nr e a c t i o ni nl a b d u et ot h es i g n i f i c a n ti m p a c to fc h a r a c t e r i s t i co fc l u s t e ro n t h ec l u s t e r - l a s e ri n t e r a c t i o ne x p e r i m e n t ，t h et h e s i sj u s tp o i n t st oc h a r a c t e r i z a t i o no f c l u s t e ru s e di nt h ei n t e r a c t i o ne x p e r i m e n t s o m eb a s i ck n o w l e d g er e l a t e dt oc l u s t e ri si n t r o d u c e df r o ms c r a t c h ，a n dt h e ni t s o u t l i n e dt h a t p r o g r e s s e s a n da p p l i c a t i o n p r o s p e c t o fr e s e a r c ho nt h ec l u s t e r j n t e r a c t i o nw i t hu l t r a s h o r t p u l s eu l t r a h i g h i n t e n s el a s e r g r e a te f f e c t so n c h a r a c t e r i z a t i o no fc l u s t e r sh a v eb e e nm a d eb yg r o u p so v e rt h ew o r l d 1 r h et h e s i s e l u c i d a t e sa n dm a k e sp r e p a r a t o r yc o m p a r i s o na b o u tt h e s em e t h o d s ，a l s or e l e v a n t c o n c l u s i o n s 1 1 l et h e s i se n c l o s e ss t u d i e so nm e c h a n i s mo fc l u s t e rf o r m a t i o nb yd i f f e r e n t m e t h o d s al o wt e m p e r a t u r ed e u t e r i u mc l u s t e rs o u r c ea s s e m b l yb a s e do ns u p e r s o n i c e x p a n s i o ni sc o n s t r u c t e da n du s e dt oi n t e r a c t i o n ，c o o l i n gi n s t a l l a t i o n ，p u l s es o l e n o i d v a l v e ，n o z z l ea n dl o c a t i o na d j u s t i n gi n s t a l l a t i o n w h e nb a c k i n gp r e s s u r e i s4 8 a r m ， t e m p e r a t u r e10 0 k ，c l u s t e r sp r o d u c e dv i at h ec l u s t e rs o u r c ea s s e m b l yi s m e a s u r e d w i t has i z eo f2 3 6 0a t o m s c l u s t e r a n di t sd e n s i t yi sa sh i g ha s3 5 t 0 1 9a t o m s c m 3 n l es y s t e m p r o v i d e sp r e c o n d i t i o n so ft h e i n t e r a c t i o n e x p e r i m e n t a n dm a k ei t p o s s i b l e 四jr l ：k 学硕士学位论文 s o m et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nc h a r a c t e r i s t i e so fe l u s t e ri sm a d e ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sa p p l i e dt oc a l c u l a t i o nt h e d e n s i t yp r o f i l ea n dr u l eo fc l u s t e rs i z e t r a n s i t i o n i t ss e tf o r t ht h a tp r i n c i p l eo fm zi n t e f f e m m e t r yt e c h n i q u ea n dr a y l e i g h s c a t t e r i n gm e a s u r e m e n t , c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a l d i a g n o s t i cs y s t e m i s c o n s t r u c t e d s p a t i a ld e u s i t yp r o f i l eo fg a sj e ti so b t a i n e dv i at h ei n t e r f e r o m e t e r p a t t e r n , a n dr a y l e i g hs c a t t e r i n gm e a s u r e m e n t ss h o wc l u s t e rs i z ea n dc o n d e n s a t i o n d e g r e e n l et w oe x p e r i m e n t a ls y s t e m sp e r f o r mw i t hg o o ds t a b i l i t y b o t ho ft h e ma r e s y n c h r o n i z e di ns p a c ed i m e n s i o na n dt i m e d i m e n s i o nw i t ht h ec l u s t e rs o u r c e a s s e m b l y p r o c e s s i n gd a t am e t h o d sa r ep r o b e d ，m a i n l ya b o u tt h ei n t e r f e r o m e t e rp a r e r uv i a m zi n t e r f e r o m e t r y a n dap r o g r a mb a s e do nf o u r i e rt r a n s f o r mw a sp e r f o r m e d a n a l y z et h ei n t e r f e r o m e t e rp a t t e r n ，w h i c hi so fah i g h e rp r e c i s i o na n ds t a b i l i t y n e g o o dn a t u r eo f t h ep r o g r a mi sc o n f i r m e dp r i m a r i l yi ne x p e r i m e n t s m zi n t e r f e r o m e t r ys h o w s j e td e n s i t yp r o f i l ea tar a n g eo f b a c k i n gp r e s s u r e sa n d t e m p e r a t u r e s ( a ) a n a l y z et h ed e n s i t yt r a n s i t i o na to r i f i c ew i t hb a c k i n gp r e s s u r e ， t e m p e r a t u r e ，g e o m e t r i c a ld i m e n s i o na n ds of o r t h i tc o n f i r m sw e l lt os i m u l a t i o n r e s u l t s u n d e rt h e o r y si n s t r u c t i o n , c o m b i n e dw i t hr o l eo fd e n s i t yp r o f i l er e v e a l e di n e x p e r i m e n t , as e m ie x p e r i m e n tf o r m u l ai so b t a i n e d ，w h i c hw i l li l l u s t r a t ej e td e n s i t y p r o f i l ei na x i sd i m e n s i o na n dr a d i u s ( b ) s h i f tt h et i m ei n t e r v a lb e t w e e ng a sp u f fi n t o v a c u u ma n dl a s e rf i r i n g ，n a m e l yr e l a t i v et i m e l a p s e d ，d e n s i t yp r o f i l et r a n s f o r mw i t h t i m ee l a p s e di sa c q u i r e d i ts h o w st h a tt h e r ei sat i m ee x t e n ti nw h i c ht h ed e n s i t y m a i n t a i n sa tam a xl e v e l ，c o r r e s p o n d i n g l y , aq u i t es t a b l es t a t eo fc l u s t e rs o t l t c e a s s e m b l ye x i s t s ( c ) i nc o n t r a s tt or e s u l t so fr a y l e i g hs c a t t e r i n g ，a v e r a g ed e n s i t yo fa s p o ta tt h ea x i s 研t h2 m md i s t a n c ef r o mo r i f i c ei so b m i n e da tar a n g eo fb a c k i n g p r e s s u r e i tc o n c l u d e st h a tc l u s t e rs i z eg r o w sw i t hb a c k i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n ga ta g i v e nt e m p e r a t u r e a l s oe o n d e n s a f i o n b u tt h en u m b e ro fc l u s t e r si si ni n v e r s e p r o p o r t i o nt ob a c k i n gp r e s s u r ei n c r e a s i n g ，w h i c hr e v e a l st h a tc l u s t e r sg r o w t hf a s t e r t h a ni t sp r o d u c t i v i t y c o m p a r i n gt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sf r o mg r o u p sa b r o a d ， a ne v a l u a t i o ni sm a d ef o rp e r f o r m a n c eo ft h ec l u s t e rs o u r c ea s s e m b l yi nc l u s t e r l v 四川大学硕士学位论文 f u s i o ne x p e f i m e m s t h ec a p a b i l i t yo ft h ec l u s t e rs o u e c ca s s e m b l ye q u a l st oi t s c o u n t e r p a r ti n s t a l l e db yr e s e a r c hg r o u p so v e r s e a s ，a n di se x p e c t e dt oc r e a t ef a v o r a b l e c o n d i t i o n sf o rc l u s t e rf u s i o ne x p e r i m e n td o m e s t i c k e yw o r d s ：c l u s t e r , c h a r a c t e r i s t i co fc l u s t e r , m - zi n t e r f e r o m e t e r , r a y l e i 曲s c a t t e r i n g , c o u l o m be x p l o d i n g ，c l u s t e rf u s i o n v 四j 1 1 人学硕i 学位论文 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的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得四川大学或其他教育机 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。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 学生：炭乏迟 导师：棚 四川大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 简介 团簇包括原子和分子团簇，是几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理 或化学结合力组成相对稳定的微观聚集体，其物理和化学性质随所包含的原子 数目而变化。团簇的尺寸从亚纳米到几十纳米，用分子描述显得太大，用小块 固体描述又显得太小。许多性质即不同于单个原子分子，又不同于固体或液体， 也不能对两者的性质做简单的线性外延和内插得到。因此人们把团簇看作是介 于原子、分子和固体物体结构之间的新层次，称之为物质的“第五态”。团簇具 有许多奇异的特性，如极大的比表面使它具有异常高的化学活性和催化活性、 光的量子尺寸效应和非线性效应、电导的几何尺寸效应、c 。，掺杂及掺杂原子的 导电性和超导性、碳管的导电性等等。 分子团簇最早起源于1 9 5 3 年，r a m s e y 报道卤化铝分子束磁共振产生不规则 的二聚体。1 9 5 6 年，b e c k e r 和h e n k e s 发现气体经喷嘴喷射，在真空室里迅速 膨胀形成团簇。现代团簇科学开始于1 9 6 1 年，b e c k e r 和h e n k e s 分别用质量谱 仪观测到喷射过程中产生的二氧化碳团簇，之后团簇科学主要盛行在美国的物 理化学领域和欧洲分子物理领域，最后独立发展成团簇物理。 团簇理论研究将促进理论物理、计算数学和量子化学的发展。团簇是有限 粒子构成的集合，其所含的粒子数可多可少，为用量子和经典理论研究多体问 题提供了合适的体系。由于团簇在空间上都是有限尺寸的，通过对其几何结构 的选择，可提供零维至三维的模型系统。 团簇的微观结构特点和奇异的物理化学性质为研究具有特殊性能的新材料 开辟了另一条途径。例如，团簇红外吸收系数、电导特性和磁化率的异常变化 以及某些团簇超导临界温度的提高等特性可用于研制新的敏感元件、储氢材料、 磁性元件和磁性液体、高密度磁记录介质、微波及光吸收材料、超低温和超导 材料、铁流体和高级合金等。 激光与团簇相互作用的研究使基础物理研究得到了进一步的发展。团簇对 激光的吸收系数可高达8 0 以上，与激光的相互作用作用过程可以产生高能离子 和中子以及强的x 射线辐射。 总之，团簇的研究是跨合成化学、化学动力学，晶体化学、结构化学、原 子簇化学等化学分支，也是跨原子、分子物理、表面物理、晶体，l - 长、非晶态 四川大学硕士学位论文 等物理学分支，也和星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大气微晶等科学的研究 交叉。团簇研究的发展必将推动若干高新技术发展，在核能、国防技术、材料 等方面均有广阔的应用前景。 1 2 超短激光与团簇相互作用的研究现状和发展趋势 自从五十年代b e c k e r 等人提出了用超声喷注加冷凝的方法产生原子( 分子) 团簇以来，团簇研究已经取得了很大的进展，目前在实验上已经取得了一些十 分有意义的结果。对团簇进行研究不仅在化学、冶金、新材料的发现和制备等 领域有着不可估量的应用前景，而且为固体物理、表面物理和原子分子物理等 基础学科的研究也提供了一种强有力的新手段。 超短脉冲激光( 功率密度从1 0 ”一1 0 ”w c m - z ，脉冲宽度从2 0 f s - - p s ) 与各种 团簇相互作用的理论和实验研究一直是一个十分活跃的领域。由于此相互作用 过程能产生能量高达m e v 量级的高能离子和中子以及非常强的x 射线辐射，因 此对这种相互作用的研究有望对激光核聚变和x 射线激光等研究领域产生重大 的影响。从最初美国伊利诺斯大学的r h o d e s 等人在利用2 4 8 n m 、脉宽l o o f s 、 功率密度0 5 8 0 l o ”w c m - 2 的超短准分子激光与x e 、k r 团簇相互作用中观察 到异常的内壳层x 射线辐射以及高电离态的离子到近几年d it m i r e 等人利用d ： 团簇实现台式聚变反应的短短几年内，对激光与团簇相互作用的研究取得了长 足的发展。许多实验表明强度在1 0 ”一i 0 ”w c m - 。的激光与团簇相互作用时产生很 强的光子能量在1 0 0 - - 5 0 0 0 e v 的x 射线辐射，并在实验中观测到k e y 的电子和 m e v 的高电离态的离子。激光与团簇相互作用过程中激光的吸收效率达8 0 以 上，表明激光在与团簇相互作用过程中有极高的耦合效率。m c p h e r s o n 。1 等人在 实验中观察到原子内壳层x 射线辐射，并认为团簇在与激光相互作用过程中产 生了空心原子，如果产生这种空心原子的数量足够多，或者弄清楚空心原子产 生的物理机制，团簇将可以成为潜在的x 射线激光增益介质。利用激光团簇相 互作用产生高能离子这一特点，劳伦斯利弗莫尔实验室( l l n l ) 的d it m i r e 等 人利用功率密度约2 1 0 ”w c m ? 的激光与d ：团簇作用实现和聚变，得到了每焦耳 激光能量产生1 0 5 个中子的效率，这是超短超强激光与团簇相互用研究中的一项 最卓有成效和激动人心的应用。 在超短超强激光与团簇相- 叵作用机制的理论研究方面，世界各国科学家做 2 四j i 大学硕十学位论文 了大量的工作，建立了一些理论模型。由于超短超强激光与团簇相互作用过程 中表现出如此不同于气体和固体在激光场中的行为，人们很早就试图建立一个 能描述团簇在激光场中行为的动力学模型，解释团簇的电离、膨胀、解体过程， 解释高电离态离子、高能离子和电子产生以及极短波长x 射线辐射的物理机制。 d i t m i r e 等的等离子体流体动力学模型被一些研究小组认为是描述和说明 超短超强激光脉冲与团簇相互作用最成功的模型。d i t m i r e 在“流体动力学模型 ”中，将每个团簇近似认为是一个高密度的等离子体小球，在长波近似下，等 离子体球内每个原子感受的电场是等离子体球在外场中由于极化产生的屏蔽 场，原子的电离主要是屏蔽场的隧道电离和电子碰撞电离引起的。大量的实验 表明“流体动力学”模型能较好地解释团簇的膨胀过程，团簇的共振吸收效应、 高电离态离子、高能离子、电子的产生以及激光团簇作用中表现出来的对激光 频率、激光脉宽、团簇尺寸的依赖效应等实验现象。“流体动力学”模型把团簇 近似看成是等离子体小球，因而要求团簇足够大( 直径 1 0 n m ) ，使团簇在膨胀 过程中，绝大多数电子仍然留在团簇内部，使之能近似为一等离子体球。虽然 考虑的是一个均匀的膨胀模型，不能解释高能离子的能谱和电子的角谱分布， 对于激光与较大团簇的相互作用来说，“流体动力学”模型是一个较好的模型。 同时，这个模型的某些方面也受到质疑。强激光场中均匀密度等离子体微球的 各向同性爆炸无法解释与激光偏振方向有关的各相异性电子和离子发布。 d i t m i r e 以及l a s t 等人都采用经典的粒子动力学模型“3 模拟了超短脉冲激 光与小尺寸团簇( 团簇内原子个数在几十到上千个) 相互作用的动力学过程。 该模型与电离点火模型类似，只是没有用m o n t e - c a r l o 方法，因此可以模拟上 千个原子的团簇。该模型可以定性地解释小尺寸团簇在激光场中表现的库仑爆 炸过程。m b r e w c z y 等人提出了一维的经典含时托马斯费米模型模拟激光场中原 子、分子和团簇的电离动力学过程。利用该模型计算了包含1 2 个x e 原子的一 维链状团簇在功率密度为1 0 1 暑w c m - 2 的激光场中的膨胀行为。模拟的结果显示， 团簇的膨胀表现为一种逐步的具有壳层结构的膨胀过程，最外层的离子由于库 仑压力率先离开获得更高的动能。r o s e p e t r u c k 等人提出的“电离点火”模型 ”。是采用经典的m o n t e c a r l o 方法模拟团簇住激光电场中的动力学行为。该模型 计算的结果表明一旦激光的强度达到原子译价的电离的阈值，离子的电离会得 到迅速的增强，这是由于团簇内部离f 和 uf 产生的电场与激光场的共同作用 四川大学硕士学位论文 引起团簇内部离子的迅速电离，即电离点火。由于该模型采用经典的 m o n t e c a r l o 方法，只能模拟较小的团簇。 激光与团簇相互作用过程具有明显不同于气体和固体的特点。团簇是介于 微观的原子分子和宏观的固体之间一种物质形态，在尺度上比原子大得多，原 子个数一般都在几千以上，采用适用于原子分子的量子力学的处理方法几乎不 可能；然而在尺度上又比固体小很多，作用机制也应该有别于檄光与固体的相 互作用过程。虽然至今，已经建立了好几种理论模型如电离点火模型、流体动 力学模型、经典粒子动力学模型以及托马斯费米模型来分析解释激光与团簇作 用过程中高电离态离子、高能离子的产生机制，然而到且前为止，还没有一种 理论模型被完全接受。作为强场物理的一个独特领域，对超短超强激光与团簇 相互作用的研究不过十来年，虽然在实验上已经做了相当多的工作，得到了许 多独特的有些甚至很出乎意料的结果，而且也发展了好几种模型解释实验中观 测到的现象，然而对于激光与团簇的相互作用机制，还有很多未知的领域有待 开拓，理论模型还需要不断完善。 1 3 短激光与团簇相互作用的潜在应用 在a m c p h e r s o n 等人利用3 0 0 f s 、2 4 8 n m 和强度达8x1 0 ”w c m 2 的脉冲激 光与x e 团簇相互作用获得了极高的x 射线产额，观察到了光子能量达5 k e v 的 x e ( l ) 壳层x 射线辐射后，飞秒激光与团簇相互作用的研究取得了极大的进展。 在相互作用过程人们观察到了非常适合于高强度激光传播的等离子体通道，测 量到了k e v 波段范围内的x 射线辐射、能量高达m e v 量级的高能离子和中子并 实现了台式聚变反应。因此，对超短超强激光与团簇相互作用的研究有望对小 型激光核聚变、台式x 射线激光和无碎屑激光等离子体软x 射线源等研究领域 产生重大的影响，并具有潜在的、巨大的应用价值。 ( 1 ) 团簇聚变中子源 核聚变能是轻核聚变反应释放出的能量，是人类可持续发展的最理想的清 洁而资源无限的新能源。激光核聚变是重要的聚变途径之一。目前此类实验只 能在大型激光装置上进行。最近的一些研究已经表明，超短脉冲激光能够激发 大的团簇，产生超热微等离子体，释放出高能带电离子。d i t m i r e 等”3 人的研究 向实现台式激光核聚变迈进了一大步。他们将一台基于啁啾脉冲放大技术的桌 4 四川大学硕士学位论文 面激光器产生的激光束聚焦在氘气喷流的出射口处进行团簇聚变实验。喷射氘 气被低温冷却到一1 7 0 ，通过绝热膨胀产生了大的氘团簇。实验测量到能量为 2 4 5 m e v 的种子，充分证实了在团簇等离子体中叩聚变反应的存在。在最佳的实 验条件下，他们获得了每发约l 1 0 4 的中子产额，相当于每焦耳入射能量产生 1 0 5 的聚变中子。实验装置和实验结果如图1 1 所示。这些研究结果说明，超短 脉冲激光与团簇的相互作用研究为实现小型激光核聚变奠定了基础。 图1 1 超短超强激光与氘团簇作用实验装置和实验结果 ( 2 ) 台式x 射线源 x 射线激光是具有分子分辨率成像系统的理想光源。x 射线激光研究的一个 重要目标是在“水窗”波段( 2 3 - 4 4 n m ) 实现具有饱和输出能量、相干性好的 激光辐射。近几年已有一些研究者用超短脉冲激光照射x e 、a r 、k r 等惰性气体 喷流观察到了非常强的x 射线辐射”“。研究结果表明，团簇兼有气体靶所固有 的均匀性和固体靶所固有的高密度等优点，避免了固体靶所固有的密度梯度和 高的热传导等缺点，因此其对激光的吸收率甚至比固体靶还要高。即使用小规 模的短脉冲激光加热团簇所产生的等离子体也能够提供一种强的x 射线辐射源， 获得较高的x 射线转化效率。 超短脉冲激光与团簇的相互作用能够产生具有高能量、高转化效率的高次 谐波。d o n n e l l y 等人的研究表明，与单原子气体比较，团簇能够产生更高阶的 谐波，可以产生短波长的相干辐射：t i s c h 等人的研究也证实，团簇所产生的高次 谐波的产额比单原子高h 倍。 ( 3 ) 高能离子的产生 四川大学硕士学位论文 大的团簇爆炸时所获得的离子能量比普通分子库仑爆炸时的离子能量高4 个量级，使得以前在台面超短脉冲激光驱动下高不可及的核反应变得切实可行 了，因此也使得团簇光物理成为强场物理中的热点。1 9 9 6 年，d i t m i r e 等人用 强度为2 1 0 ”w c m - 2 的t i ：s 激光辐照x e 团簇，结果发现当团簇内原子数低于 1 0 0 时观察不到k e v 离子，团簇内原子数为4 0 0 时，最大离子动能为2 5 0 k e v ， 平均离子动能为2 8k e v 。进一步增大团簇获得了更高的离子动能，当原子数达 到2 5 0 0 时，观察到动能高达m e v 离子。1 9 9 7 年，l e z i u s 等人用强度达5 1 0 ” w c m - 2 的t i ：s 激光对a r 团簇和x e 团簇进行实验。在含有2 0 l o s 个原子的x e 团簇中，获得了最高达1m e v 的x e ”离子。 1 4 团簇及团簇源特性研究 激光参数和团簇源的特性是影响超强超短激光和团簇相互作用实验的两个 主要因素。团簇的生长过程中涉及诸多复杂的物理变化，因此团簇源的特性诊 断是一项非常关键的工作。几十年来团簇特性研究方面已经取得了一定的进展。 气体原子( 或分子) 团簇一般都是由高压气体经喷嘴喷出后在真空中绝热 膨胀形成。h a g e n a 提出经验参数r ，表征气体的冷凝成团的程度不仅取决于与 气体元素有关的冷凝常数，而且取决于气体初始状态的压强，温度以及喷嘴的 几何形状“”。： r - 七缝 ( 1 。) 其中d ( u m ) 为喷嘴喉口直径：口为喷嘴的半张角：p 。( m b a r ) 为气体背 景压强；k 是气体的冷凝常数。下表( 表1 1 ) 为常见气体的冷凝常数值： lg a sh 2m如c 0 2h e n e a rk rx e c h 4 j | k 1 8 41 8 11 4 0 03 6 6 03 8 51 8 51 6 5 0 2 8 9 0 5 5 0 02 3 6 05 2 8l r 是一个气体绝热膨胀冷凝成团程度的一一个度量标准，只能定量地描述气 体成团过程中极为复杂的气体动力学和热力学变化。h a g e n a 通过理论计算，。以 6 四川大学硕士学位论文 及飞行时间质谱仪实验测量团簇尺寸， 关系是：当f + 1 0 0 0 时 瑚，”5 给出气体喷流中团簇平均尺寸万和r 的 ( 1 2 ) 但是上式仅仅是一个半经验公式，并不能准确表征团簇的大小，只是为实验设 计提供一定的参考，有其适用的范围和局限性。所以，h a g e n a 强调：“上式主 要用于提供一种指南，用以由r 得到万的期望值。实际的万值，不仅决定于r 。， 而且与团簇尺寸诊断时的条件有关” 1 1 1 。因此，就目前发表的文献资料看，各 种实验方法得到团簇尺寸数据相对而言有一定程度的差别。人们也提出了对 h a g e n a 经验公式的不同修正： ( 1 ) b u c k 通过氦原子碰撞团簇，测量团簇的尺寸，提出万和r + 的关系( 对于 锥形喷嘴) 是“：当f 1 8 0 0 时， 万= e x p a o + q ( 1 n f ) o8 】 ( 1 3 ) 其中，a 。= 一1 ：2 8 3 ，口= 3 5 1 ( 2 ) m a c l e r 等用a r 团簇对水分子的捡拾得到掺杂了水分子的氩团簇，通过对 a r h ，0 团簇的电子束碰撞电离作质谱探测，得到团簇对水分子的捕获截面，然 后推断a t 团簇尺寸万，给出万和r 的关系“： 万= 3 3 x 1 05 r ”“( 1 4 ) ( 1 4 ) 式中的r + 指数2 0 l 明显小于h a g e n a 的r 指数。m a c l e r 认为对照许多 其它实验的r 指数后，( 1 4 ) 式的指数2 0 1 相对于h a g e n a 的指数更准确。 ( 3 ) 德国汉堡大学实验物理研究所的k a r n b a c h 等和汉堡同步辐射实验室的 m o l l e r 利用飞行时间质谱方法探测对同步辐射光电离的爿- 团簇的平均尺寸和 分布，然后矫正团簇在电离过程中的碎解，最后给出f ( 4 x 1 0 3 f l x l 0 4 ) 与团簇平均尺寸万的关系为”： 1 2 9 1 0 。f 3 ( 1 5 ) ( 4 ) d it m i r e 等用瑞利散射诊断惰性气体( a r 、k r 和x e ) 团簇“1 和低温高压 产乍的( h ：) 。团簇“”的尺寸。在这些实验中，团簇平均尺、j 万和气体背压e o 之间 的关系大致为万。c 昭“8 ，即万。c f 一2 印”。并且，平均尺寸万还与气体的初 四川大学硕士学位论文 始温度r o 有关。例如，在室温下，万m 露o 1 6 1 7 。瑞利散射法测量团簇尺寸是一 种相对测量，必须定标。d i t m i r e 假设散射信号开始出现时的团簇尺寸为 万= 1 0 0 “”】。但是，信号出现时间的界定较为模糊，并且信号开始出现时的r 值会因试验者的技巧和实验系统的调整状态不同而不同。所以，瑞利散射法作 为团簇的尺寸诊断手段，必须要借助一种更恰当的定标方法。另外，瑞利散射 信号的强度s 。与散射粒子半径r 的6 次方成正比。如果，全部气体原子凝聚为 尺寸为万的团簇，s 。，o c ( - ) 2 1 e 1 7 。所以，瑞利散射法适宜于大尺寸团簇的尺寸 诊断。近年来许多研究组采用上述的瑞利散射法“”1 。b u s h 等诊断a t 团簇喷流 ( r 直至2 4 b a r ) ，得到万f ”3 4 。“，与h a g e n a 的r + 相同；l i u 等得到 玎o c 爿8a c f ”8 ( 对于a t ) 和万露oo c 2o ( 对于骼j 和屉。团簇) 。 fd o b o s z 等。”按f a r g e s 等“”的实验结果拟合出：当5 0 4 时，轴上的温度和密度可分别表示为： n ( 8 ) n 。= o 1 5 8 t ( 8 ) t o = 0 2 8 2 6 。4 7 3 ( 2 1 ) 其中d 为喷嘴直径。整个流动地区的变化只决定于占的减少，但有效膨胀的范 围决定于n o ，l ，d 绝对值( 如万的范围) 。一旦超过某个界线，系统达到最终温度 死，气流进入无分子碰撞流动阶段。这个转变决定于参数妒： = n o d t o - 1 2 5 ( 2 2 ) 如分子是硬球结构，l 和y 有如下的关系： l = k g - 4 5 ( 2 3 ) 气体在绝热膨胀过程中经历一个蒸发压强曲线( 如图2 3 ) 。a 点为气体的 初始状态只，兀。气体首先沿着等熵线膨胀到b 状态，和扁平的表面蒸发曲线 只( r ) 相交。但气体状念仍旧沿着等熵线变化，直至达到过饱和状态c 点，丌始 形成团簇。过饱和状态破坏后，气体转向沿着只( 丁) 曲线变化