強(qiáng)場(chǎng)物理中超熱電子的產(chǎn)生及渡越輻射的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本論文研究了超短超強(qiáng)(US-UI)激光與等離子體相互作用中超熱電子的產(chǎn)生、輸運(yùn)和渡越輻射。國內(nèi)我們首次在100TW相對(duì)論激光功率密度的條件下，研究了超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的超熱電子渡越輻射(TR)，獲得一些國內(nèi)外未見報(bào)道的新的物理結(jié)果。這些結(jié)果不僅對(duì)于理解超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用的物理機(jī)制有益，而且對(duì)慣性約束聚變(ICF)中“快點(diǎn)火”(Fastignition)方案的物理設(shè)計(jì)也是非常重要的基礎(chǔ)工作之一。 激光慣

2、性約束聚變(ICF)的快點(diǎn)火方式自1994年提出以來，因?yàn)闇p小點(diǎn)火能量的要求和放寬了對(duì)驅(qū)動(dòng)壓縮對(duì)稱性迅速成為ICF研究的熱點(diǎn)之一。但是由于開展時(shí)間短，快點(diǎn)火機(jī)制中的許多物理過程還需要仔細(xì)研究，其中超熱電子在稠密等離子體中的輸運(yùn)問題就是一個(gè)復(fù)雜，但對(duì)快點(diǎn)火機(jī)制是至關(guān)重要的物理問題。 論文首先對(duì)激光技術(shù)的發(fā)展以及由此產(chǎn)生的一門嶄新的學(xué)科—超短超強(qiáng)激光與物質(zhì)相互作用(或稱為強(qiáng)場(chǎng)物理)的研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)要介紹，其中包括超熱電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)

3、研究進(jìn)展、快點(diǎn)火研究進(jìn)展及渡越輻射的研究進(jìn)展；闡述了激光等離子體相互作用相關(guān)的基本概念和基礎(chǔ)理論；比較全面地?cái)⑹隽硕稍捷椛涞脑砗洼椛涓拍钜约俺坛瑥?qiáng)激光等離子體相互作用中超熱電子渡越輻射的基本理論；介紹了本論文在中國工程物理研究院(CAEP)激光聚變研究中心的實(shí)驗(yàn)總體情況；最后，重點(diǎn)介紹我們對(duì)超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用中超熱電子的產(chǎn)生、輸運(yùn)及渡越輻射的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果。 本論文進(jìn)行了四個(gè)方面的研究：第一，利用渡越輻射對(duì)超熱電子

4、束特性進(jìn)行診斷的實(shí)驗(yàn)研究，包括渡越輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模擬結(jié)果的比較；不同種類、i不同厚度靶渡越輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較。第二，超熱電子的產(chǎn)生和輸運(yùn)研究，包括不同方向超熱電子的能譜；超熱電子注量與靶厚度的關(guān)系；超熱電子的總能量與靶厚度的關(guān)系；超熱電子的注量與激光功率密度的關(guān)系；激光脈寬對(duì)超熱電子能量沉積范圍的影響。第三，超熱電子輸運(yùn)的不穩(wěn)定性研究，包括不同厚度靶背表面光學(xué)渡越輻射的時(shí)間積分成像光斑的空間分布，輻射光強(qiáng)隨靶厚度的變化關(guān)系。第四，研

5、究了超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用所產(chǎn)生的渡越輻射光譜和時(shí)間分辨成像。 在利用渡越輻射對(duì)超熱電子束特性進(jìn)行診斷的實(shí)驗(yàn)研究中，在厚度為20μm的Ta靶背表面觀測(cè)到，渡越輻射光斑呈現(xiàn)較平滑的圓形結(jié)構(gòu)，而且中心亮度高于周圍，顯然包含了非相干與相干渡越輻射的成分，與理論模擬結(jié)果比較接近；在厚度為100μm的Ta靶背表面觀測(cè)到，渡越輻射光斑呈現(xiàn)出“星”狀結(jié)構(gòu)，光斑變得較小，與高能質(zhì)子發(fā)射出現(xiàn)的星狀結(jié)構(gòu)極其相似；在復(fù)合靶10μmTa+10μm

6、Cu+5μmTa背表面觀測(cè)到，渡越輻射光斑雖然也呈現(xiàn)大致的圓形結(jié)構(gòu)，但光斑變得更大，而且極不均勻，中間有很明顯的光斑分裂，大約有兩個(gè)分離的光斑出現(xiàn)。所有這些渡越輻射光斑，能夠反映出超熱電子束的某些特性。 在超熱電子產(chǎn)生和輸運(yùn)的研究中，觀測(cè)到超熱電子能量分布的各向異性。其中，靶前激光反射方向超熱電子能譜和靶前法線方向超熱電子能譜類似，呈單溫類Maxwell分布；而靶后激光傳播方向超熱電子能譜出現(xiàn)高能尾部；靶前法線方向超熱電子的產(chǎn)額

7、比靶后激光傳播方向和靶前激光反射方向要高得多。在靶后激光傳播方向超熱電子的注量和總能量與靶厚度關(guān)系的研究中，隨靶厚度的增加，超熱電子的注量和總能量急劇減小，當(dāng)靶厚度增加某一值時(shí)，超熱電子的注量和總能量減小的趨勢(shì)明顯減緩。說明超熱電子的注量和能量的沉積是有一定的范圍，在這個(gè)范圍之前，能量沉積最多。并且能量沉積范圍受激光脈寬的影響，隨激光脈寬的增加而增加與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合。 在超熱電子輸運(yùn)的不穩(wěn)定性研究中，觀測(cè)到超熱電子輸運(yùn)穿越固體靶在

8、背表面形成的渡越輻射時(shí)間積分圖案。圖案呈環(huán)狀，圓環(huán)形成區(qū)域隨靶厚度先增大后減小，在圓環(huán)邊緣，光輻射信號(hào)呈明亮局部化分布，表明，超熱電子在傳輸?shù)倪^程中存在成絲效應(yīng)而引起嚴(yán)重的不穩(wěn)定性，超熱電子流分布并不均勻。輻射光強(qiáng)隨靶厚度的增加而減小。 ii采用光學(xué)多道分析儀(OMA)和光學(xué)條紋相機(jī)(streakcamera)，研究了超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的超熱電子渡越輻射光譜和光輻射時(shí)間分辨成像。國內(nèi)首次觀測(cè)到，在固體靶背表面法線

9、方向的渡越輻射光譜和光輻射的時(shí)間分辨成像。光譜呈現(xiàn)出諧波結(jié)構(gòu)，是相干渡越輻射(CTR)，是由于超熱電子在不同的加熱機(jī)制中產(chǎn)生特有的微束團(tuán)，當(dāng)這些微束團(tuán)輸運(yùn)達(dá)到靶背表面時(shí)就形成相干渡越輻射，光譜因而就出現(xiàn)尖峰結(jié)構(gòu)。由于加熱機(jī)制不同，光譜就會(huì)出現(xiàn)不同形狀，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。光輻射的時(shí)間分辨成像進(jìn)一步證明，渡越輻射是信號(hào)強(qiáng)而快，持續(xù)時(shí)間短(皮秒量級(jí))，是最先到達(dá)屏幕上；其它光輻射是信號(hào)弱而慢，持續(xù)時(shí)間長(納秒量級(jí))，是最后到達(dá)屏幕上。