超短超強(qiáng)激光與氣體團(tuán)簇相互作用實驗研究.pdf

1、最近幾年來，超短脈沖激光與團(tuán)簇相互作用的理論和實驗研究一直是一個非?；钴S的領(lǐng)域。團(tuán)簇靶具有體密度大，激光吸收率高(>80％)，無殘骸等特點，激光與其相互作用能產(chǎn)生高能離子(MeV量級)，中子以及非常強(qiáng)的X射線輻射。因此，研究這種相互作用對激光核聚變和X射線激光研究等有重大意義。 論文首先對激光技術(shù)的發(fā)展以及由此產(chǎn)生的一門嶄新學(xué)科一超強(qiáng)超短激光與物質(zhì)相互作用(或稱為強(qiáng)場物理)的研究進(jìn)展作了簡單介紹，重點介紹了國內(nèi)外團(tuán)簇源的制備、診

2、斷和激光與團(tuán)簇相互作用實驗的進(jìn)展；簡單介紹了團(tuán)簇的定義、特點等基本知識，并用數(shù)值方法對團(tuán)簇源的特性進(jìn)行了模擬計算；全面地闡述和比較了團(tuán)簇尺寸、密度的各種診斷方法；敘述了超短超強(qiáng)激光與氣體團(tuán)簇相互作用的基本基礎(chǔ)理論；詳細(xì)地介紹了本實驗室的團(tuán)簇源制備系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)的建立過程，分析和討論了團(tuán)簇特性診斷實驗的結(jié)果；最后介紹了本實驗室超強(qiáng)超短激光與低溫氘團(tuán)簇相互作用實驗的建立過程和實驗結(jié)果。 本文較為系統(tǒng)地研究了超短脈沖激光與氣體團(tuán)簇的相

3、互作用，主要工作包括四個部分：氣體團(tuán)簇形成過程的模擬計算，團(tuán)簇制備系統(tǒng)的建立，團(tuán)簇源的特性診斷和超短超強(qiáng)激光與低溫氘團(tuán)簇相互作用實驗。 首先采用Clapeyron微分方程和汽液平衡方程，計算得到20K～38K區(qū)域內(nèi)不同溫度下溫度的氘氣汽化熱和熵變，并且繪制出了氘的溫熵 (T—S) 圖。其次，從流體力學(xué)角度出發(fā)，計算得到氣體密度、壓強(qiáng)、溫度均沿噴嘴軸向的空間分布，發(fā)現(xiàn)這三個物理量沿軸向呈數(shù)量級降低。分析氣體背景壓強(qiáng)、初始溫度、噴嘴

4、幾何尺寸等因素對氣體密度的影響，得到以下結(jié)果：氣體密度正比于背景壓強(qiáng)，反比于初始溫度；大直徑、小角度的噴嘴易產(chǎn)生高密度氣體流；相同條件下雙原子分子氣體(例如氘氣)密度大約是單原子分子氣體(氬氣、氪氣)的1.2倍。最后結(jié)合汽液平衡方程和氣體密度、壓強(qiáng)、溫度的軸向分布，確定了團(tuán)簇開始形成的位置。這個位置與氣體初始狀態(tài)(背景壓強(qiáng)、初始溫度)、噴嘴幾何形狀有關(guān)。這些模擬計算為團(tuán)簇制備系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的參考。 建立了常溫團(tuán)簇和低溫團(tuán)簇

5、的制備系統(tǒng)：分別可以在常溫高壓(70atm)，低溫(-170℃)高壓(65atm)的狀態(tài)下穩(wěn)定工作。常溫團(tuán)簇制備系統(tǒng)采用超聲速噴射法在背景壓強(qiáng)65arm、初始溫度300K條件下制備出大尺寸高密度的氬團(tuán)簇和氪團(tuán)簇，其尺寸和密度分別為1200原子/團(tuán)簇、2500原子/團(tuán)簇，3.0×10<'19>/cm<'3>、2.8×10<'19>/cm<'3>。低溫團(tuán)簇制備系統(tǒng)采用超聲速噴射法在背景壓強(qiáng)48atm、初始溫度100K條件下制備出大尺寸(23

6、60原子/團(tuán)簇)、高密度(3.5×10<'19>個氣體原子/cm<'3>)的氘團(tuán)簇源。上述團(tuán)簇源的成功建立為激光與團(tuán)簇相互作用實驗奠定了基礎(chǔ)。 搭建了瑞利散射團(tuán)簇尺寸診斷系統(tǒng)和M-Z干涉儀氣體密度診斷系統(tǒng)，并與團(tuán)簇制備系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了時間同步和空間同步。(1)采用瑞利散射法測量了氬、氪、氘團(tuán)簇的相對尺寸，討論了影響團(tuán)簇生長的各種因素，優(yōu)化了大尺寸團(tuán)簇生長的實驗條件。具體的實驗結(jié)果如下：測量不同背景壓強(qiáng)下氘團(tuán)簇的尺寸，擬合得到這兩

7、者的關(guān)系為N<,c>∝P<,0><'2.89>;改變液氮冷凍時間，比較不同溫度下氘團(tuán)簇尺寸隨背景壓強(qiáng)、相對延遲時間的變化；發(fā)現(xiàn)溫度對團(tuán)簇尺寸影響非常大，甚至決定了低溫團(tuán)簇是否形成；比較兩種不同尺寸的錐形噴嘴(喉口直徑和錐角分別為0.6mm、6<'0>；0.3mm、10<'0>)制備的團(tuán)簇尺寸，發(fā)現(xiàn)大喉口直徑、小錐角噴嘴易形成大尺寸團(tuán)簇；比較相同實驗條件下氬團(tuán)簇、氪團(tuán)簇的尺寸，得到氪團(tuán)簇尺寸是氬團(tuán)簇尺寸的3～4倍。這些實驗結(jié)果與Hagen

8、a的半經(jīng)驗公,式吻合得較好。(2)采用M-Z干涉儀測量離噴嘴出口0mm、1mm、2mm處氬、氪、氘的氣體密度，并且測量氣體密度隨背壓、初始溫度、噴嘴幾何尺寸的變化情況，實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本符合。(3)結(jié)合瑞利散射實驗和M-Z干涉儀實驗，改變診斷光與閥門的相對延遲時間，分別測量氬、氪、氘團(tuán)簇尺寸和氬、氪、氘氣體密度隨相對延遲時間的變化情況，發(fā)現(xiàn)尺寸和密度均在3ms～25ms區(qū)間達(dá)到最大值，說明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。認(rèn)為此時間演化曲線并不是描

9、述單個團(tuán)簇的生長過程，而是整個團(tuán)簇源的形成過程。并且此時間演化曲線主要決定于閥門的機(jī)械特性。團(tuán)簇源的特性診斷確定了激光與團(tuán)簇相互作用的最佳時間和最佳位置，為激光與團(tuán)簇相互作用實驗提供了重要的參考。 在中國工程物理研究院激光聚變研究中心20TW裝置上進(jìn)行了超強(qiáng)超短激光與低溫氘團(tuán)簇的相互作用實驗。這是國內(nèi)首次實現(xiàn)飛秒激光與氘團(tuán)簇(背景壓強(qiáng)38atm，初始溫度100K)的相互作用，并觀測到了1keV到100keV能量的氘離子，平均能量