基于Kα射線超短超強(qiáng)激光超熱電子轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、激光慣性約束聚變(ICF)的快點(diǎn)火方式自1994年提出以來(lái)，因?yàn)槠浞艑捔藢?duì)驅(qū)動(dòng)壓縮對(duì)稱性和點(diǎn)火能量的要求迅速成為ICF研究的熱點(diǎn)之一。但是由于開(kāi)展時(shí)間短，快點(diǎn)火機(jī)制中的許多物理還需要仔細(xì)研究，其中超熱電子的產(chǎn)生及其在稠密等離子體中的輸運(yùn)問(wèn)題就是一個(gè)復(fù)雜，然而對(duì)快點(diǎn)火機(jī)制至關(guān)重要的物理問(wèn)題。
　　在快點(diǎn)火機(jī)制中，當(dāng)燃料的預(yù)壓縮完成后，需要從外圍注入一束超短超強(qiáng)激光并在臨界面（相對(duì)論修正）附近產(chǎn)生大量定向性很好的超熱電子，超熱電子繼續(xù)

2、向高密度區(qū)傳輸并在高密度區(qū)一個(gè)很小尺度的范圍（20～40微米左右）沉積能量形成點(diǎn)火熱斑。利用超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生超熱電子并研究超熱電子與靶相互作用產(chǎn)生特征X射線是了解向前傳輸超熱電子的溫度、轉(zhuǎn)換效率等信息的有效方法。論文首先分析傳統(tǒng)ICF中心點(diǎn)火方式的過(guò)程和遇到的困難，以及快點(diǎn)火機(jī)制涉及的物理問(wèn)題，提出了論文研究的具體內(nèi)容。同時(shí)論文介紹了相關(guān)內(nèi)容的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展和基本理論，介紹了實(shí)驗(yàn)采用的激光裝置和靶室系統(tǒng)以及為實(shí)驗(yàn)建立的CCD

3、針孔相機(jī)、電子磁譜儀、單光子計(jì)數(shù)CCD等實(shí)驗(yàn)診斷系統(tǒng)。
　　本文開(kāi)展了五個(gè)方面的研究:一、開(kāi)展了相對(duì)論強(qiáng)度激光固體靶相互作用超熱電子能譜測(cè)量;二、對(duì)單光子計(jì)數(shù)型CCD進(jìn)行了精確標(biāo)定;三、研究了超短超強(qiáng)激光脈沖與銅靶相互作用Kα射線隨激光強(qiáng)度的變化關(guān)系;四、研究了激光輻照多層靶前向超熱電子轉(zhuǎn)換效率;五、計(jì)算了Al，Ti，Cu，Mo原子的K殼層的電子離子碰撞截面。
　　在100TW超短超強(qiáng)鈦寶石激光裝置上開(kāi)展了相對(duì)論強(qiáng)度激光-固

4、體靶相互作用中超熱電子能譜測(cè)量，獲得了靶前法線和靶后激光傳輸方向超熱電子能譜，在靶前法線方向，能譜呈單溫類麥克斯韋分布，占主導(dǎo)地位的加速機(jī)制是共振吸收;靶后激光傳輸方向，能譜呈類麥克斯韋分布，存在加熱機(jī)制是有質(zhì)動(dòng)力加熱。
　　單光子計(jì)數(shù)型CCD是Kα特征線測(cè)量的重要儀器，在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)該型CCD進(jìn)行了精確標(biāo)定，獲得了該型CCD的能量特性、不同能點(diǎn)的探測(cè)效率。結(jié)果表明:該型CCD產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)所需的光子能量約為6.453 eV

5、;在該型CCD的有效能區(qū)內(nèi)，不同能量的入射光子，其探測(cè)效率不同，在5.3 keV處獲得最高探測(cè)效率66％。
　　超短超強(qiáng)激光與等離子體相互作用過(guò)程中，在臨界密度面附近產(chǎn)生能量很高的超熱電子，當(dāng)其能量超過(guò)靶后冷物質(zhì)K殼層的電離能時(shí)，就會(huì)激發(fā)冷物質(zhì)的Kα特征線。從Kα特征線輻射可以間接診斷超熱電子在稠密等離子體內(nèi)的產(chǎn)生和輸運(yùn)等信息。超熱電子在稠密等離子體中的行為在快點(diǎn)火物理研究中是一個(gè)重要的課題，它的產(chǎn)額、溫度及其在固體靶中的輸運(yùn)都是

6、重點(diǎn)研究對(duì)象。另外，向外發(fā)射的Kα線，可以形成獨(dú)特的Kα線背光源，這種光源具有空間尺度?。ㄎ⒚琢考?jí)）、時(shí)間尺度短（皮秒量級(jí)）等特點(diǎn)，因而背光源的研究具有極其廣闊的應(yīng)用前景;同時(shí)對(duì)Kα線的研究可以推導(dǎo)激光—超熱電子能量轉(zhuǎn)換效率。
　　利用SILEX-I超短超強(qiáng)激光裝置，研究了800nm超短超強(qiáng)激光脈沖在33fs脈寬，300mJ～4J能量（強(qiáng)度2×1018～1.96×1019W/cm2）條件下與10μm，30μm銅平面薄膜靶相互作用K

7、α光子產(chǎn)額和激光Kα光子轉(zhuǎn)化效率隨激光強(qiáng)度的變化關(guān)系。
　　激光脈沖與10μm Cu薄膜靶相互作用時(shí)，Kα射線產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度的增加而增加，在1.51×1019W/cm2(3.1J)時(shí)開(kāi)始趨于飽和;對(duì)于30μm Cu薄膜靶，Kα射線產(chǎn)額隨激光強(qiáng)度的增加而增加，當(dāng)激光強(qiáng)度為8.9×1018W/cm2時(shí)最大2.2×1010，隨后開(kāi)始下降。
　　激光脈沖與10μm、30μmCu薄膜靶相互作用時(shí)，Kα光子轉(zhuǎn)換效率隨激光強(qiáng)度增加而增加并

8、出現(xiàn)峰值，隨后開(kāi)始下降。10μm的Cu靶在6.5×1018W/cm2(970mJ)時(shí)達(dá)到最大值1.2×10-5，30μm的Cu靶在激光強(qiáng)度為3.2×1018W/cm2時(shí)，Kα光子轉(zhuǎn)化效率達(dá)到最大為1.98×10-5，接著隨強(qiáng)度增加而下降。
　　在激光強(qiáng)度3.3×1018W cm2條件下，比較了3μm、10μm、10μmNPCu、30μm Cu、100μmCu薄膜靶的Kα光子產(chǎn)額和激光Kα光子轉(zhuǎn)換效率，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)厚度為30μm的銅靶產(chǎn)

9、生的Kα光子產(chǎn)額和激光Kα光子轉(zhuǎn)換效率為最高，Kα產(chǎn)額達(dá)到9.61×109，轉(zhuǎn)換效率為1.97×10-5。對(duì)于同厚度的納米銅靶其Kα光子產(chǎn)額和激光Kα光子轉(zhuǎn)換效率比普通的銅靶高，Kα產(chǎn)額達(dá)到15.01×109;轉(zhuǎn)換效率為3.68×10-5，比普通的同尺寸的銅靶高約3.3倍。
　　利用已標(biāo)定的單光子計(jì)數(shù)型CCD建立了Kα特征線譜儀，實(shí)驗(yàn)研究了激光輻照多層靶中超熱電子激發(fā)的Kα特征線。影響Kα產(chǎn)額的因素有入射激光強(qiáng)度、示蹤層厚度、靶材

10、料等，實(shí)驗(yàn)測(cè)量了Kα產(chǎn)額與激光強(qiáng)度的變化關(guān)系，隨著入射激光強(qiáng)度的升高，Kα產(chǎn)額隨著提高;激光強(qiáng)度相近條件下，隨著示蹤層厚度的增加，光子產(chǎn)額降低;高Z材料靶的光子產(chǎn)額要高于低Z靶。
　　通過(guò)與中科院物理所合作，利用蒙特卡羅電子光子輸運(yùn)程序(ITS3.0)，研究了超熱電子產(chǎn)生的光子份額，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)不同材料，不同厚度的示蹤層激光與復(fù)合靶的相互作用激光—超熱電子轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行了計(jì)算，從所得到的轉(zhuǎn)換效率我們可以看出，在相對(duì)低功率密度區(qū)域

11、（5.5×1017Wcm-2～1.5×1018Wc-2）時(shí)，激光強(qiáng)度小于相對(duì)論強(qiáng)度（α＜1），電子抖動(dòng)振幅asc約0.768λ～0.11λ，預(yù)等離子密度標(biāo)長(zhǎng)（λ～2λ）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電子抖動(dòng)振幅，共振吸收為主要吸收機(jī)制，前向超熱電子能量較低，數(shù)量較少，并且隨著激光強(qiáng)度的增加而增加，轉(zhuǎn)換效率為(5～10)％。
　　當(dāng)激光強(qiáng)度繼續(xù)增強(qiáng)（4.0×1018Wcm2～1.2×1019Wcm-2）時(shí)，激光強(qiáng)度超過(guò)了相對(duì)論強(qiáng)度(a＞1)，有質(zhì)動(dòng)力J×