強場物理中超熱電子的產(chǎn)生及渡越輻射的實驗研究.pdf

1、本論文研究了超短超強(US-UI)激光與等離子體相互作用中超熱電子的產(chǎn)生、輸運和渡越輻射。國內(nèi)我們首次在100TW相對論激光功率密度的條件下，研究了超短超強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)外未見報道的新的物理結(jié)果。這些結(jié)果不僅對于理解超短超強激光與等離子體相互作用的物理機制有益，而且對慣性約束聚變(ICF)中“快點火”(Fastignition)方案的物理設計也是非常重要的基礎(chǔ)工作之一。 激光慣

2、性約束聚變(ICF)的快點火方式自1994年提出以來，因為減小點火能量的要求和放寬了對驅(qū)動壓縮對稱性迅速成為ICF研究的熱點之一。但是由于開展時間短，快點火機制中的許多物理過程還需要仔細研究，其中超熱電子在稠密等離子體中的輸運問題就是一個復雜，但對快點火機制是至關(guān)重要的物理問題。 論文首先對激光技術(shù)的發(fā)展以及由此產(chǎn)生的一門嶄新的學科—超短超強激光與物質(zhì)相互作用(或稱為強場物理)的研究進展作了簡要介紹，其中包括超熱電子的產(chǎn)生和輸運

3、研究進展、快點火研究進展及渡越輻射的研究進展；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；比較全面地敘述了渡越輻射的原理和輻射概念以及超短超強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驗總體情況；最后，重點介紹我們對超短超強激光與等離子體相互作用中超熱電子的產(chǎn)生、輸運及渡越輻射的實驗研究結(jié)果。 本論文進行了四個方面的研究：第一，利用渡越輻射對超熱電子

4、束特性進行診斷的實驗研究，包括渡越輻射實驗結(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驗結(jié)果的比較。第二，超熱電子的產(chǎn)生和輸運研究，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；激光脈寬對超熱電子能量沉積范圍的影響。第三，超熱電子輸運的不穩(wěn)定性研究，包括不同厚度靶背表面光學渡越輻射的時間積分成像光斑的空間分布，輻射光強隨靶厚度的變化關(guān)系。第四，研

5、究了超短超強激光與固體靶相互作用所產(chǎn)生的渡越輻射光譜和時間分辨成像。 在利用渡越輻射對超熱電子束特性進行診斷的實驗研究中，在厚度為20μm的Ta靶背表面觀測到，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；在復合靶10μmTa+10μm

6、Cu+5μmTa背表面觀測到，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)生和輸運的研究中，觀測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，當靶厚度增加某一值時，超熱電子的注量和總能量減小的趨勢明顯減緩。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驗結(jié)果符合。 在超熱電子輸運的不穩(wěn)定性研究中，觀測到超熱電子輸運穿越固體靶在

8、背表面形成的渡越輻射時間積分圖案。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^程中存在成絲效應而引起嚴重的不穩(wěn)定性，超熱電子流分布并不均勻。輻射光強隨靶厚度的增加而減小。 ii采用光學多道分析儀(OMA)和光學條紋相機(streakcamera)，研究了超短超強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間分辨成像。國內(nèi)首次觀測到，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制中產(chǎn)生特有的微束團，當這些微束團輸運達到靶背表面時就形成相干渡越輻射，光譜因而就出現(xiàn)尖峰結(jié)構(gòu)。由于加熱機制不同，光譜就會出現(xiàn)不同形狀，與實驗結(jié)果一致。光輻射的時間分辨成像進一步證明，渡越輻射是信號強而快，持續(xù)時間短(皮秒量級)，是最先到達屏幕上；其它光輻射是信號弱而慢，持續(xù)時間長(納秒量級)，是最后到達屏幕上。