超短超強(qiáng)激光與氣體團(tuán)簇相互作用實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、最近幾年來(lái)，超短脈沖激光與團(tuán)簇相互作用的理論和實(shí)驗(yàn)研究一直是一個(gè)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(wú)殘骸等特點(diǎn)，激光與其相互作用能產(chǎn)生高能離子(MeV量級(jí))，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(duì)激光核聚變和X射線激光研究等有重大意義。 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(chǎng)物理)的研究進(jìn)展作了簡(jiǎn)單介紹，重點(diǎn)介紹了國(guó)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(shí)驗(yàn)的進(jìn)展；簡(jiǎn)單介紹了團(tuán)簇的定義、特點(diǎn)等基本知識(shí)，并用數(shù)值方法對(duì)團(tuán)簇源的特性進(jìn)行了模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)室的團(tuán)簇源制備系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)的建立過(guò)程，分析和討論了團(tuán)簇特性診斷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果；最后介紹了本實(shí)驗(yàn)室超強(qiáng)超短激光與低溫氘團(tuán)簇相互作用實(shí)驗(yàn)的建立過(guò)程和實(shí)驗(yàn)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(gè)部分：氣體團(tuán)簇形成過(guò)程的模擬計(jì)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(shí)驗(yàn)。 首先采用Clapeyron微分方程和汽液平衡方程，計(jì)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(jì)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(gè)物理量沿軸向呈數(shù)量級(jí)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(duì)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(kāi)始形成的位置。這個(gè)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(jì)算為團(tuán)簇制備系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步和空間同步。(1)采用瑞利散射法測(cè)量了氬、氪、氘團(tuán)簇的相對(duì)尺寸，討論了影響團(tuán)簇生長(zhǎng)的各種因素，優(yōu)化了大尺寸團(tuán)簇生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)條件。具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：測(cè)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(shí)間，比較不同溫度下氘團(tuán)簇尺寸隨背景壓強(qiáng)、相對(duì)延遲時(shí)間的變化；發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果與Hagen

8、a的半經(jīng)驗(yàn)公,式吻合得較好。(2)采用M-Z干涉儀測(cè)量離噴嘴出口0mm、1mm、2mm處氬、氪、氘的氣體密度，并且測(cè)量氣體密度隨背壓、初始溫度、噴嘴幾何尺寸的變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果基本符合。(3)結(jié)合瑞利散射實(shí)驗(yàn)和M-Z干涉儀實(shí)驗(yàn)，改變?cè)\斷光與閥門的相對(duì)延遲時(shí)間，分別測(cè)量氬、氪、氘團(tuán)簇尺寸和氬、氪、氘氣體密度隨相對(duì)延遲時(shí)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(shuō)明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。認(rèn)為此時(shí)間演化曲線并不是描

9、述單個(gè)團(tuán)簇的生長(zhǎng)過(guò)程，而是整個(gè)團(tuán)簇源的形成過(guò)程。并且此時(shí)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(shí)間和最佳位置，為激光與團(tuán)簇相互作用實(shí)驗(yàn)提供了重要的參考。 在中國(guó)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(shí)驗(yàn)。這是國(guó)內(nèi)首次實(shí)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(cè)到了1keV到100keV能量的氘離子，平均能量