基于Kα射線超短超強激光超熱電子轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、激光慣性約束聚變(ICF)的快點火方式自1994年提出以來，因為其放寬了對驅(qū)動壓縮對稱性和點火能量的要求迅速成為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還需要仔細研究，其中超熱電子的產(chǎn)生及其在稠密等離子體中的輸運問題就是一個復雜，然而對快點火機制至關(guān)重要的物理問題。
　　在快點火機制中，當燃料的預壓縮完成后，需要從外圍注入一束超短超強激光并在臨界面（相對論修正）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)一個很小尺度的范圍（20～40微米左右）沉積能量形成點火熱斑。利用超短超強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中心點火方式的過程和遇到的困難，以及快點火機制涉及的物理問題，提出了論文研究的具體內(nèi)容。同時論文介紹了相關(guān)內(nèi)容的國內(nèi)外進展和基本理論，介紹了實驗采用的激光裝置和靶室系統(tǒng)以及為實驗建立的CCD

3、針孔相機、電子磁譜儀、單光子計數(shù)CCD等實驗診斷系統(tǒng)。
　　本文開展了五個方面的研究:一、開展了相對論強度激光固體靶相互作用超熱電子能譜測量;二、對單光子計數(shù)型CCD進行了精確標定;三、研究了超短超強激光脈沖與銅靶相互作用Kα射線隨激光強度的變化關(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超短超強鈦寶石激光裝置上開展了相對論強度激光-固

4、體靶相互作用中超熱電子能譜測量，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，占主導地位的加速機制是共振吸收;靶后激光傳輸方向，能譜呈類麥克斯韋分布，存在加熱機制是有質(zhì)動力加熱。
　　單光子計數(shù)型CCD是Kα特征線測量的重要儀器，在中國計量科學研究院對該型CCD進行了精確標定，獲得了該型CCD的能量特性、不同能點的探測效率。結(jié)果表明:該型CCD產(chǎn)生一個計數(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，其探測效率不同，在5.3 keV處獲得最高探測效率66％。
　　超短超強激光與等離子體相互作用過程中，在臨界密度面附近產(chǎn)生能量很高的超熱電子，當其能量超過靶后冷物質(zhì)K殼層的電離能時，就會激發(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)生和輸運等信息。超熱電子在稠密等離子體中的行為在快點火物理研究中是一個重要的課題，它的產(chǎn)額、溫度及其在固體靶中的輸運都是

6、重點研究對象。另外，向外發(fā)射的Kα線，可以形成獨特的Kα線背光源，這種光源具有空間尺度小（微米量級）、時間尺度短（皮秒量級）等特點，因而背光源的研究具有極其廣闊的應用前景;同時對Kα線的研究可以推導激光—超熱電子能量轉(zhuǎn)換效率。
　　利用SILEX-I超短超強激光裝置，研究了800nm超短超強激光脈沖在33fs脈寬，300mJ～4J能量（強度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)化效率隨激光強度的變化關(guān)系。
　　激光脈沖與10μm Cu薄膜靶相互作用時，Kα射線產(chǎn)額隨激光強度的增加而增加，在1.51×1019W/cm2(3.1J)時開始趨于飽和;對于30μm Cu薄膜靶，Kα射線產(chǎn)額隨激光強度的增加而增加，當激光強度為8.9×1018W/cm2時最大2.2×1010，隨后開始下降。
　　激光脈沖與10μm、30μmCu薄膜靶相互作用時，Kα光子轉(zhuǎn)換效率隨激光強度增加而增加并

8、出現(xiàn)峰值，隨后開始下降。10μm的Cu靶在6.5×1018W/cm2(970mJ)時達到最大值1.2×10-5，30μm的Cu靶在激光強度為3.2×1018W/cm2時，Kα光子轉(zhuǎn)化效率達到最大為1.98×10-5，接著隨強度增加而下降。
　　在激光強度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，實驗發(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)額達到9.61×109，轉(zhuǎn)換效率為1.97×10-5。對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。
　　利用已標定的單光子計數(shù)型CCD建立了Kα特征線譜儀，實驗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度、示蹤層厚度、靶材

10、料等，實驗測量了Kα產(chǎn)額與激光強度的變化關(guān)系，隨著入射激光強度的升高，Kα產(chǎn)額隨著提高;激光強度相近條件下，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。
　　通過與中科院物理所合作，利用蒙特卡羅電子光子輸運程序(ITS3.0)，研究了超熱電子產(chǎn)生的光子份額，結(jié)合實驗結(jié)果，對不同材料，不同厚度的示蹤層激光與復合靶的相互作用激光—超熱電子轉(zhuǎn)換效率進行了計算，從所得到的轉(zhuǎn)換效率我們可以看出，在相對低功率密度區(qū)域

11、（5.5×1017Wcm-2～1.5×1018Wc-2）時，激光強度小于相對論強度（α＜1），電子抖動振幅asc約0.768λ～0.11λ，預等離子密度標長（λ～2λ）遠遠大于電子抖動振幅，共振吸收為主要吸收機制，前向超熱電子能量較低，數(shù)量較少，并且隨著激光強度的增加而增加，轉(zhuǎn)換效率為(5～10)％。
　　當激光強度繼續(xù)增強（4.0×1018Wcm2～1.2×1019Wcm-2）時，激光強度超過了相對論強度(a＞1)，有質(zhì)動力J×