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超短超强激光—等离子体中高能粒子的实验研究

蔡达锋  
【摘要】: 本论文研究了超短超强(US-UI)激光与等离子体相互作用中高能粒子发射的角分布和能谱。国内我们首次在激光功率密度约~10~(18)Wcm~(-2)的条件下,研究了超短超强激光与等离子体相互作用产生的高能粒子发射,获得一些国内外未见报道的新的物理结果。这些结果不仅对于理解超短超强激光与等离子体相互作用的物理机制有益,而且对即将进行的惯性约束聚变(ICF)中“快点火”(Fast ignition)研究也是非常重要的基础工作之一。 论文首先对激光技术的发展以及由此产生的一门崭新的学科——超短超强激光与物质相互作用(或称为强场物理)的研究进展作了简要的介绍,其中包括“快点火”方案研究的内容及进展;阐述了激光等离子体相互作用相关的基本概念和基础理论;详细地叙述了超短超强激光在固体和过密等离子体中的吸收;比较全面地阐述了国外关于超短超强激光与物质相互作用中产生高能粒子的实验研究结果、计算机模拟结果以及提出的相关理论;介绍了中国工程物理研究院(CAEP)激光聚变研究中心的实验总体情况;最后,重点介绍我们对超短超强激光与等离子体相互作用中产生的超热电子的角分布、超热电子的能量分布以及高能质子发射的实验研究结果。 本论文进行了三个方面的研究:第一,超热电子角分布的研究,包括不同激光入射角下超热电子的角分布;激光不同偏振态下超热电子的角分布;激光预脉冲对超热电子角分布的影响;不同能段的超热电子的角分布。第二,超热电子能量分布的研究,包括不同方位超热电子的能量分布,金属与非金属靶材的超热电子的能量分布,金属原子序数Z对超热电子能量分布的影响以及不同能段超热电子的能量分布。第三,研究了超短超强激光与固体靶相互作用所产 四川大学博士学位论文 生的高能质子发射和能谱。 在超短超强激光等离子体相互作用的研究中,首次采用137cs邓标准源对 LIF热释光探测器(TLDs)进行了绝对标定。并以此作为电子角分布仪和电子 谱仪的探测元件,研究了超短超强激光与等离子体相互作用中超热电子发射的 角分布和能量分布。采用这样标定的L正TLDs作为电子谱仪的探测元件,所 测量的超热电子产额与国外同类实验测量的超热电子产额较好地一致。 在超热电子发射的角分布实验研究中,发现由几种加速机制所支配的超热 电子的三峰发射和双峰发射。这些超热电子发射峰分别沿着激光反射方向、靶 法线方向和激光背反射方向。其中,靶法线方向的超热电子发射峰与共振吸收 (res~e abso甲tion)机制所预言的一致;根据理论估算提出激光反射方向的 超热电子发射峰是几种加速机制共同作用的结果;我们首次提出背反射激光加 速超热电子的新机制,并用此机制解释了激光背反射方向产生的超热电子发射 峰。这个研究结果对于理解超短超强激光一等离子体相互作用中超热电子发射的 物理机制具有重要的意义。 在超热电子发射的能谱实验研究中,观测到超热电子能量分布的各向异性 性。其中,靶法线方向超热电子的能谱呈类Max认!e 11分布,拟合的超热电子有 效温度约200kev左右,超热电子的最大能量约ZMev,加速电子的主导机制是 共振吸收机制;反射方向超热电子的能谱在低能段出现一个局部的平台 (Pla1Leau),呈现出非类Maxwen分布,这是几种加热机制共同作用的结果,其 中占主导地位的是反射激光加速机制。在靶法线方向超热电子的温度和产额均 大于激光反射方向的超热电子温度和产额,证明共振吸收机制对超热电子的加 热更有效。 采用自制的汤姆逊离子谱仪和CR-39固体径迹探测器,研究了超短超强激 光与等离子体相互作用产生的高能质子发射。国内首次观测到在靶背面法线方 ,向高能质子发射呈环状和星状结构。高能质子发射是由靶法线鞘加速(INSA) 机制产生的。并提出由于超热电子在过密等离子体或冷材料中的输运产生环形 电流,从而在靶背面形成环形电场,解释了高能质子的环状发射结构;而高能 质子发射呈星状结构是由于超热电子输运不稳定性(Weibel iristaLbility),即超热 电子成丝(fil田力enta眨on)及合并(mer邵ng)导致质子呈星状发射。高能质子 能谱测量给出高能质子最大能量约ZookeV。


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