超热电子输运及相关现象研究

【摘要】：激光惯性约束聚变(ICF)的快点火方式自1993年提出以来，因为其放宽了对驱动压缩对称性和点火能量的要求迅速成为ICF研究的热点之一。但是由于开展时间短，快点火机制中的许多物理还需要仔细研究，其中超热电子在稠密等离子体中的输运问题就是一个复杂，然而对快点火机制至关重要的物理问题。 在快点火机制中，当燃料的预压缩完成后，需要从外围注入一束超短超强激光并在临界面处产生大量定向性很好的超热电子，超热电子继续向高密度区传输并在高密度区一个很小尺度的范围(20微米左右)沉积能量形成点火热斑。超热电子大约需要传输几十微米的距离，而且传输区域的等离子体密度是临界面密度的2～3个量级，甚至更高。利用超短超强激光与固体靶相互作用产生超热电子并研究超热电子在固体靶中的输运过程和相关现象是了解超热电子在稠密等离子体中输运的有效方法。论文首先分析传统ICF中心点火方式的过程和遇到的困难，以及快点火机制涉及的物理问题，提出了论文研究具体内容。介绍了相关内容的国内外进展和基本理论。 论文介绍了实验采用的激光装置和为实验建立的真空靶室系统。为提高100TW激光装置的利用率和适应不同功率的打靶实验用途，设计建立了3个不同的靶室和聚焦瞄准系统。介绍了为实验建立的CCD针孔相机、电子磁谱仪、质子磁谱仪等实验诊断装置的工作原理和工作参数。 为了解飞秒超短超强激光与固体靶相互作用产生超热电子的机制，论文首先开展了超热电子的角分布和能谱实验研究。通过激光偏振方向和等离子体密度标长的改变，发现飞秒超短超强激光与固体薄膜靶相互作用时产生的超热电子的角分布有很大不同。对P偏振激光靶前发射的超热电子主要位于激光镜面反射方向和与靶面法线成15°的方向。前者的产生机制为反射激光产生的等离子体波加速，后者为共振吸收产生，但由于沿靶面方向的动量分量偏离了法线方向一个小角度。当采用SP混合偏振激光时，发现由于S偏振分量的引入产生了激光背反射方向的超热电子发射，这部分超热电子的产生是由于S偏振分量引起了临界面密度的调制增强了背反射激光并激发等离子体波而加速电子。实验还研究了不同Z值金属靶的法线方向出射的超热电子温度和相对产额，结果发现超热电子的温度 超热电子输运及相关现象研究 和相对产额对材料的依赖不是很明显，但对高Z材料还是有可观测的增加。 研究了飞秒激光和皮秒激光与20微米厚的铜薄膜靶作用在靶背后发射的高 能质子，实验发现无论入射激光采用什么角度，靶背发射的质子总是垂直于靶后 表面。质子束有很好的定向性，最大发散角小于35。。质子的产生是由于产生于 靶的前表面的超热电子输运到靶的背表面形成鞘分离电场加速的结果，即所谓的 质子的背表面加速机制。在相同功率密度情况下，皮秒激光的质子产额和能量明 显高于的飞秒激光。这一方面是由于相同功率密度下皮秒激光有更高的能量在相 同转换效率的情况下超热电子的产额会明显增高，另一方面由于皮秒激光脉冲的 脉冲空间长度远远大于靶厚度，超热电子会往复穿越靶的后表面从而增强质子发 射。革巴背质子的发射反映了超热电子输运到靶背表面后超热电子的温度和密度及 空间分布。 通过对靶后发射的质子束的空间分布的测量，发现了质子束的中空结构和成 丝结构。这种结构的产生与超热电子的输运密切相关。超热电子向靶背输运时， 在靶电导率均匀的情况下会首先沿到靶的后表面的最短距离传输，因为沿这个方 向有最大的电压降。但很快沿这个方向的等离子体被加热，电导率下降，这时超 热电子会在径向电场和热压的驱动下选择截距轴周围的高电导环形通道传输，如 果这时超热电子到达靶的后表面就会形成环形的鞘电场分布产生环形的质子束 分布。环状传输的超热电子束在环形磁场的箍缩和内部径向电场、热压的共同作 用下会破裂成丝，这种细丝电流周围都有环形磁场，在磁场的作用下，细丝电流 会汇合成较大的丝。靶后渡越辐射的观测结果证实了质子分布与超热电子束分布 的内在联系。 首次研究了不同电导率的CD靶和TID靶与皮秒激光作用的中子发射产额。 中子实验表明，D离子可以在前表面背加速并通过D(d，n)3He反应产生中子。对 于低电导率的CD靶，在相同功率密度下比高电导率的TID靶高1.7倍。加速离 子的机制为分离电场机制，这个加速场的维持时间和强度反比于电导率。因此低 电导率靶有利于超热电子形成分离电场并沉积更多能量给离子。 探索了利用激光自身的二次谐波的边频诊断磁场的新方法。这种边频的产生 是由于产生谐波的振荡电子在强磁场中回旋漂移造成，因此可以根据边频的间隔 超热电子输运及相关现象研究 回推磁场。实验采用空间分辨的光谱测量方法获得了一维空间分布的磁场结构， 这种结构显示磁场可能为环形结构。测量的磁场的最大值为2一3MGS。激光的二 次谐波主要产生于临界面附近，因此测量结果可以认为是反映了临界面附近的磁 场值和空间分布，目前未见同类报道。