激光與近相對論臨界密度薄層相互作用產(chǎn)生大電量高能電子束?

王劍 蔡達(dá)鋒 趙宗清 谷渝秋

1)(內(nèi)江師范學(xué)院物理學(xué)與電子信息工程學(xué)院,內(nèi)江 641110)

2)(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

1 引 言

超高強(qiáng)激光產(chǎn)生X射線源研究是目前強(qiáng)場研究領(lǐng)域熱點問題之一.目前主要有兩種技術(shù)途徑:一種是利用激光直接與高Z固體靶作用[1,2].但是高Z固體靶對激光有很高的反射率,會損失很大一部分激光能量,影響了更大電量超熱電子束的產(chǎn)生.為此研究人員提出了各種不同靶型,如天鵝絨靶[3]、多孔靶[4]、亞波長光柵靶[5],團(tuán)簇靶[6]、納米刷靶等[7]多種靶構(gòu)型,用以提高激光到超熱電子的轉(zhuǎn)換效率,引導(dǎo)和準(zhǔn)直超熱電子.但即使如納米刷靶能夠?qū)⒓す獾奈仗岣叩郊す饪偰芰康?0%,為普通平面靶的2倍,電子束的截止能量以及平均溫度也不是很高.根據(jù)Hu等[5]報道的結(jié)果,電子束截止能量只能達(dá)到幾個MeV,平均溫度也僅1.3 MeV.此外,由Hanies第[8]給出的定標(biāo)率,激光與有限密度梯度等離子體相互作用時,即使功率密度達(dá)到1021W/cm2,高能電子束的平均溫度仍然不超過5 MeV,仍然低于Wilks定標(biāo)率的估計[9].另一種是利用超高強(qiáng)激光與氣體靶作用產(chǎn)生激光尾波場電子,激光尾波場再通過與高Z轉(zhuǎn)換靶相互作用或者Betatron類同步輻射的方式產(chǎn)生X射線[10?12].2004年以來,激光尾波場電子加速器技術(shù)研究取得了重大進(jìn)展,各研究小組相繼報道了通過激光尾場電子加速獲得數(shù)十MeV乃至GeV量級的準(zhǔn)單能電子束的結(jié)果[13?16].然而,由于等離子體空泡中難以注入大量的電子,通過空泡機(jī)制產(chǎn)生的高能電子束所包含的電子束總電量難以達(dá)到nC量級,這一特性限制了電子束在超亮微焦點X射線源的產(chǎn)生及其在透視照相等方面的應(yīng)用.本文研究了激光與近臨界密度等離子體薄層相互作用所產(chǎn)生的高能電子束平均有效溫度(“斜坡溫度”)以及截止能量等特征.研究表明空泡機(jī)制可以產(chǎn)生nC級高能電子束,平均有效溫度可達(dá)8 MeV以上,為將來產(chǎn)生高性能X射線源提供了一種新的途徑.

2 實 驗

實驗是在中國工程物理研究院激光聚變研究中心星光III升級激光裝置上進(jìn)行.實驗排布如圖1所示,1053 nm皮秒主激光經(jīng)過f/3離軸拋物面鏡聚焦在靶面上,光學(xué)焦斑的尺寸大約為10μm(FWHM).在主激光到達(dá)之前存在著持續(xù)1 ns的預(yù)脈沖,激光對比度為106—107.激光與靶面法線的夾角為10°.靶后激光出射方向放置一臺6000 Gs磁譜儀,所測量電子能量范圍為0—40 MeV.為了實時監(jiān)測主激光的聚焦情況,我們在靶前放置了一套軟X射線針孔相機(jī).

圖1 (網(wǎng)刊彩色)實驗布局Fig.1.(color online)The con figuration of the experiment.

實驗中采用了一種三醋酸纖維素泡沫靶,泡沫纖維絲直徑20—30 nm,網(wǎng)孔間距10—100 nm,整塊泡沫薄膜厚度為10μm,平均密度為10 mg/cm3,全離化對應(yīng)的等離子體密度為3.1×1021/cm3.這是目前實驗上所能得到的最低密度靶.1053 nm激光對應(yīng)的臨界密度為1.0×1021/cm3,預(yù)脈沖不能穿透泡沫薄膜,因此除了趨膚層為激光直接燒蝕外,其余部分為熱傳導(dǎo)層燒蝕.我們可以根據(jù)理論公式來定性地估計燒蝕的速度以及燒蝕的溫度,臨界面處的燒蝕溫度為[17]

其中功率密度I單位是W/cm2,激光波長λ的單位為 μm.考慮到激光對比度為107,當(dāng)主激光脈沖功率密度為5.0×1019W/cm2時,相對應(yīng)的預(yù)脈沖的功率密度為5.0×1012W/cm2,代入(1)式,Tc≈0.43 keV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過CH材料的離化閾值,材料被激光照射的區(qū)域可以被全部離化.預(yù)脈沖持續(xù)1 ns,則預(yù)計燒蝕深度可達(dá)520μm,遠(yuǎn)大于泡沫薄膜靶的厚度.即使考慮泡沫網(wǎng)格的影響,燒蝕波的傳播速度比理論預(yù)計的低一個數(shù)量級,預(yù)脈沖也具有充足的時間可以將我們實驗中采用的泡沫薄膜靶全離化,形成大尺度的近相對論臨界密度等離子體.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)1#發(fā)次電子能譜及平均有效溫度(a)電子能譜;(b)指數(shù)擬合平均有效溫度Fig.2.(color online)Electron spectrum and average effective temperature of 1#shot:(a)Electron spectrum;(b)average effective temperature by exponential fitting.

圖2所示為1#發(fā)次靶后激光出射方向的超熱電子能譜,對應(yīng)的入射激光能量115 J,脈沖寬度0.9 ps,激光功率密度1.9×1019W/cm2.整個能譜大致呈類玻爾茲曼分布,譜峰的位置在9 MeV,截止能量超過35 MeV.如果對能譜進(jìn)行指數(shù)擬合,我們發(fā)現(xiàn)擬合得到的平均有效電子溫度為8.7 MeV,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Wilks定標(biāo)率給出的平均溫度0.6 MeV[9].圖3顯示的是2#發(fā)次的電子能譜,相應(yīng)的入射激光能量為72.8 J,激光脈沖寬度為0.6 ps,激光功率密度與1#靶對應(yīng)的相同,其他參數(shù)保持不變.圖3(a)可以看出,類玻爾茲曼分布的電子能譜的峰值8 MeV,而能譜的截止能量超過了40 MeV.對能譜進(jìn)行指數(shù)擬合,電子束的平均有效溫度(“斜坡溫度”)為11.9 MeV,如圖3(b)所示,同樣遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于有質(zhì)動力定標(biāo)率預(yù)言的溫度.3#和4#發(fā)次分別對應(yīng)激光能量為61 J和73 J、脈沖寬度0.3 ps時的情形,得到的平均有效電子溫度為15 MeV.而激光能量73 J時,平均有效電子溫度則為11 MeV.考慮到打靶過程中的激光器狀態(tài)的起伏,兩者的溫度有一些差別.為了便于比較,我們將上述1#,2#,3#,4#靶對應(yīng)的電子束平均有效溫度放置在一張圖中,如圖4所示,橫坐標(biāo)為激光功率密度,圖中誤差棒所代表的誤差主要來自于激光焦斑尺寸的誤差.雖然誤差較大,但是所有的數(shù)據(jù)點仍然顯示出我們實際測量得到平均有效電子溫度相較于Wilks定標(biāo)率有了數(shù)倍的提高.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)電子能譜及平均有效溫度 (a)2#發(fā)次靶后激光入射方向的超熱電子能譜;(b)指數(shù)擬合平均有效溫度Fig.3.(color online)Electron spectrum and average effective temperature of 2#shot:(a)Electron spectrum;(b)average effective temperature by exponential fitting.

電子束的電量是我們所關(guān)心的另一方面.對記錄電子能譜的IP板進(jìn)行空間積分,可以獲得接收立體角內(nèi)的總電子數(shù).靶后激光出射方向的電子譜儀離靶的距離為66 cm,譜儀準(zhǔn)直孔的大小為4 mm×5 mm,相應(yīng)的接收立體角為0.003 sr.根據(jù)標(biāo)定實驗的結(jié)果,能量在0.5 MeV以上的電子,每個熒光光子對應(yīng)的電子數(shù)為100,因此我們可以初步得到IP板記錄的電子數(shù)量.對2#發(fā)次IP板進(jìn)行積分,我們獲得1#發(fā)次的電量為6.6 nC/sr.類似地,我們可以得到2#發(fā)次的電量為6.1 nC/sr.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)電子束溫度與激光功率密度的關(guān)系Fig.4.(color online)The dependence of temperature on laser power density.

3 分析討論

相對論激光與稠密等離子體相互作用時,有質(zhì)動力加速占主要地位[9,18].但是,我們實驗中的電子束平均有效溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Wilks定標(biāo)率的預(yù)計[9].因此,我們不得不考慮其他加速機(jī)制的貢獻(xiàn).為了更好地理解其中的大電量高能電子束產(chǎn)生的物理機(jī)制,我們采用二維粒子模擬程序進(jìn)行了模擬研究.模擬參數(shù)與實驗參數(shù)基本相同.模擬盒子大小為100λ×40λ,λ=1μm是激光波長,共2000×800個網(wǎng)格,每個網(wǎng)絡(luò)放置32個宏觀粒子.碳等離子體層放置在模擬盒子中部,初始電子密度設(shè)置為ne=3.6nc,nc=1.1×1021/λ2cm?3,厚度為10μm.在主脈沖到達(dá)之前有持續(xù)1—2 ns的預(yù)脈沖,根據(jù)類似的二維維流體力學(xué)模擬[19,20],我們在等離子體之前設(shè)置了一段密度梯度L=5λ的預(yù)等離子體.電子和離子的初始溫度分別設(shè)置為300 eV和10 eV.一束P極化激光垂直地入射到靶上,激光歸一化振幅a0=eE/meω=10,τ=80T,激光焦斑的半高全寬w=6μm(FWHM),其中me為電子質(zhì)量,ω為激光頻率,T為激光周期.

圖5(a)—(c)是不同時刻的電子密度分布,分別對應(yīng)著40T,80T,120T.首先可以看到,40T時,激光在次稠密等離子體中傳播,有質(zhì)動力將電子推開,堆積在兩側(cè),形成一個狹窄的等離子體通道.等離子通道的寬度與激光焦斑的大小相當(dāng).80T時,由于相對論自透明和鉆孔效應(yīng)[21],激光不僅能在次稠密等離子體中傳播,還能進(jìn)入到密度高于臨界密度的區(qū)域,也就是近相對論臨界密度區(qū)域,即ne～ γnc,其中通過激光成道形成一條更長的等離子體通道.從激光波前的位置我們可以推斷出激光向前傳輸?shù)乃俣燃s0.2c,c為光速.成道速度介于激光鉆孔速度=0.08c和激光群速度=0.76c之間,其中mi為離子質(zhì)量.激光可以在較短時間內(nèi)將等離子體完全燒穿,形成一條數(shù)十微米的短等離子體通道,與我們的預(yù)期相符.至120T時,激光已經(jīng)“燒穿”該等離子體,形成一條長30μm左右的等離子體通道.此時,考慮到離子開始膨脹,等離子體通道的寬度變得更寬,并開始出現(xiàn)一些絲狀結(jié)構(gòu),該絲狀結(jié)構(gòu)由離子運動引起.

與此同時,我們診斷了等離子體通道周圍的周期平均電磁場,磁場大小使用meωc/e歸一化.如圖6(a)所示,該磁場為角向分布,即垂直于紙面的Z方向,包圍了整個等離子體通道區(qū)域.一般認(rèn)為,高能電子流在等離子體通道的外部創(chuàng)建了該自生磁場,磁場的最大值可達(dá)500 MGs.該結(jié)果與文獻(xiàn)[21]給出的結(jié)果相似.事實上,考慮到圖5所示的離子體通道主要是通過相對論自透明效應(yīng)和激光鉆孔效應(yīng)共同形成[21],電子與離子都會被有質(zhì)動力從等離子體通道中排開,形成排空結(jié)構(gòu),因此等離子體通道中不能形成有規(guī)律的電荷分離電場,如圖6(b)所示.

圖5 (網(wǎng)刊彩色)電子密度隨時間的演化 (a)40T時的密度;(b)80T時的密度;(c)120T時的密度Fig.5.(color online)Snapshot of electron density at different times:(a)At 40T;(b)at 80T;(c)at 120T.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)140T時的自生電磁場 (a)自生磁場;(b)自生電場Fig.6.(color online)The self-generated electromagnetic field at 140T:(a)Self-generated magnetic field;(b)self-generated electric field.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)不同偏振態(tài)的電子能譜Fig.7.(color online)The electron spectrum for different laser polarization.

圖7中綠線顯示的是上述模擬所獲的電子能譜.整個電子能譜呈類玻爾茲曼分布,電子的截止能量超過90 MeV.我們對電子能譜的高能部分進(jìn)行指數(shù)擬合,發(fā)現(xiàn)電子束平均有效溫度(“斜坡溫度”)為10.2 MeV.實驗研究和理論研究都表明,激光在等離子體通道內(nèi)通過Betatron共振加速機(jī)制直接加速電子[22?24],這部分電子束的截止能量和平均有效溫度很高.顯然,由相對論自透明和鉆孔效應(yīng)所形成的等離子體通道內(nèi),同樣可以發(fā)生Betatron共振加速,只是由于缺乏自生電場的作用,Betatron共振的頻率會變小一些[24].最終,模擬中所獲電子束的平均有效溫度和實驗值一樣,均超過了Wilks定標(biāo)率的預(yù)計.此外,我們改變激光的偏振方向,將P偏振變?yōu)镾偏振,而保持模擬激光和等離子體參數(shù)不變.顯而易見,圖7中藍(lán)線顯示的電子能譜的截止能量和平均有效溫度都大幅降低.就截止能量而言,S偏振僅是P偏振的40%;平均有效溫度S偏振也僅是P偏振的50%.考慮到模擬程序是二維的,因此,只有P偏振的情況下,激光場才會與電子發(fā)生共振,從而將電子直接加速到很高的能量.雖然模擬中P偏振和S偏振激光獲得的電子能譜有較大差別,但是實驗中的物理過程是三維的.在入射角比較小時,S偏振和P偏振沒有顯著的差別,從另外一個角度說明實驗中平均有效溫度如此高的原因在于Betatron共振直接加速.遺憾的是,實驗中使用的電子譜儀的測量范圍有限,沒有測得如模擬中所示的更高能量的電子.

4 結(jié) 論

本文報道了激光與近相對論臨界密度等離子體相互作用研究結(jié)果.實驗結(jié)果與理論分析均證實,在相對論自透明效應(yīng)和激光鉆孔效應(yīng)共同作用下,近相對論臨界密度等離子體內(nèi)將出現(xiàn)磁化等離子體通道,電子與激光在通道周圍角向磁場的協(xié)助下發(fā)生Betatron共振.在我們實驗參數(shù)范圍內(nèi),高能電子的平均有效溫度在6—12 MeV之間,高于Wilks定標(biāo)率預(yù)言的平均溫度.本研究有助于激光與近相對論臨界密度等離子體相互作用的理解,并為下一步高亮度γ射線源以及正電子源產(chǎn)生奠定了一定基礎(chǔ).

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