超强激光产生的超热电子在微纳结构靶中的输运研究

发布时间：2020-05-16 21:23

【摘要】：在超强激光与固体靶相互作用过程中,一大部分激光能量将被吸收而转化给向前传输的超热电子。由于超热电子束能够广泛地应用于惯性约束聚变快点火,离子加速,微焦点X射线源,正电子产生等研究领域,超热电子的产生和输运研究得到了广泛关注。一般的,这些应用希望得到一束准直性好、束斑半径小的电子束。然而,大量的实验和模拟结果发现激光辐照固体靶产生的超热电子束总是具有一个比较大的发散角。目前为止,造成超热电子发散角的影响因素还未得到完全理解,但是可以肯定的是,由于相互作用面附近的Weibel不稳定性,电子束发散角是不可避免的。为了约束超热电子束,人们提出了许多导引和准直的方案。最近的实验证明利用微纳阵列结构,如金属纳米丝和碳纳米管,可以有效导引超热电子。通过使用这类靶,可以人为地构造一些沿着某一方向同轴的微米或纳米丝,然后控制电子沿着丝运动。然而,之前的结果均是在飞秒激光条件下完成的。一般而言,皮秒束激光更适用于高亮度X射线源、快点火以及提高正电子产额,并且高能量激光对靶结构要求更苛刻。基于此,本文围绕皮秒超热电子束在微纳结构靶中的输运开展了以下四个方面研究。首先,对超热电子束发散角的产生因素进行了分析。详细讨论了 Weibel不稳定性发散机制,研究了相对论激光频率和功率密度对超热电子束发散角的影响。通过理论分析和PIC模拟,发现相对论激光与固体靶作用产生的超热电子束的初始发散角只随激光频率增加而增大,与激光功率密度几乎没有关系。超热电子发散角和激光功率密度无关,原因在于产生初始发散角的两种主要机制—有质动力效应和靶前韦伯不稳定性的横向压力随激光功率密度提高的同时,超热电子平行动量也同比增长,导致v⊥/v||值保持不变。因此,在后续研究中不考虑电子发散角随激光功率密度的变化。之后,研究了皮秒超热电子束在纳米丝靶中的输运。通过二维含碰撞的粒子模拟发现,表面电场在皮秒输运过程中可以忽略,超热电子束一开始受丝阵内生成的强磁场导引和准直。随后由于等离子体膨胀,丝阵结构会发生分解,但是超热电子束仍然能够被靶内感生的电阻率磁场准直,使得超热电子输运效率比无碰撞时还要高。根据模拟结果,建立了一个输运解析模型并得到了纳米丝靶准直超热电子束的临界条件,结果显示为了保持皮秒超热电子束准直性,纳米丝需要具有宽度和占空比。根据临界条件设计了纳米丝靶并开展了实验,实验结果显示超热电子束在靶内具有好的准直性和略微聚焦。再者,提出了利用微纳多孔阵列靶操控超强激光产生的超热电子束。通过实验证明了微纳多孔阵列靶可以控制超热电子束方向并约束束斑大小。更有趣的是,电子束在多孔阵列内呈现特殊的环状输运结构。通过二维粒子模拟对实验现象进行了分析,发现电子在靶内受到一些微结构磁场的调制。由于磁场沿轴向衰减,超热电子平均角发散沿着纳米孔逐渐减小。能量低于一定阈值的电子在中心形成一个准直的束,能量高于阈值的电子在边缘形成等间距的环流。能量阈值与纳米孔间距有关,可以通过调节纳米孔间距来实现人为操控电子束准直或成环。准直束有利于提高能量集中度和空间紧凑型,环形束有利于提高强流电子束的电流极限。最后,研究了超热电子在微纳结构靶中的输运效率。通过双Kα示踪层方法分别测量了超热电子在微纳多孔阵列靶和平面靶内阻抗输运系数和射程。发现对于MeV级的电子,其射程大约在100μm左右,当电子输运距离等于阻抗射程时,电子束的能量降低为初始的25%。通过实验结果,我们发现超热电子在微纳结构靶中的射程比平面靶中高三倍,输运效率高于平面靶并且与平面靶的输运效率比值随着输运距离增加。在厚靶中,超热电子在微纳结构靶中的输运效率可能比平面靶中高一个量级。因此,可以利用微纳结构靶来有效提高超热电子输运效率。
【图文】：

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图１．２邋相对论激光与固体ＩＥ相互作用主要物理过程丨２３丨逡逑

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Ｔａｒｇｅｔ邋＼逦“逡逑Ｎｕｃｌｅａｒ邋ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ逡逑Ｎｕｃｌｅａｒ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑图１．２邋相对论激光与固体ＩＥ相互作用主要物理过程丨２３丨逡逑根据非相对论洛伦兹公式，电子在激光电场中的振荡速度为ｖ？５＝ｅＡ／Ａ？，当激光逡逑强度％？１时，电子振荡速度将接近光速，此时激光强度进入相对论区域。逡逑相对论激光研究范围（Ｉ＞１０１８邋Ｗ／ｃｍ２）又称为强场物理，其与物质相互作用与非相对论逡逑情况下大有不同。当激光达到相对论强度％邋＞１，等离子体将出现相对论诱导自透明［２４］，逡逑做相对论运动的电子质量修正为７％，激光可以穿入的等离子体临界密度变为；如果逡逑固体靶前存在一定标长的预等离子体，其密度可以从固体密度下降到低于％，在其中又逡逑会发生激光相对论自聚焦Ｐ５］、有质动力钻孔［２６］和固体高次谐波产生［２７］等现象，同时通过逡逑参量不稳定性［２８］、共振吸收和有质动力加速等使激光通道上的电子获得能量
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TL632

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