弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究.doc

弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究第25卷第1期2006年2月河南理工大学JOURNALOFHENANPOLYTECHNICUNIVERSITYVoI_25NO.1Feb.2006弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究李辉,一,郝建军,何俊.v(1.北京人民警察学院公安科技教研部.北京102202;2.中国矿业大学(北京)信息工程研究所,北京100083;3.河南理工大学能源学院.河南焦作454003)摘要:介绍了在泵浦激光辐照弯曲靶情况下x射线激光(XRL)的生成放大过程,依照London理论建立了简化的弯曲等离子体模型,并通过简化模型研究了x射线激光在弯曲等离子体中的传播和增益过程,给出了光线传播的简化解析方程.模拟结果说明当弯曲靶表面曲率半径为2.83.0m时输出效果最好,并在随后进行的类氖一钛XRL实验中证明了弯曲靶技术能明显提高XRL输出强度.但实验结果表明输出强度没有质的跃变,原因可能是驱动能量低.模拟结果较好地符合了实验结果.关键词:X射线激光;等离子体;增益区;预脉冲中图分类号:X924.2文献标识码:A文章编号:1007-7332(2006)01-0058-04O引言1984年美国利弗莫尔实验室(LLNL)的Matthews等人用电子碰撞激发泵浦机制首次获得x射线激光(XRL)以来-lJ,对x射线激光的研究取得了令人瞩目的进展.由于x射线激光既具有x射线波长短,能量高,又兼有激光亮度高,相干性好的特点,因此它在安全检测领域有着广阔的应用前景.例如生产颗粒粒度仪利用激光衍射散射原理,测量粉体颗粒的粒度分布.目前,实验室的激光等离子体x射线激光都是通过放大的自发辐射(ASE)来实现的-2】.在X射线激光的传输中,只有当x射线沿着窄长的等离子体柱中适当条件的增益区传播时,才能被放大并产生X射线激光.光在传播过程中由于等离子体密度不均匀性导致部分光线在未经充分放大之前就因折射效应从增益区逃逸出去-3】.如何能减少因折射效应而损失的光线从而提高x射线的输出强度,人们采用了很多方法,实验中常用的有预脉冲技术和弯曲靶技术.弯曲靶技术能够提高XRL输出已被许多实验所证实-4.5J,但这些实验通常是将其与预脉冲或对接靶技术一起使用,至于弯曲靶技术在改善输出强度能有多大贡献,至今尚不清楚.本文利用简化模型对单面辐照弯曲靶产生的等离子体中光的传播放大进行了理论上的研究.模型的建立与分析对直等离子体中X射线传播放大的问题很多人进行过研究,1997年中国工程物理研究院的李英骏等根据London的理论-6J得出了平面箔靶产生的直等离子体中射线的解析方程.此后,哈尔滨工业大学的张新陆等利用毛细管放电等离子体模型给出了射线方程的柱坐标形式8.泵浦激光经过线聚焦系统后辐照在靶面上,靶面物质就会被瞬间加热成气态等离子体,它是激光的激活介质与增益介质.对于辐照弯曲靶产生的等离子体增益介质,采用以下模型描述:等离子体增益区为沿轴方向伸展的,长为L的细长的稍微弯曲的长方体(图1),密度的改变发生在垂直于靶面的z方向,而x射线激光沿轴方向放大,在方向的所有性质是不变的.收稿日期:2005?10?12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50404015);国家自然科学基金仪器专项(50427401)作者简介:李辉(1970.).女.河南镇平人.讲师.在读博士生.从事通信和安全监控方面研究E-mail:lihuipl13sohu.tom第1期李辉等:弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究59由直等离子体的简单线性分布的电子密度】可以导出的电子密度的刨面形式为:.I1一l,(1)厶式中,z0为增益区最大电子密度,L为增益区的厚度,大约几百微米,R为弯曲靶的曲率半径,一般约几米.由于Rz,(1)式可以简化为nn.i一).图1等离子体简化模型Fig.1SimplifiedModelofPlasma(2)我们采用射线方程来描述X射线的传播,根据费玛原理,用拉格明日法描述的射线方r槿为岳()=(3)式中,ds是沿光线传播方向的路径微分,为射线位置矢量,叩是等离子体的折射系数,一般在等离子体中其表达式为7=1-一no(12Rx+一Z222j-,式中,z为等离子体的临界电子密度,z=跏ec2/(e2A);.,z为等离子体的电子密度;为电子的有效质量;c为光速;为x射线的衍射波长.由于,折射系数可进一步简化为=(1一ne),对射线方程我们只考虑一维情况,考虑,z,z,可1,在傍轴近似条件下将方程进一步简化为爷7,(5)这是个矢量方程,写成分量的形式为:.+.(6)V:.十_Jd,z0ds24ncRLdz0zds一2nRL上述两方程的解为砑no+.,zex).+2exp一压).,(7)(8)(9)(10)式中,0为生成射线的初始位置,为使方程便于迭代,仍使用射线轨迹的弧长元作参数.由于等离子体的折射率沿轴呈下降,故等离子体对射线有自聚焦作用.2模拟与实验结果依据以上理论用光路追迹法对激光辐照金属块靶的情形进行了模拟,采用长20mm的钛靶.模拟结果发现弯曲块靶的曲率半径为2.83m时效果较好,但结果也并不很显着.考虑到曲率过大会影响光到达靶面的同步性,实验采用了半径为3m的弯曲靶.图2,图3是以波长为1053nm,能量为40J,170ps脉冲辐照钛靶产生的等离子体的模拟结果.模拟输出光强是以增益路径长度为权值的光线的数量总和,对于输出光斑的强度分布没有进一步的分析.60河南理工大学(自然科学版)2006年第25卷j,懿鹱图2输出强度随曲率半径变化Fig.2Intensityversusradiusofcurvature曲率半径,m图3发散角随曲率半径变化Fig.3Divergencangleversusradiusofcurvature实验在星光激光器上进行,采用预主脉冲驱动方式,驱动激光波长1053nm,预主脉冲间隔5ns,预脉冲能量为主脉冲的5%,经柱面镜聚焦在2.2cm120m焦线上,辐照20mm18mm2mm钛靶,输出结果见表1.图4可以看出XRL明显高于自发辐射,说明有稳定的输出.实验结果表1可以看出较平板靶而言输出强度并没有很大提高.这与我们的模拟结果基本符合.实验得到输出的发散角为5mrad,较平板靶的输出也没有改变.分析其原因可能是激光能量较低所致,所以泵浦能量低的情况下,弯曲靶技术在提高XRL输出强度上的贡献并不是很大.3结论通过对弯曲等离子体模型中X射线的解析研究和模拟结果,我们可以看出,在当前设备条件下,弯曲靶器技术对提高等离子体x射线激光输出强度虽有所帮助,但效果不是很明显,较平板靶而言其输出强度和发散角没有很大地改善.但在多靶对接实验中,弯曲靶可以修正x射线的行进方向,便于靶间耦合,所以仍不失为一种好方法.表1实验结果Tab.1Resultsofe】【perimeIIt谱线长度,mm图4沿线长方向的扫描线Fig.4LineoutoftheNe-like,nXRLlasing参考文献:1MATTHEWSDL,HAGELSTEINPL,RosenMD,eta1.DemonstrationofasoftX-rayamplifierJ.PhysRevLett.1985(54):110-117.2CARILLONA,CHENHZ,DHEZP,eta1.SaturationinNi-likeGelasingat17.6mJ.Phys.rev.1ett,1992(68):2917-2921.3KOCHJA,MACCWENBJ,DASILVALB,eta1.CompensationforrefractioninplasmabyusingcurvaturetargetJ.Phys.Rev.Lett,1992(68):3291-3296.4BALMERJE,TOMMMASINIR,LOWENTHALF.SaturationinNeon-likeandNickel-LikeCollisionalSoft-X-RayrsatLowPumpEnergyD.USON,1999,5(6):1435.5王琛,顾援,王世绩,等.类镍-银x射线激光及其应用实验研究J.强激光与粒子束,2002,14(3):381-384.6ELTONRC.X-RayLaserM.SANDIEGO:Academic,1990.7李英骏,许爱国,彭翰生,等.X射线激光在等离子体中传播过程的简化模拟研究J.计算物理,1998,15墨眠轻越第1期李辉等:弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究61(1):48-52.8张新陆,程元丽,王骐.X射线激光在柱状等离子体中的传播与放大J.激光技术,2002,26(3):221.222.CharacteristicofXrayLaserPropagationinCurvedPlasmaLIHui.一,HAOJian-jun2,HEJun2t(1.PolicetechnologydepartmentofBeijingPeople5PoliceInstitute,Beijing102202,China;2.InformationInstituteo1ChinaUni?versityoiMining&Technology(BeOing)100083.China;3.Departmento,R啪删&MaterialsEng.of爿PU.J/aoz454000,Cina).Abstract:Inthispaper,propagationandamplificationofX-raylaserproducedbyirradiatingthecurvaturetargetisdescribedbyusingasimplifiedmode1.Numericalsimulationusingray.tracedmethodwasgiven,andthemodelindicatesthatoutputintensityisuptomaximumwhencurvatureradiusis2.83meter.Theexperimentalshowscurvedtargettechniqueisnotcapabletoenhanceoutputintensitydramatically,thoughitcancorrectthedirectionofrayinmultipletargetcoupleexperiment.Theexperimentalandcalcu-lationresultsshowgoodconsistency.Keywords:X.raylaser;plasma:gainregion;prepulse(责任鳊校李文清)科技论文中文摘要的3种类型1报道性摘要报道性摘要是指明一次文献的主题范围及内容梗概的简明摘要,相当于简介.报道性摘要一般用来反映科技论文的目的,方法及主要结果与结论,在有限的字数内向读者提供尽可能多的定性或定量的信息,充分反映该研究的创新之处.科技论着如果没有创新内容,如果没有经得起检验的与众不同的方法或结论,是不会引起读者的阅读兴趣的;所以建议学术性期刊(或论文集)多选用报道性摘要,用比其他类摘要字数较