（原子与分子物理专业论文）超强超短激光与等离子体相互作用中质子背向发射的实验研究.pdf

四川大学硕士学位论文 超短超强激光与等离子体相互作 用中质子背向发射的实验研究 原子分子物理专业 研究生唐翠明指导教师杨向东 超短超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，会以脉冲形式向外发射高 能质子束。尤其是在靶背法线方向以较小锥角发射质子束，质子束具有束源空 间尺度小、脉宽窄、方向性好且花费较少等特点。这些特点使得超短超强激光 等离子体相互作用中产生的质子束在粒子加速、质子成象、“快点火”和治疗癌 症等方面具有极为广泛的应用前景。因此，为了解超短超强激光等离子体相互 作用中产生的高能质子的性质，并为未来可能的应用作预研，本论文开展了对 超短超强激光等离子体相互作用中靶背质子发射的实验研究，重点研究了靶背 法线方向发射质子束的空间分布、能量分布与靶物质和激光功率密度的关系。 文章首先从惯性约束聚变入手，简单介绍了快点火模型及其意义，以及对 超短超强激光等离子体相互作用中质子束的研究现状和进展。在理论基础部分， 就超短超强激光等离子体相互作用过程，以及质子加速机制作了较为详细的阐 述。文章的重点是对实验研究介绍和对实验结果分析与讨论。 实验是在中国工程物理研究院聚变研究中心的s i l e x i 超短脉冲激光装 置上进行的。利用辐射变色膜片h d 8 1 0 探测质子束的空间分布；c r 3 9 和t h o m s o n 离子谱仪测量了质子的能谱。通过靶后发射质子束的空间分布的测量，发现质 子束发散张角为5 1 0 左右，与焦斑大小没有联系。当采用双层平面靶时观察到了 质子束的中空分布、中心圆盘分布以及成丝现象。当激光功率密度比较接近时 随着靶厚度增加，质子束流减弱。在探测质子能谱时c r 3 9 中心处有一个直径为 1 2 m m 圆斑，由于它们经过了电磁场后未发生偏转，故它们是由高能光子和中 性离子共同构成。高能质子经过t h o m s o n 谱仪电磁场后，在c r 3 9 上形成了一条 抛物线。在显微镜下以中心圆斑中心为圆点，读出质子的坐标和相应的质子数。 t 四川大学硕士学位论文 由坐标计算出质子能量，得到质子能谱图。随着质子能量增加，质子数量减小， 通过指数衰减拟和与实验结果吻合度很好，故得出质子能谱呈指数衰减。质子 有一个明显的截止能量。在用7 i l m 的c u 平面靶时，从能谱图中我们可以看出 随着激光功率密度增加，质子的截止能增加，激光能量增加束流增大。激光功 率密度相近时，7 斗m 的c u 平面靶得到质子的截止能为1 3 8 5 m e v 明显高于5i im 的c u 靶得到质子的截止能6 6 3 k e y 。采用双层靶时，质子数量增加，但是能量 没有显著的提高。这些实验结果均与质子加速理论和国外实验结果吻合得很好。 关键词：超短超强激光等离子体质子空间分布能谱 四川大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e so fp r o t o ng e n e r a t e db y l a s e r - p l a s m ai n t e r a c t i o na tt h er e a l - s i d eo ft a r g e t m a j o r ：a t o m i ca n dm o l e c u l a rp h y s i c s p o s t g r a d u a t e ：c u i m i n gt a n g s u p e r v i s o r ：x i a n g d o n gy a n g d u r i n gt h ei n t e r a c t i o no fu l t r a - s h o r ta n du l t r a i n t e n s ep u l s el a s e rw i t hp l a s m a , e n e r g e t i cp r o t o nb e a m sw i l le m i ti nt h ef o r mo fp u l s e e s p e c i a l l y ，t h ep r o t o n st h a t e m i ti nas a m l lc o n ea n g l ei nt h ed i r e c t i o no ft a r g e tn o r m a lh a v es o m ee x c e l l e n t a d v a n c e s ，s u c ha ss m a l ls o u r c 圮s i z e ，s h o r tp u l s ed u r a t i o na n dh i g hd e g r e eo f c o l l i m a t i o nw h i c hw i l le n a b l et h o s ep r o t o n sb ea p p l i e dw i d e l yi ni o na c c e l e r a t i o n 、 p r o t o ni m a g i n g 、f a s ti g n i t i o n 、t h e r a p yc a n c e ra n de t c s ot h i st h e s i sm a i n l ys t u d i e s t h ee x p e r i m e n t so f p r o t o n se m i t t i n gi nt h ei n t e r a c t i o no fu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s e p u l s el a s e rw i t hp l a s m aa tt h el e a rs i d eo ft a r g e t ，i np a r t i c u l a rp a i da t t e n t i o nt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o t o n se m i t t i n gi nt h et a r g e tn o r m a ld i r e c t i o n ，i n c l u d i n gt h e r e l a t i o no f t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o n ，t h ee n e r g yd i s t r i b u t i o n ，t a r g e t sa n dl a s e ri n t e n s i t y f i r s t l y , t h et h e s i ss i m p l yi n t r o d u c e st h em o d e la n ds i g n i f i c a n c e so ft h ef a s t i g n i t i o n , a n dt h er e s e a r c hd e v e l o p m e n to ft h ep r o t o n sp r o d u c e di nt h ei n t e r a c t i o no f u l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e u s ep u l s el a s e rw i t hp l a s m a s e c o n d l y , w e e x p a t i a t ei nd e t a i l t h et h e o r yo ft h r e ea s p e c t s ：t h ep r o c e s so ft h ei n t e r a c t i o no fl a s e rw i t hp l a s m a ；t h e p r o c e s so f t h ei n t e r a c t i o no f t h eu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s i t yl a s e rw i t hp l a s m a ；a n d t h ea c c e l e r a t i o nm e c h a n i s m so fp r o t o n s a tl a s ta n dm o s ti m p o r t a n t l y , w ei n t r o d u c e t h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c h , a n dt h e na n a l y z ea n dd i s c u s st h er e s u l t s o u re x p e r i n l e n t sa r ec a r d e do u ta tt h eu l t r a - s h o r ta n du l t r a - i n t e n s el a s e rf a c i l i t y i nt h ec h i n aa c a d e m yo fe n g i n e e r i n gp h y s i c s i nt h ee x p e r i m e n t s ，w eu s e r a d i o c h r o m i cf i l mt od e t e c ts p a c ed i s t r i b u t i o no fp r o t o n ；c r 3 9a n dt h o m s o ni o n 1 1 1 四川大学硕士学位论文 s p e c t r o m e t e rt om e a s u r et h ee n e r g ys p e c t r u mo ft h ep r o t o n s w em e a s u r et h es p a c e d i s t r i b u t i o no fp r o t o n sa l o n gt h et a r g e tb a c kn o r m a ld i r e c t i o n t h e nw ed r a wa c o n c l u s i o nt h a tt h e e m i t t i n ga n g l ei sa b o u t51 0a n di s n , t r e l a t i o nw i t hl a s e r s p o t w h e nw eu s et h ed o u b l ep l a n et a r g e t ，t h eh o l l o w 、d i s ca n df i l a m e n ts p a c e d i s t r i b u t i o no fp r o t o n sa r ed e t e c t e d w i t ht h et h i c k n e s so ft a r g e t i n c r e a s i n g ，t h e n u m b e ro fp r o t o n sd e c r e a s e w h e nc r 3 9u s e dt od e t e c t e dt h ee n e r g yo fp r o t o n s ， 1 2 r a md i a m e t e rr o u n ds h a p ei sd e t e c t e di nc r 3 9c e n t e r b e c a u s et h er o u n ds h a p e m a t t e r sd o n , ts e n s em a g n e t i ca n de l e c t r i cf i e l d ，s ot h er o u n ds h a p em a t t e r sa r em a d e u po fn e u t r a li o n sa n de n e r g e t i cp h o t o n s e n e r g e t i cp r o t o n sp a s st h r o u g hm a g n e t i c a n de l e c t r i cf i e l do ft h o m s o ni o ns p e c t r u n l ，t h e nd i f f e r e n te n e r g yp r o t o n sf o r ma p a r a b o l & t h er o u n ds h a p ec e n t e r 船d o t , w er e a dc o o r d i n a t ea n dn u m b e ro fp r o t o n s a c c o r d i n gt oc a c u l a t i o n , w ed r a wt h ep r o t o n se n e r g ys p e c t n t m w h e np r o t o n s e n e r g yi n c m a i n g ，t h en u m b e ro fp r o t o n sa r ed e c r e a s e d t h r 0 1 【曲f i t t i n ge x p o n e n t i a l d e c a y ，w ef i n dt h ef i t t i n gi si ng o o da g r e e m e n tt h ee x p e r i m e n tr e s u l t , s ow ed r a wa c o n c l u s i o nt h ep r o t o ne n e r g ys p e c t r u mi se x p o n e n t i a ld e c a y i nt h ep r o t o ne n e r g y s p e c t r u m , t h e r ei sac u t o f fe n e r g y t h ep r o t o nc u t - o f fi si n c r e a s e dw i t ht h el a s e r i n t e n s i t yw h e nw eu s et h es a m et h i c k n e s s7 1 a mc ut a r g e t s t h ep r o t o nc u t - o f f e n e r g y o f7 1 m ac ut a r g e ti s1 3 8 5 m e v , b u tt h ep r o t o nc u t - o f fe n e r g yo f5 p a nc ut a r g e ti s 6 6 3 k e vw h i c hi ss m a l l w h e nw eu s ed o u b l et a r g e t ，t h en u m b e ro fp r o t o n s i n c r e a s e ，b u tp r o t o n se n e r g yd o n , ti n c r e a s ed r a m a t i c a l l y a l lr e s u l t sw e r ei ng o o d a 伊e e m e u tw i t ht h ea c c e l e r a t i o nm e c h a n i s m so f p r o t o n sa n do t h e re x p e r i m e n tr e s u l t s k e yw o r d s ：u l t r a s h o r ta n du l t r a - i n t e n s el a s e r , p l a s m a , p r o t o n , s p a c ed i s t r i b u t i o n , e n e r g ys p e e t r u m 四川大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师杨向东教授指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方之外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得四川大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在四川大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归四川大学所有，特此声明。 导师：孑当岛互 学生热噜以 签字日期：阳年 月f 万日 四川大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 强场与“快点火”物理 激光的出现是二十世纪最重要的发明之一，激光一出现即以其高度的方向 性、相干性以及高强度等方面的优势而受到各个领域的重视并迅速获得广泛应 用。激光技术的发展一直朝着提高功率输出、扩展波长范围、缩短脉冲宽度以 及全固态化、小型化以致微型化方向发展。八十年代中期发展起来的啁啾脉冲 放大( c h i r p e dp u l s e a m p l i f i c a t i o n ，简称c p a ) 技术【1 】是激光技术新的里程碑， c p a 技术与已有高功率激光装置相结合，能够输出拍瓦激光。掺钛蓝宝石晶体 具高增益和良好的热性能等优点，是非常理想的超短脉冲激光工作介质：碉嗽 放大技术的基本原理如图1 1 所示。 图1 1o p a 激光器工作原理示意图 在图1 1 中，从宽频带超短脉冲( ( 1 0 1 2 s ) 振荡器发出的超短激光脉冲先 通过一个色散延迟光学元件( 例如光栅) 使其脉冲宽度得到1 0 l 1 0 6 倍的展宽， 然后注入激光放大器中进行放大，以得到尽可能大的能量。由于此时的激光脉 冲很宽，所以放大后的激光脉冲光强仍低于激光介质的破坏阈值。在激光放大 器之后，再通过一个共轭色散补偿光学元件，把放大后的激光脉冲再压缩回到 原来的脉冲宽度。这样，既可以保证有高通量以实现高的抽取效率，又避免了 非线性效应。 四川大学硕士学位论文 目前，利用c p a 技术，激光的脉宽已经进入皮秒( p s ) 甚至飞秒( f s ) 量 级，功率密度可以达到1 0 2 1 w c m 。如此的超短超强激光不仅可以产生远大于原 子内电场的超强电场，而且可以产生大于i 0 “b a r 的超高压和1 0 r 的超强磁场， 还可以产生温度高达1 0 9 k ( 远大于太阳的温度) 的黑体辐射。给实验室带来了 前所未有的强电场、强磁场、高压强和高温度的极端物态条件。激光在靶面产 生的电场强度为氢原子第一玻尔半径库仑场( 1a e u = 5 1 x 1 0 9 v c m ) 的2 0 0 多 倍。电子在电场作用下作振动运动的动能达到了l o m e v 量级，光压约为1 0 5 0 p a ，加速度大于i 0 5 9 。这些极端物态条件开辟了一个崭新的领域强场物 理。强场物理为许多研究方向提供了崭新的基础平台，这其中包括i c f 快点火 物理”、高能量密度物理、高强度x 射线辐照源、粒子加速、天体物理、物质 微观结构等方面。由于牵涉许多极端物理条件，所以在强场物理研究中，需要 将实验研究、理论计算、计算机模拟等手段互相配合、互相补充、相互支持， 使这门崭新的学科不断取得新的进展，结出更丰硕的成果。 根据t a b a k 提出的快点火模型，快点火将压缩和点火过程分开，具体可分 为三个阶段：首先用通常的i c f 方法，即用主脉冲为几个i s ，波长为0 3 5 t i m ， i = 1 0 “一1 0 ”w c m 。的激光压缩d t 小球到高密度( p = 3 0 0 9 c m 3 ) 芯区，外围为 几个衄到i c m 厚的高温低密度等离子体冕区其次，用i l0 1 9 w c m 。，脉宽约 l o o p s 的强激光从冕区入射至约1 0 0 倍临界密度( 相对论效应) 处，形成一个 通道。最后，在芯区达到最大密度时，用波长为1 0 5 9 m ，功率密度 iz2 x l o ”w c m 。，脉宽为1 “l o p s 的点火激光经过通道到达高密度区产生动能 约为i m e v 的超热电子，并在芯区边缘沉积能量，形成点火热斑。 图1 2 快点火模型 同中心点火模型类似，很容易估算出快点火模型对内爆压缩激光脉冲的能 2 四川大学硕士学位论文 量要求。假设激光转换效率为1 0 ，要产生同中心点火模型相当的压缩燃料层， 要求用于压缩的主脉冲能量仅为0 3 9 m j ，远远小于中心点火模型需要的i 6 m j 。 并且，由于没有中心点火区，内爆压缩对称性的要求可以降低，特别是发生在 热斑与高密度主燃料层界面间严重的流体力学不稳定性不再存在，大大放宽了 对内爆对称性的要求，从而迸一步降低了对激光能量的要求。 波长为1 0 5 p r o ，功率密度i * 2 x 1 0 ”w e r e 2 ，脉宽为l 1 0 p s 的点火激光经 过通道到达高密度区，与电子相互作用。在相对论效应下，有质动力直接加速 电子产生动能近似为1 m e v 的超热电子。1 m e v 的超热电子在d t 中的射程约为 0 3 5 9 c m 2 ，而1 0 m e v 电子在d t 中的的射程约为1 0 9 c m 2 ，所以，不能太大，不 然超热电子会穿出芯区。一般激光强度为1 0 1 9 w c m 。比较合适。超热电子在高密 度芯区边缘沉积能量，形成热斑并达到点火条件 瓦5 k e y 见r h = o 3 5 9 c m 2 ( 1 1 ) 对于快点火模型，芯区密度与压缩小球的密度是一样的，所以有 成= 死= 3 0 0 9 c m 2 ，这样芯区内能e h = 2 1 r h ，露* 1 2 k j ，只有中心点火模型的 1 1 0 0 ，因此快点火可以大大降低对激光能量的要求。 实验和计算表明，脉宽p s 量级，波长为1 0 5 p r o ，功率密度i “1 0 ”w c m 。的 激光转换为超热电子的效率约为3 0 ，再加上激光在冕区传输时损失能量的3 5 。这样，要求点火用的超短超强激光的能量为 岛* 1 2 k , ( 0 3 x 0 3 5 ) * l i k j ( 1 2 ) 事实上，因为热斑形成在芯区表面，部分口粒子要跑向真空，为了确保点火和 燃烧，要求z 1 7 k j ( 0 3 x 0 3 5 ) * 1 6 1 0 。 对点火的超短超强激光脉冲宽度的要求，可以通过以下几种相互作用时间 的估计和分析得到 激光和电子的作用时间f r e “c o o - 1 1 0 。s ： 超热电子与d t 离子的作用时间气* 5 1 0 。2 c ”，仇* o 7 6 p s 热斑膨胀时间zr h c , 1 0 m ( 0 5 1 r m p s ) “2 0 p s 点火激光的脉宽要满足t 。 c a l 时，为稠 密等离子体，则集体电子运动将非常强以至于激光无法传播。当电子密度n c 低 于临界密度 毽：c o l 2 c 1 0 歹m 一, e r ( 2 1 2 ) ( 比如，对于波长为a , = l u r e 时，怫* 1 0 2 1 删。) ，当 1 0 1 唧c 扩) ，在相互作用时等离子体的温度上升很快， 这使得电子和离子的碰撞频率大大减少，以至于碰撞吸收变得不再重要，此时 一些非碰撞机制可以将激光能量耦合到等离子体里面去，如共振吸收。在非均 四川大学硕士学位论文 匀等离子体中，斜入射的p 偏振激光的电场矢量沿等离子体密度梯度方向的分 量进行振荡时，形成电荷密度涨落，而临界密度区的电子会随之发生共振，从而 在临界密度区的等离子体中激发一个很强的电子等离子体波。这是一个正反馈 过程，激发的电子等离子体波增长很快，最后通过各种阻尼机制如碰撞阻尼，波 破等将能量交给电子，产生超热电子。总之，在临界面处，由于激光的偏振方向 与等离子体密度梯度的方向一致，产生静电振荡；同时由于等离子体频率等于激 光频率，该处的激光电场以共振的方式驱动该区域的等离子体振荡，从而使静电 振荡增大并产生超热电子。故共振吸收机制是在临界密度处产生的超热电子， 一部分会沿着法线方向向靶前方向传播，另一部分则会沿法线向靶背方向传播。 共振吸收从机制上说是一种线性吸收，因为只要给定了临界面附近的等离子体 梯度。高频激光电场引起的电荷分离和激发起来的静电振荡的振幅都与激光电 场的一次方成正比。电子抖动振幅为；嘞7 瑶( k 。为电子抖动振幅；e 为 电子电量；为电子静止质量，五。为激光波长、单位是l i f l l ，c o o = 2 z c a 。为 激光圆频率) 。共振吸收要求等离子体密度标长厶，。f o r s l u n d 等人得出超 热电子由共振吸收获得能量的定标率为t 。( k e v ) = 6 1 0 1 ( i a 二) ”。 2 2 ，3 真空加热 真空加热是一种与共振吸收相联系的机制，都是激光电场驱动电子穿过一 个具有密度梯度的等离子体，不同的是共振吸收中密度梯度的标尺长度是激光 波长的很多倍，而真空加热中的密度梯度小于激光波长b r u n e l 首先在1 9 8 7 年 讨论了该机制，所以该机制又称为b r u n e l 效应或者是“非共振”共振吸收当 p 偏振激光脉冲斜入射到超临界密度的等离子体上时，电子将被激光电场的分量 直接加速电子在光学周期的上半周期逃逸到真空中，而在下半个光学周期被 反向的分离电场拉回到等离子体表面，在这一过程中电子获得的速度几乎为振 荡速度匕。，这就是所谓的真空加热过程。这种机制主要发生在等离子体密度超 过临界密度并且有大的密度梯度或密度不连续的情况下。g i b b o n 等的数值模 拟表明，在标尺长度厶没有明显的大于电子振荡振幅的情况下，标尺长度越长， 被拉到真空中的电子数目越多，激光能量被吸收的越强烈。如果电子在一个激 光周期中的运动距离大于等离子体的标尺长度，电子就会把它的振动能量沉积 1 9 四川大学硕士学位论文 到更高密度的等离子体中去。真空加热要求z 也。电子通过真空加热所获 得能量的定标率为五( 妇矿) 兰3 6 x 1 0 - 6 ，乃a 2 2 4j b 加热机制 当入射激光的功率密度非常高时，会发生j b 加热机制，该吸收机制来源 于激光有质动力的振荡部分。有质动力就是高频场产生的低频力。当激光与超 临界密度的等离子体相互作用时，在等离子体与真空界面处便形成了趋肤层。假 设趋肤层内的激光电场e = e l s i n c o o t ，产生的有质动力为产_ ：导哇似l 一2 倒w ，其 中巧= 以，m ，有质动力的时间平均项作用在等离子体上使之变陡，这就是常 说的“陡化”，而有质动力的振荡部分将导致j b 加热有质动力的振荡部分所 驱动的静电场表示为些生餐疃( ，c o s 2 0 j o t ) 。由于昂正比于吃譬，所以入射激光越 历q 盘。瓜 强，电场梯度越大，该加热机制越有效。由于振荡的静电场的作用，电子在真空与 等离子体的界面处以二倍的激光频率振荡，如果电子受到的力足够强，边界上所 有的电子将会以“非共振”波的形式来振荡其中的一些电子在这种振荡中获得 能量，进入高密度的等离子体这种机制类似于真空加热，但不同的是有质动力 的振荡成分驱动电子穿过真空与等离子体的界面，而不是激光的电场驱动电子 振荡由于有质动力的振荡成分随时间以26 2 。的频率变化，所以被加热的高能电 子在相空间的位置大致间隔半个激光波长，这也是j b 加热机制的一个重要 特征同时这种吸收机制强烈依赖于激光强度，在珑1 0 ”砟肼2 c m 2 时，有1 嬲的吸收率，在珑1 0 ”w z , n 2 c m 2 时，吸收率约为1 5 。同时该机制随电子密 度的增加而减小，但背景电子温度对该吸收机制的影响不是很大电子通过j b f 2 加热机制所获得的能量的定标率为( 妇y 瑚i l 【( 1 + _ 兰) “2 - i 。 2 0 四川大学硕士学位论文 2 2 5 反常趋肤效应 正常的趋肤效应是指发生在深度为c u 。( c 是真空光速，d 。是等离子体频 率) 的趋肤层内，产生的电子的温度为几百电子伏特，并且电子在趋肤层内振荡， 然后通过与离子的碰撞将能量消耗掉但当入射激光的功率密度增加，产生的等 离子体温度为几千电子伏特时电子的自由程超过趋肤深度，激光电场就能通过 振荡的电子穿过趋肤层进入更深的等离子体区域而被吸收，这就是所谓的反常 趋肤效应反常趋肤效应的效率与趋肤深度密切相关，趋肤深度越大，吸收越强 当入射激光达到相对论量级时由于电子质量随相对论因子增加，趋肤深度也会 增加，反常趋肤效应也相应地增大如果电子等离子体的振荡频率等于入射激光 频率时，等离子体相对于激光而言是透明的，这就是激光的自诱导透明现象关 于反常趋肤效应人们认识得较早，w e i b e l 等1 9 6 7 年首先讨论了该种吸收机制， 后来t i k h o n c h u k 等认为该机制发生的条件为z k 2 瑶c 2 ( 。为等离子体频 率，为电子速度，6 3 。为激光场的频率，c 为光速) ，并把这吸收机制称为反常趋 肤效应反常趋肤效应的吸收x 。表示为k ：鱼 、犀生羔】m ，其中 y 石o = 4 刀r p 2 为等离子体频率，n 为电子速度。与常见的共振吸收以及逆韧 致吸收相比，该机制的发生的几率较小，但在一些特殊的情况下应该考虑该吸收 机制。 在激光和靶相互作用的过程中往往是几种机制同时存在。关于超热电子的 产生，不同的靶材和靶形对激光能量的吸收是不同的，就电子来说，上述吸收机 制不但可以产生超热电子，还可以加速电子，但使电子加速的机制远不止这些， 归纳起来，电子的加速主要有激光场直接加速和等离子体波加速如前面介绍 的真空加热、j b 加热和激光有质动力加速等属于激光场直接加速，等离子体 波加速是指在等离子体中电子偏离其平衡位置后形成一电荷分离场，由于要维 2 1 四川大学硕士学位论文 持电中性，电荷分离场始终在振荡并以波的形式传播，电子就在这种电子等离子 体波中得到加速共振吸收、长标尺的等离子体中的拉曼不稳定性、激光尾流 等机制都属于等离子体波加速。 2 3 质子加速机制 早在七十年代激光已经离化且加速离子到亚k e v 。随着激光技术的发展， 高能激光，脉宽为n s ，这样能产生的离子能量能达到1 0 0 k e v 每核子。现在高 能激光，亚p s 能产生功率密度高达1 0 “w c m 2 ，离子能量能达到m e v 量级。是什 么机制将离子能量提高很多呢? 脉宽为n s 的长脉冲激光，能形成准平衡的等离子体。等离子体膨胀，热传 递和能量耗损在其中起着重要的作用。在热等离子体和真空里由自相似解得出 将形成一个准中性、等温膨胀使得离子加速主要是由于压强梯度引起的。在短 脉冲时，关于观察到的高能离子，这些现象均被忽略掉。热传递和能量损耗， 冲击波和等离子体膨胀作用时问大于激光脉宽，因此不能用来解释观察到的物 理现象，特别是因为用长脉冲里加速模型，准中性，等温条件等一些关键的条 件在下面不在满足了。 超短超强激光与等离子体相互作用过程中，对质子的加速主要有以下机制： 库仑爆炸( c o u l o m be x p l o s i o n ) 【1 l ，1 2 1 ，和靶背法线方向鞘层加速( t n s a ) 【1 3 】。 库仑爆炸加速机制主要发生在超短超强激光与团簇和气体相互作用过程中。对 于超短超强激光与固体靶的相互作用，质子加速机制主要发生在靶背表面和靶 背表面附近由于电荷分离而建立的靶背法线鞘层加速( t n s a ) 。在实验中研究 的是激光与薄膜平面固体靶相互作用，这里主要讲被大家所认同的质子t n s a 加速机制。 2 3 1 靶背法线鞘层加速机制( t n s a ) 超短超强激光与物质相互作用过程中，在主脉冲到达之前，激光预脉冲将 靶离化，相应的等离子体温度为k e y 量级。在这样的高温下，靶前表面的等离 四川大学硕士学位论文 子体以大约i 0 5 m s 的速度向真空膨胀，形成高温、低密度等离子体层一电晕区。 主脉冲到达后，与等离子体相互作用，在临界密度面附近产生大量的超热电子， 形成超热电子云。如果靶足够薄，对于这些速度接近光速的超热电子来说是透 明的，超热电子会穿越整个靶区，在靶背表面与含氢油污层中氢的壳层电子碰 撞，使氢原子电离。超热电子在靶与真空的交界面，会形成很薄( 大约几到十 几u m ) 的鞘层电场，该鞘层电场在非常短的时间内( p s 量级) 使被电离的质 子加速，加速的质子沿着靶背法线以一定的立体角发射出去。这就是靶背法线 鞘层加速( t a r g e tn o r m a l s h e a t ha c c e l e r a t i o n ) 机制。t n s a 的物理模型如 图2 4 所示： 图2 4t n s a 加速模型 在t n s a 模型中假设热电子在靶背是b o l t z m a n n 分布： e x p ( 一e e k 字) 。 热电子束在靶背建立一个鞘层，靶背标长d 就是热电子的德拜长度乃，即为屏 蔽内部电场所需要的长度。热电子的标长为：，o = 九= 岛墨z ( e 2 心) 。高密度 的电子和相对论温度作用在很短的标长上，故要建立一个强大的双极电场，电 场强度为e * k 。矿，p 厶，其中z 为靶背超热电子的温度，厶为德拜长度，厶 为等离子体标长，七。是波尔兹曼常数。 通过t n s a 加速模型，我们可以解释为什么质子的截止能量与靶厚度相关。 当靶的厚度小于m a x ( ，五) 对，超热电子会直接穿透靶，无法建立加速质 子的电场。当靶较厚时，超热电子会将能量沉积在等离子体靶内，并参与静电 四川大学硕士学位论文 场的建立。因此，可以预料，随着靶厚度的增加，质子的能量是上升的。但是， 当靶超过一定厚度时，质子在靶中的能量损失会随着靶厚度的增加而上升，这 个时候，质子束的能量反而会随着靶厚度的增加而下降。因此，存在一个最优 化厚度，质子束获得的能量最多。 t n s a 机制能解释质子能量与靶厚度的关系。首先，靶必须足够的厚，这样 才能够使靶背表面不会被激光预脉冲穿透，从而保持靶背表面的平整和足够小 的密度梯度。其次，靶又必须足够的薄，使得超热电子能够更快的穿过整个靶 区，在靶区更少的损失能量，保持较高的温度，这样可以建立更大的加速电场。 并且，只有靶足够薄，才能够有效的减少超热电子对靶背表面的预热效应，保 持靶背表面的平整。因此，同样存在一个靶的最优化厚度，产生的质子束具有 最大的能量。因为加速位置的不同，这两种机制的最优化厚度是不同的。因为 电子具有比质子大得多的射程，同样在等离子体内传播，质子很容易损失能量， 而电子损失的能量会小得多。因此t n s a 机制预言的最优化厚度会比前一种机制 预言的最优化厚度大。 2 3 2 质子加速的最新解析模型 j s c h r e i b e r 等人“”对强激光加速质子作了解析。假设在靶背表面，电子 横向以半径占分布，其中b = 吒+ d t a n o ，吒是激光焦斑半径，d 是靶厚，曰是 电子穿出靶面的半角。假设电子和能量关系以指数分布： 面d n = k 2 等e x p t 一旦k , t 1 扭 1 、。 当电子穿过固体和真空界面时，电子在导体靶背表面将诱导产生q p 正电荷电 量，则在传播方向z = o ，即固体和真空界面处，电荷面密度将是q e o r b 2 ) ，且电 荷是均匀分布的。在已知电荷面密度时，可以通过解泊松方程，可以得出在z 方 向的电势，这里我们假设在z = o 处电势= o ，得出 印( d = 乜j g ) ( 2 1 9 ) 四川大学硕士学位论文 这里善= z b ，s ( 善) = l + 善一o + 孝2 ) ”2 。由于电势能的束缚，故只有少数能量超 过e = 缈2 ( 2 船。b ) 的电子能逃逸出靶背表面电势束缚，低能电子就要回流进 入靶内。电子发生回流的处善1 ，平均能量为吒z ，则e s ( 善) “e 善= z ， 用忍和表面电子的体密度为。= q “石曰2 2 ) ，推出 2 = ( 2 e o k b t , i n o 。e 2 ) ”2 = 以 ( 2 2 0 ) 九是热电子德拜长度。在平衡状态下表面电荷电势为矿，电子密度为： 其中 (善)：讲：黑：占坐：de(221- ，g-吲22 瓢2 万面磊 篑：垦磐：e ( 1 + 】 磊2 百2 卜言【h 吉川 联解( 2 1 8 ) 、( 2 2 1 ) 和( 2 2 2 ) 得 ( 善) = 。e x p 卜掣】【1 一善( 1 + 善2 ) m 】 d 其中靠= 乃曰，。= q ( 石口2 2 ) 。电子在回流进靶内前，电子穿过如长的距离。 在平衡状态有q = 2 n , a d i l 多的电子一直在靶外，这样在乃标长内就会诱导出 q 个正电荷来保持电中性。用f = 一谢d z 可以得出电场强度 ，( 善) ：箪【l 一( i + 纠：】 8 在( 毒= o ) 处电场强度只= 毛z “口以) ，这与t n s a 加速机制推出的加速 电场相同。 由方程( 2 1 9 ) 可以计算出电荷电量为q , e 的离子从善= o 到掌处加速后的 能量 四川大学硕士学位论文 互( 孝) = 一g ，p ( 掌) = 置。s ( 善) ( 2 2 5 ) 这里e 。= 吼吒t 曰，以是电荷为q , e 的离子从理论上克服势并获得的能量。这里 在发射区域中性处场强最强，故加速得离子能量最大。当z 0 处离子获得很小 的能量，故在体内加速可以忽略不计。 参考文献 1 m h e g e l i c h a e c e l e r a f i o no f h e a v y i o n st om e v n u c l e o ne n e r g i e sb yn l t r a m g h - i n t e n s i t y l a s e r s d 2 0 0 2 2 e v h a r t e m a n n , s n f o c h s ，g e l es a g e ，e ta 1 n o n l i n e a rp o n d e r o m o t i v es c a t t e r i n go f r e l a t i v i s t i c e l e c t r o n sb ya l li n t e n s el a s e rf i e l da tf o c u s j p h y s r e v e 1 9 9 5 5 1 4 8 3 3 3 b q u e s n e l , p m o r a t h e o r ya n ds i m u l