激光聚变黑腔中等离子体的热流研究

辐射流体采用限流的局域Spitzer-Harm(S-H)电子热流近似,在预估等离子体状态时可能与实验观察存在偏差.利用一维(1D3V)含碰撞的粒子模拟程序,研究了激光聚变黑腔中金等离子体的电子分布函数和电子热流.分析表明,在等离子体的冕区,α=Z(νos/νte)^2>1,电子分布函数表现为超高斯分布(m=3.34),克努森数λe/Le=0.011大于局域S-H理论的临界值2×10^-3.这导致了局域S-H电子热流远大于实际热流.这种实际热流受限现象将导致辐射流体模拟给出的冕区电子温度高于神光实验测量值.而在等离子体的高密度区域,电子分布函数仍表现为超高斯分布(m=2.93),克努森数λe/Le=7.58×10^-4小于局域S-H理论的临界值,限流的局域S-H电子热流具有一定的适用性.但电子热流严重依赖于限流因子,辐射流体模拟需要根据不同位置的光强和电子温度调整的大小.

相对论皮秒激光在低密度等离子体中直接加速的电子束的横向分布特征研究

相对论皮秒激光与低密度等离子体作用可以通过“激光直接加速”机制获得超有质动力定标率的高能电子,且电荷量可以达到百 nC 级,在伽马射线产生、正电子产生等方面具有重要应用.然而激光直接加速电子束相比激光尾场加速电子束具有更大的发散角,同时实验观测的横向束分布也不均匀,但是其中的物理机制研究较少.本文通过二维粒子模拟证明,相对论皮秒激光在低密度等离子体中驱动的激光直接加速中,高能电子束会在激光偏振方向分叉,而且电子能量越高这种现象越明显.文章通过细致的理论分析解释了这种高能电子横向分布产生“分叉”结构的内在原因.在激光直接加速的过程中,电子在纵向获得加速的时候,它在激光偏振方向(横向) betatron 振荡的动能也会随之增加,当电子的能量足够高时,二者呈线性关系,因此高能电子的横向速度的振幅近似相等,这种相等的振幅最终导致了高能电子束在激光偏振方向的分叉.

填充预等离子体通道靶激光电子加速研究

采用紧聚焦的超强短脉冲激光与固体通道靶相互作用是获得大电量、高准直相对论电子束的一种有效方式。实验中由于激光预脉冲烧蚀靶壁产生预等离子体会膨胀、填充到真空通道中,从而导致电子束品质发生变化。采用二维PIC粒子模拟程序研究了通道靶中填充预等离子体的电子加速过程。模拟结果显示,在功率密度为5.0×10^(20W/cm^(2))的超强短脉冲激光条件下,通道中填充一定密度的等离子体时激光场优先与低密度等离子体相互作用,激光脉冲与通道壁的相互作用减弱,电子加速机制由纵向场主导的真空电子加速转变为横向电场主导的等离子体电子加速,产生电子束具有更大的电荷量,但能量降低,发散角增大。

等离子体气相凝聚技术制备铜纳米团簇薄膜的沉积速率研究

采用等离子体气相凝聚技术并结合差分抽气技术产生铜纳米团簇束流,然后在衬底上沉积铜纳米团簇薄膜,研究了溅射电流、氩气流量和结露区长度对其沉积速率的影响。利用X射线衍射仪和透射电子显微镜对薄膜微结构进行了表征。结果表明:保持其他参数不变的情况下,增加溅射电流和氩气流量,铜纳米团簇薄膜的沉积速率均呈现先增大后减小的趋势,而结露区长度对沉积速率的影响无明显规律,这主要归因于铜纳米团簇粒子的平均自由程变化。铜纳米团簇薄膜主要由粒径约为几纳米的团簇颗粒组成,其结晶程度较低。

激光-近临界等离子体高能高亮度X射线的产生

基于激光驱动超热电子产生的高品质X射线源是高能量密度实验中有效的诊断技术手段,对辐射源亮度、穿透性和时空分辨率等特性具有极高的要求。结合粒子模拟和蒙特卡罗模拟研究,首先利用近临界密度等离子体实现了激光自聚焦通道中的大电量高能电子加速,通过直接加速机制产生了电量超过600nC、有效温度可达15 MeV的高能电子;以此为基础提高电子-光子能量转换率,有效优化了光子能量和产额,并通过一定的转换靶参数优化方案产生了微焦点(FWHM小于200μm)、高能、高亮度X射线,为高空间分辨(小于200μm)成像诊断提供了很好的途径,有望早日实现激光等离子体轫致辐射单脉冲瞬态照相的实际应用。

激光等离子体射流驱动亚毫米直径铝飞片及姿态诊断

强激光烧蚀低密度有机材料形成等离子体射流碰撞,可以对材料进行准等熵加载,比激光冲击加载应变率低,相同压强下可以获得更高的压缩度和更低的温升,在状态方程、飞片加速等方面有很强的应用前景.在星光Ⅲ置上首次开展了等离子体射流驱动小尺寸铝飞片及姿态诊断联合实验.通过调控有机材料厚度和真空间隙长度,获得了厚度20μm、直径约400μm的铝飞片,飞片加速时间长达200 ns.基于ps拍瓦激光的高能X光背光照相结果显示铝飞片在飞行约400μm距离后仍然保持了很好的飞行姿态和完整性.

神光Ⅲ原型装置激光驱动高速飞片实验研究进展

激光驱动飞片技术具有产生的飞片速度高、成本低、装置简单等传统动高压加载技术无法取代的优点.随着激光技术的发展,利用高功率激光脉冲发射高速飞片受到越来越多的关注.本文介绍了在神光Ⅲ原型装置上开展的激光驱动高速飞片实验研究.利用纳秒短脉冲和纳秒整形长脉冲,设计并开展了几种不同方式加速飞片的实验研究,成功获得了10 km·s^(-1)的固态铝飞片和50 km·s^(-1)超高速度的复合金属飞片,而且飞片具有良好的平面性和完整性.对实验的物理设计、技术途径和数据结果进行了比较全面的分析,为进一步开展激光驱动高速飞片相关实验研究提供了思路,同时也证明了神光Ⅲ原型装置在激光驱动高速飞片实验研究方面有着巨大的潜力.

激光加载下金属锡材料微喷颗粒与低密度泡沫混合实验研究

金属材料的微喷是冲击加载下金属表面发生的一种动态破碎现象,微喷研究在很多领域都具有重要意义,包括惯性约束聚变(ICF)和烟火制造等.由于激光实验特有的优势,近几年国内外开展了很多利用强激光驱动冲击加载研究材料微喷过程的实验.利用泡沫材料对微喷颗粒进行静态软回收虽然可以获得颗粒的形态分布、颗粒尺寸及颗粒质量等定量结果,但并不能反演微喷颗粒从进入泡沫到停滞过程中的动态混合过程.为此,在神光Ⅱ升级装置上利用皮秒脉冲激光照射金丝产生高能X射线,实现了对锡微喷颗粒与低密度泡沫混合过程的高时间分辨和高空间分辨背光照相.背光图像面密度结果证实微喷颗粒在泡沫中并没有发生二次破碎.静态回收结果表明,在锡材料与泡沫紧贴放置的情况下,微喷颗粒在泡沫中的穿透深度随着加载压强升高呈现先增大后减小的规律,与非紧贴放置的实验结果有明显的差别.

等离子体气相凝聚技术制备银纳米团簇及粒径尺寸控制

采用等离子体气相凝聚技术制备了银纳米团簇颗粒,开展了实验条件及工艺参数对团簇平均粒径和粒径分布的影响。利用四极质谱分析仪在线测量了银纳米团簇的粒径尺寸与分布,并与透射电子显微镜(TEM)离线测量值进行比对。研究结果表明:保持其他参数不变时,增大结露区长度或溅射电流,银纳米团簇的平均粒径尺寸将增大;增加氩气流量,银团簇粒子平均粒径也相应增大,但当氩气流量增至60mL/min以上时,其平均粒径反而会减小。而氦气的加入会使平均粒径尺寸减小。在各工艺参数中,溅射电流和氩气流量是影响银纳米团簇平均粒径的主要因素。通过调节工艺条件,获得了平均粒径尺寸为2,4和6nm的银纳米团簇,四极质谱仪监测的粒径分布与TEM离线表征结果总体一致。

基于多反应通道的高产额激光中子源实验研究

基于超短超强激光的短脉冲中子源是实现超快中子探测的理想中子源。如何提升中子产额是目前短脉冲激光中子源实现应用需求亟需解决的关键问题。提出基于靶背鞘场加速机制和束靶反应方案,采用LiD复合组分靶作为中子转换体,可以有效提升激光中子产额。与常规的LiF转换体相比,除了p-Li和d-Li两个反应道之外,LiD转换体可以多出p-D和d-D两个反应道,因此可充分利用激光加速的质子和氘离子的多反应通道优势来提升中子产生概率。实验结果表明,相比于LiF转换体,LiD转换体可带来中子产额2~3倍的提升,达到5.2×10^(8)n/sr的最高中子产额,并具备更好的前冲性。实验还区分了多反应通道的贡献,证明中子产额提升主要来自于p-D反应。

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20μm的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。

超短超强激光与固体靶相互作用所致X射线剂量实验研究

超短超强激光与固体靶相互作用可产生显著的X射线剂量,其辐射防护问题是辐射防护和激光等离子体物理的学科交叉问题,对超短超强激光装置安全运行至关重要。为验证清华大学所提出的剂量评估公式,对超短超强激光与固体靶作用所产生的X射线剂量开展了实验研究。设计了用于屏蔽靶室内超热电子和散射光子的屏蔽结构,仅测量超热电子和固体靶作用所产生的X射线剂量,并开展蒙特卡罗模拟评估其屏蔽效果。基于星光-Ⅲ激光装置对不同激光功率密度(7×10^18~4×10^19W/cm^2)下不同角度上的X射线剂量开展了实验测量,并与不同的剂量评估公式结果进行了比较分析,实验中还对不同剂量测量探测器的响应进行了比较。计算结果表明,所设计的屏蔽结构能很好地屏蔽超热电子和散射光子。实验结果表明,清华大学所提出的剂量评估公式较文献公式能更好地与实验结果吻合。随激光功率密度的增加,前向的X射线剂量较侧向增加得更快。

基于带电粒子活化法开展的SGII-U皮秒激光质子加速实验研究

基于带电粒子活化测谱方法在SGII-U装置上开展了皮秒激光靶背鞘场机制质子加速实验研究,对靶参数进行了优化.利用带电粒子活化测谱方法测量了相同激光条件、不同Cu薄膜靶厚度情况下靶背鞘场加速质子的最高截止能量、角分布、总产额以及激光能量到质子的转化效率等关键参数.实验发现, SGII-U皮秒激光靶背鞘场加速机制的最佳Cu薄膜靶厚度为10μm,对应质子最高能量接近40 MeV,质子(>4 MeV)总产额约4×10^(12)个,激光能量到质子的转化效率约2%.薄膜靶更厚或者更薄都会降低加速质子的最高截止能量;当靶厚减薄至1μm时,皮秒激光的预脉冲开始对靶背鞘场产生显著影响,质子最高截止能量急剧下降,高能质子束斑呈现空心结构;而当靶厚增加至35μm时,虽然质子束的能量有所降低,但是质子束斑的均匀性更好.

基于全装置蒙特卡罗模拟的超短超强激光装置光子剂量研究

为了准确评估激光装置靶室内、外的周围剂量当量分布情况,进一步验证剂量评估模型的合理性,利用蒙特卡罗程序FLUKA对激光靶室进行了全建模,基于现有电子源项理论模型以及XG-Ⅲ激光装置典型实验条件对靶室内外剂量情况进行了计算分析。为了更准确地测量光子周围剂量当量,需要对光子剂量测量组件进行设计,对不同能量区间电子对测量元件的总剂量贡献进行了模拟分析,在此基础上针对0~15 MeV区间电子的屏蔽进行了优化设计,最后对光子剂量测量组件的效果进行了模拟计算,并进行了设计优化。模拟结果表明靶室内、外电子周围剂量当量均高于光子剂量当量。激光靶室主观察窗内、外的电子与光子剂量水平相差约1个量级。相较于无屏蔽情况下,优化后的测量组件使电子剂量水平下降了99.7%,光子剂量水平仅衰减了30.9%,电子与光子的剂量比值约为0.12,总光子剂量中有5%是高能电子在PMMA中发生轫致辐射所贡献。模拟结果表明:经过对测量结果的合理修正,该组件可适用于强激光装置中靶室内的光子剂量测量。

强激光驱动线圈靶磁场产生及应用研究进展

介绍了以强激光驱动电容线圈靶的实验方法产生磁场的基本模型及其发展过程。对比了实验室中常用的三种磁场诊断方法,包含:B-dot、法拉第旋转以及质子背光,发现前两种方法在实验中仅可以获得距离靶较远处的有限个磁场值,通过结合模拟工具获得靶处的磁场值与测量点的值跨越几个数量级,容易产生误差;质子背光诊断可以在实验中获得全局磁场信息,能够较好地满足线圈靶磁场诊断的需求。由于线圈靶磁场强且可持续时间长,在时空分布上具有一定可控性,因此我们将其应用到了磁重联的研究中,并成功获得了重联出流等特征。另外线圈靶在带电粒子的约束和磁流体动力学研究等多方面也得到了应用。

快点火锥壳靶压缩对称性及燃料分布测量实验研究

快点火激光惯性约束聚变将压缩与点火过程分开,与中心点火方式相比,大大放宽了对压缩对称性和能量的要求,是国际惯性约束聚变研究的热点方向。在神光Ⅱ装置上开展的快点火锥壳靶预压缩实验中,背光分幅图像显示导引锥及输运丝对靶丸预压缩过程无明显影响,实验结果与一维数值模拟结果吻合也证明了该结论;实验中通过调节导引锥尺寸和相对靶丸的位置,可保证最大压缩时刻导引锥保存完好,这对超热电子的输运以及能量沉积是至关重要的。

对非线性康普顿散射几种改进物理模型的比较

非线性康普顿散射被认为是未来超短超强激光与物质相互作用中的主导性物理过程之一。目前大多数相关研究都基于一种主流的非线性康普顿散射物理模型,该模型假设辐射形成距离足够短、对初态和末态自旋求平均与求和、并忽略了参与散射的激光光子的能动量。近年来,一些研究为了在更广阔的参数空间内,更准确地描述非线性康普顿散射,也对这个主流物理模型提出了几种修正和改进。回顾了对非线性康普顿散射主流物理模型进行的几种改进和修正,介绍了它们的适用范围,分析了它们的基本性质并对其物理效应进行了简单讨论。

激光固体靶相互作用产生正电子的模拟研究

采用Monte Carlo程序Geant4对激光固体靶相互作用正电子产生进行了研究。研究了超热电子能量分布函数对正电子产生的影响,结果表明采用不同的分布函数,最多可致正电子产额约3倍的差异,分布函数的最大截止能量在30 MeV以上时正电子产额趋于饱和。研究了正电子产生与超热电子发散角的关联,结果表明发散角模型对正电子产额影响不大,而正电子角分布对超热电子发散角较为敏感,且靶背鞘场对正电子发散角的减小贡献巨大。模拟结果显示靶厚度的增加可导致正电子发散角的增大,而当靶厚度超过2mm时,发散角基本保持不变。此外,模拟了超热电子发散角、靶厚度及靶背鞘场对正电子电子份额比及正电子γ份额比角分布的影响。

激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究

基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm^2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.

多狭缝法测量激光尾场电子束发射度的模拟研究

发射度是描述束流品质的重要物理量,根据发射度和传输矩阵可以准确计算束流包络和发散角的变化。在考察传统加速器束流发射度测量方法的基础上,提出采用多狭缝法对激光尾场产生的电子束发射度进行测量。采用宽度为20μm的多狭缝板对发射度为0.05 mm·mrad的激光尾场加速电子发射度进行测量,数值模拟结果表明采用多狭缝法测量的相对误差可以控制在5%以内。并给出了不同狭缝参数对测量精度的影响,模拟结果表明狭缝宽度对发射度测量精度影响最大。狭缝宽度越窄,测量精度越高,反之,则越低。