脉冲激光气相沉积技术及其在ICF薄膜靶制备中的应用

在ICF实验及天体物理的辐射不透明实验中,经常用到多层薄膜靶,激光脉冲气相沉积(PLD)技术是制备多层薄膜靶的较好方法。论述了PLD技术的原理、实验方法和装置的设计,用该方法初步制备了原子级光滑的Cu及Cu Fe薄膜。Cu薄膜的均方根粗糙度为0.2nm,Fe薄膜的均方根粗糙度为0.4nm。

ICF分解实验中的平面调制靶和薄膜靶的研制

本工作研制了用于惯性约束聚变ICF分解实验模拟聚变靶丸表面粗糙度和驱动激光空间不均匀性对R T不稳定性作用的平面调制靶和平面薄膜靶。以激光干涉法结合图形转移工艺获得波长20～100μm、振幅0 0～4 0μm的正弦调制图形的模板,再将调制图形转移至溴代聚苯乙烯薄膜表面,制备出ICF实验用溴代聚苯乙烯平面调制箔靶;以半导体工艺结合自截止腐蚀工艺制得厚度4μm左右的自支撑Si平面薄膜靶。Si膜的表面粗糙度为几十纳米。对所研制的两种靶型的参数进行了测量。

飞秒激光-薄膜靶相互作用中超热电子产额和激光转化效率

在激光能量130mJ(靶面),脉宽60fs,波长800nm,对比度1∶10-6,激光与靶法线成45°夹角, P偏振,靶面激光峰值功率密度约为7.0×1017W·cm-2,无预脉冲的条件下,采用电子谱仪与经γ标准源标定 的LiF热释光探测器(TLD)相配合,测量了飞秒激光 薄膜靶相互作用中产生的超热电子能谱。根据所测的能 谱,推算出超热电子的产额和激光能量转化为超热电子能量的效率,在靶法线方向分别为1.19×1010/sr和 4.55%/sr,在激光反射方向分别为1.83×109/sr和0.76%/sr。结果显示,不同方向的超热电子产额和激光转 化效率有所不同,原因在于激光 等离子体相互作用产生的超热电子构成各向异性的分布。

热蒸发制备自支撑Al平面薄膜靶的参数测量

以热蒸发工艺制备微结构可控的自支撑 Ａｌ平面薄膜靶。该靶用于惯性约束聚变（ Ｉ Ｃ Ｆ）精密化分解实验，研究驱动激光光束不均匀性对瑞利泰勒流体力学不稳定性的影响。以卢瑟福背散射（ Ｒ Ｂ Ｓ）、俄歇电子能谱（ Ａ Ｅ Ｓ）、扫描电子显微镜（ Ｓ Ｅ Ｍ ）和αｓｔｅｐ ５００ 台阶仪测量 Ａｌ 薄膜靶的靶参数。 Ａｌ膜厚度为微米量级，表面稳定的氧化层厚度约为 ７ ｎｍ ，膜密度为２３１２ ｇ·ｃｍ － ３，颗粒度０１ μｍ ，表面粗糙度平均值为５３ ｎｍ 。测试结果表明：热蒸发工艺制备出的自支撑 Ａｌ平面薄膜靶的厚度、表面平整度及均匀性基本符合 Ｉ Ｃ Ｆ 分解实验所提出的技术要求。

激光-薄膜靶相互作用快电子和自生磁场的各向异性分布

采用飞秒激光与金属薄膜靶相互作用测量了快电子的空间分布.结果显示,快电子主要集中于激光反射方向和与激光成60°方向发射,呈现出明显地各向异性;其原因在于反射激光和共振吸收机制加速电子.采用OMA谱仪测量了飞秒激光与金属薄膜靶相互作用产生的二倍频散射光谱,由其伴线结构推算出的自生磁场大小为MG量级.结果显示,自生磁场的大小与快电子空间分布存在密切关联.初步估算由快电子发射形成的电流密度约10^(10-11)Acm^(-2),这与国外计算机模拟的电流密度基本一致,也许正是这个由快电子发射形成的强电流成为激发自生磁场的主要原因.

紫外超短激光驱动铜薄膜靶产生质子的实验研究

在中国原子能科学研究院的放电泵浦的紫外KrF超短脉冲激光放大装置上,开展了紫外超短脉冲激光与铜薄膜靶相互作用加速产生质子束的实验研究。紫外超短脉冲激光输出能量为30mJ、波长为248nm、脉冲宽度为500fs,采用离轴抛物面镜聚焦获得激光聚焦功率密度为1.2×1017 W/cm2。激光以45°入射5μm厚的铜薄膜靶,质子最大能量超过300keV。紫外超短脉冲激光的高对比度和高吸收效率是紫外激光加速的优点。

氚钛薄膜靶中氚深度分布的反演

金属氚化物中体相氚的总量和深度分布测定是体相中氚行为研究的难点,利用氚β衰变诱发X射线谱的氚分析技术分析了金属薄膜靶中体相氚的深度分布情况,建立了薄膜靶中氚深度分布计算模型,利用Tikhonov正则化方法反演了薄膜靶中体相氚的深度分布。反演结果表明,正则化数值算法能够有效提高对薄膜靶法向非均匀性的分辨。

超短激光与金薄膜靶相互作用产生的质子能谱

在能量11 mJ、波长744 nm、脉宽120 fs、功率密度6×1016 W/cm2的超短脉冲装置上,开展了超短脉冲激光与2.1μm和5.0μm金薄膜靶相互作用产生质子束的实验研究。利用Thomson谱仪测量了产生的质子能谱,发现利用2.1μm金薄膜靶时,质子能谱由于质子源数量不足而在74 keV附近出现单能峰,5.0μm的金薄膜靶产生的质子计数和能谱均比2.1μm的金薄膜靶产生的低,主要原因是超热电子穿过薄膜靶时出现的能量损失和几何倾斜降低了电子回流所致。

激光-薄膜靶相互作用中前向超热电子的产额及能量转化效率

采用飞秒激光与薄膜靶相互作用测量了前向超热电子的分布和能谱。结果显示,前向超热电子主要集中在靶背法线方向附近区域发射,而超热电子的能谱呈双温类麦克斯韦分布。根据所测超热电子能谱和分布推算出前向超热电子总产额约1.23×108shot-1和前向超热电子的总能量约4.65×1011keV.shot-1,最后给出激光能量转化为前向超热电子能量的转化效率约5.72×10-4,这些结果与文献[17]的较好地一致。

惯性约束聚变用合金薄膜靶制备方法

阐述了与制备惯性约束聚变 (ICF)用合金薄膜靶有关的理论和方法 ,讨论了ICF合金薄膜靶制备中存在的问题与解决方案。对制备方法的选择。

相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用产生快电子的模型

该文研究的是两束相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用之后产生快电子的一种简单自洽模型理论 .由理论推知 ,当满足一定条件时 ,由于激光有质动力与靶电子的谐振作用 。

旋涂法制备ICF分解实验用薄膜靶

采用旋涂工艺,以K9玻璃为衬底,制备低表面粗糙度的惯性约束聚变(ICF)分解实验用的聚苯乙烯(CH)和聚氯乙烯(PVC)平面薄膜靶,对它们的厚度、宽度和表面光洁度等靶参数进行测量.结果表明,CH和PVC平面薄膜靶的厚度分别为18μm和6μm,对应的宽度分别为200μm和300μm.CH和PVC平面薄膜靶都具有较好的表面光洁度,它们平均粗糙度Ra的最大值分别3.7 nm和4.5 nm,TIR表面最高点与最低点差值TIR的最大值分别58.4 nm和56.8 nm.

X射线激光Nd薄膜靶表面氧化特性研究

利用石英晶体振荡技术测量了不同环境中稀土元素 Nd薄膜靶表面氧化速率 ,用俄歇电子能谱 ,扫描电镜 ,X射线衍射 ,X射线光电子能谱分析了 Nd薄膜表面氧化过程 ,发现保存环境对靶的表面氧化行为有重要影响。空气中水分是引起 Nd快速氧化的关键因素。表面氧化层为团聚状的非晶结构 ,氧化物与金属的体积比较小可能是引起 Nd薄膜较易氧化的原因。Nd薄膜靶表面覆盖有一层氢氧化物 ,其厚度按保存在真空、干燥空气和潮湿空气环境而依次递增。

预脉冲对超短激光与薄膜靶相互作用加速产生质子的影响

采用波长为744nm、聚焦功率密度为6×1016 W/cm2的超短激光分别与两种不同厚度的铝薄膜靶相互作用,根据鞘层加速机制在靶后法线方向测量质子束角分布和能谱随靶厚度的变化,研究了预脉冲对质子加速的影响。随着薄膜靶厚度的降低,质子计数迅速增加,但当薄膜靶厚度太薄时,激光预脉冲形成的预等离子体影响了薄膜靶的面型,导致质子横向发散角迅速增加,而薄膜靶面型的破坏减少了激光与等离子体相互作用过程中的电子回流,从而降低了超热电子的产生和鞘层加速电场的维持,影响了质子的加速能谱。因此,超短脉冲激光与薄膜靶相互作用加速产生质子束,应尽量降低预脉冲,不能采用太薄的薄膜靶,以避免预等离子体影响薄膜靶的面型,导致质子的能量降低、发散角增大。

Nd薄膜靶表面氧化过程研究

用Ａｕｇｅｒ电子能谱（ＡＥＳ）对Ｘ光激光实验使用的Ｎｄ薄膜靶的表面氧化进行了分析，结合Ａｒ离子束刻蚀进行元素的深度分布剖析，得到了表面氧化层厚度，所得结果与Ｒｕｔｈｅｒ－ｆｏｒｄ背散射（ＲＢＳ）方法测量的结果相吻合。实验表明，样品暴露在空气中２０至３０ｍｉｎ，氧化即基本达到饱和，相应的氧化层厚度约为２０ｎｍ。

飞秒激光-薄膜靶相互作用中快电子和快质子前向发射的研究

采用飞秒激光与金属薄膜靶相互作用,测量了前向(靶背方向)发射的快电子和快质子。实验显示:快电子主要沿靶背法线附近发射且有较大的发散角,这与PIC模拟的结果一致;快质子发射方向与快电子大体一致,但其发散角远小于快电子。原因在于电子产生和加速在靶前(激光辐照面),在输运中受过密等离子体和靶的散射;而质子来源于靶背的含H污染物,并由靶法线鞘加速机制(TNSA)加速,未受散射地到达探测器。快电子和快质子能谱给出的快电子有效温度和质子最大能量较好地满足定标关系Emax=αTh,其中α≈2。

X射线激光Nd,Dy,Er和Yb薄膜靶表面氧化过程的石英晶振方法研究

用电子束蒸发方法在抛光玻璃衬底上分别制备了X射线激光用的稀土元素Nd ,Dy ,Er和Yb薄膜靶。用石英晶片作为陪片 ,通过测量晶振频率的方法研究了薄膜靶在真空、干燥空气及潮湿空气等不同环境中不同阶段的氧化层增长过程。发现除Yb薄膜在淀积结束后的干燥空气和潮湿空气环境中的氧化过程遵循倒对数规律之外 ,其它所有的氧化过程均可用对数规律很好地进行拟合。淀积结束后充入大气时 ,薄膜表面的快速氧化过程仅为数分钟。在相同的环境中 ,Nd氧化速率最高 ,Er和Dy其次 ,Yb最低 ;在不同的环境中 ,Nd受环境湿度的影响最大 ,Er和Dy其次 ,Yb最低。

超强激光驱动薄膜靶谐波辐射的模拟研究

为了研究超强激光与薄膜靶相互作用在入射光反射方向引起的高次谐波辐射,基于在入射激光的透射方向,相干同步辐射机制会导致高次谐波的产生,采用粒子模拟方法研究了超强激光驱动固体密度薄膜靶(即高密度薄膜靶)高次谐波辐射在入射激光透射和反射方向的空间分布。结果表明,当靶厚小于激光趋肤深度、靶等离子体密度远大于临界密度(800Nc)时,在透射方向,相干同步辐射机制会导致高次谐波辐射,同时在反射方向,存在相对论镜面振荡机制驱动的谐波场辐射,证明了在超强激光-薄膜靶相互作用过程中两种谐波会产生共存机制;讨论了在两种产生机制下,靶厚度对谐波辐射阶次的影响,发现靶厚度超过200nm,透射方向谐波阶次达到65阶以上。该研究对深入理解超强激光-薄膜靶驱动高次谐波的产生及阿秒X射线光源的未来发展具有一定的理论意义。

飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前后超热电子能谱的比较

采用电子谱仪测量了飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前和靶后产生的超热电子能谱.结果显示:靶前超热电子能谱的峰出现在约430keV处,靶后超热电子能谱的峰出现在约175keV处;靶前超热电子的有效温度分别为218keV和425keV,靶后超热电子能谱出现“软化”现象,其有效温度分别为96keV和347keV.靶前和靶后超热电子能谱明显不同是由于超热电子输运穿越过密等离子体和冷材料的靶,并在靶后建立Debye鞘,鞘电场使靶后超热电子能谱峰向低能端移动,鞘电场和自生磁场导致靶后超热电子能谱产生“软化”,估算出的鞘电场小于激光电场.

Ge薄膜X光激光靶的研制

针对Ｇｅ薄膜应力较大的特点，采用热蒸发方式制备Ｇｅ膜。研究了不同脱膜剂和基片温度对Ｇｅ膜结构的影响。采用新的反粘脱膜工艺，制备出了比较满意的Ｇｅ薄膜靶。