神光Ⅱ激光裝置上keVX射線及其應(yīng)用.pdf

1、慣性約束聚變(ICF)和高能量密度物理(HEDP)研究中等離子體的密度通常都達(dá)到液體、固體、或超固體密度,要對如此高密度的等離子體內(nèi)部狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行診斷,不管是主動(dòng)式探針?biāo)褂玫墓庾邮蛄Ｗ邮?還是被動(dòng)式探測的光子或粒子,都必須具有足夠強(qiáng)的穿透能力以穿透高密度的等離子體,這就需要光子能量達(dá)到X射線波段、粒子束必須為中子或高能質(zhì)子或高能電子。因目前產(chǎn)生足夠亮度的中子、高能質(zhì)子和高能電子的研究尚不成熟,因此在ICF實(shí)驗(yàn)中除了內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)的中子探測

2、和極少量的質(zhì)子診斷演示實(shí)驗(yàn)外,對ICF中高密度等離子體進(jìn)行診斷主要使用的還是X射線。
　　本論文在神光Ⅱ激光裝置上研究長脈沖keV硬度的X射線源和X射線源在內(nèi)爆靶丸壓縮軌跡測量和X射線Thomson散射中的應(yīng)用,主要結(jié)果如下:
　　1.從實(shí)驗(yàn)上細(xì)致的研究了激光脈沖波形、輻射區(qū)域和X射線脈沖波形之間的關(guān)聯(lián)。輻射體積的時(shí)間行為主要由縱向(靶法線方向)輻射區(qū)域的時(shí)間行為決定,等離子體三維膨脹效應(yīng);導(dǎo)致最大的縱向輻射尺度在激光焦斑尺

3、寸達(dá)到飽和。長脈沖情況下,X射線飽和功率正比于焦斑尺寸的3次方,同樣激光總能量和脈寬時(shí),X射線飽和輻射功率正比于焦斑尺寸的5/3次方。從理論上發(fā)現(xiàn),同樣基頻輸出能量下,即使考慮了激光倍頻效率的因素,短波長激光也更有利于keV X射線的發(fā)射。激光作用平面靶產(chǎn)生的K-L-shell keV X射線的角分布遵從α+βcosγθ的定標(biāo)規(guī)律,K-shell輻射的角分布接近c(diǎn)os1/3θ定標(biāo)率,L-shell輻射角分布更接近c(diǎn)os1/2θ定標(biāo)率。<

4、br>　　2.實(shí)驗(yàn)測量了L-shell X射線的轉(zhuǎn)換效率,彌補(bǔ)了此前keV X射線源只有K-shell和Au M-shell實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不足。L-shell X射線因光譜范圍較寬,轉(zhuǎn)換效率明顯高于K-shell X射線;同樣激光強(qiáng)度下L-shell X射線轉(zhuǎn)換效率隨著原子序數(shù)和X射線硬度的增加而減小,與K-shell X射線的變化規(guī)律一致。任何元素所需能段的輻射都存在最佳的光強(qiáng)和最高的轉(zhuǎn)換效率,過低或過高的激光強(qiáng)度都會(huì)減小keV X射線的

5、轉(zhuǎn)換效率。
　　3.提出了利用薄靶成倍提高keV X射線源亮度的方案。使用單路激光束作用厚度較薄的靶將K-shell X射線的轉(zhuǎn)換效率提高至厚平面靶的2倍左右。從實(shí)驗(yàn)和二維輻射流體模擬上發(fā)現(xiàn),薄膜靶快速的“火箭”運(yùn)動(dòng)能夠克服焦斑尺寸對輻射體積的限制、增加激光通道之內(nèi)的等離子體數(shù)量、顯著的增大輻射體積,從而成倍提高keV X射線源的轉(zhuǎn)換效率;激光焦斑區(qū)域之外未運(yùn)動(dòng)的剩余靶物質(zhì)剛好處于高溫激光通道周圍,強(qiáng)烈的橫向電子熱傳導(dǎo)燒蝕剩余靶物

6、質(zhì),從而向“運(yùn)動(dòng)”靶平面的高溫低密度區(qū)域補(bǔ)充等離子體,增加了輻射keV X射線的等離子體數(shù)量,促進(jìn)了keV X射線的發(fā)射;薄膜靶增加的keV X射線能量和輻射區(qū)域增加的內(nèi)能得益于軟X射線能量的大幅度減小。薄膜靶存在最佳的薄膜厚度,在激光脈沖后期激光能夠擊穿靶產(chǎn)生的等離子體時(shí)(最高電子密度低于臨界密度),相應(yīng)厚度的薄膜靶產(chǎn)生的keV X射線的轉(zhuǎn)換效率最高;過薄的靶盡管輻射體積更大,但激光過早的擊穿靶產(chǎn)生的等離子體,等離子體密度急劇降低、激

7、光能量吸收份額急劇下降,使keV X射線輻射功率很快減小,導(dǎo)致總的keV X射線轉(zhuǎn)換效率降低。處在最佳薄膜厚度時(shí)，同樣激光總能量和激光脈寬時(shí)，keV X射線的輻射功率和轉(zhuǎn)換效率對焦斑尺寸的依賴性較弱，稍小的焦斑盡管橫向輻射區(qū)域較小，但小焦斑較高的激光強(qiáng)度驅(qū)動(dòng)起更劇烈的靶的“火箭”運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致縱向輻射尺度顯著增大，使得整體上輻射體積基本不變。
　　4.在神光Ⅱ激光裝置上進(jìn)行了間接驅(qū)動(dòng)DD靶丸壓縮軌跡測量實(shí)驗(yàn)，測量到了全能量驅(qū)動(dòng)厚殼靶丸