【摘要】：在超強激光與固體靶相互作用過程中,一大部分激光能量將被吸收而轉化給向前傳輸的超熱電子。由于超熱電子束能夠廣泛地應用于慣性約束聚變快點火,離子加速,微焦點X射線源,正電子產生等研究領域,超熱電子的產生和輸運研究得到了廣泛關注。一般的,這些應用希望得到一束準直性好、束斑半徑小的電子束。然而,大量的實驗和模擬結果發(fā)現激光輻照固體靶產生的超熱電子束總是具有一個比較大的發(fā)散角。目前為止,造成超熱電子發(fā)散角的影響因素還未得到完全理解,但是可以肯定的是,由于相互作用面附近的Weibel不穩(wěn)定性,電子束發(fā)散角是不可避免的。為了約束超熱電子束,人們提出了許多導引和準直的方案。最近的實驗證明利用微納陣列結構,如金屬納米絲和碳納米管,可以有效導引超熱電子。通過使用這類靶,可以人為地構造一些沿著某一方向同軸的微米或納米絲,然后控制電子沿著絲運動。然而,之前的結果均是在飛秒激光條件下完成的。一般而言,皮秒束激光更適用于高亮度X射線源、快點火以及提高正電子產額,并且高能量激光對靶結構要求更苛刻�；诖�,本文圍繞皮秒超熱電子束在微納結構靶中的輸運開展了以下四個方面研究。首先,對超熱電子束發(fā)散角的產生因素進行了分析。詳細討論了 Weibel不穩(wěn)定性發(fā)散機制,研究了相對論激光頻率和功率密度對超熱電子束發(fā)散角的影響。通過理論分析和PIC模擬,發(fā)現相對論激光與固體靶作用產生的超熱電子束的初始發(fā)散角只隨激光頻率增加而增大,與激光功率密度幾乎沒有關系。超熱電子發(fā)散角和激光功率密度無關,原因在于產生初始發(fā)散角的兩種主要機制—有質動力效應和靶前韋伯不穩(wěn)定性的橫向壓力隨激光功率密度提高的同時,超熱電子平行動量也同比增長,導致v⊥/v||值保持不變。因此,在后續(xù)研究中不考慮電子發(fā)散角隨激光功率密度的變化。之后,研究了皮秒超熱電子束在納米絲靶中的輸運。通過二維含碰撞的粒子模擬發(fā)現,表面電場在皮秒輸運過程中可以忽略,超熱電子束一開始受絲陣內生成的強磁場導引和準直。隨后由于等離子體膨脹,絲陣結構會發(fā)生分解,但是超熱電子束仍然能夠被靶內感生的電阻率磁場準直,使得超熱電子輸運效率比無碰撞時還要高。根據模擬結果,建立了一個輸運解析模型并得到了納米絲靶準直超熱電子束的臨界條件,結果顯示為了保持皮秒超熱電子束準直性,納米絲需要具有寬度和占空比。根據臨界條件設計了納米絲靶并開展了實驗,實驗結果顯示超熱電子束在靶內具有好的準直性和略微聚焦。再者,提出了利用微納多孔陣列靶操控超強激光產生的超熱電子束。通過實驗證明了微納多孔陣列靶可以控制超熱電子束方向并約束束斑大小。更有趣的是,電子束在多孔陣列內呈現特殊的環(huán)狀輸運結構。通過二維粒子模擬對實驗現象進行了分析,發(fā)現電子在靶內受到一些微結構磁場的調制。由于磁場沿軸向衰減,超熱電子平均角發(fā)散沿著納米孔逐漸減小。能量低于一定閾值的電子在中心形成一個準直的束,能量高于閾值的電子在邊緣形成等間距的環(huán)流。能量閾值與納米孔間距有關,可以通過調節(jié)納米孔間距來實現人為操控電子束準直或成環(huán)。準直束有利于提高能量集中度和空間緊湊型,環(huán)形束有利于提高強流電子束的電流極限。最后,研究了超熱電子在微納結構靶中的輸運效率。通過雙Kα示蹤層方法分別測量了超熱電子在微納多孔陣列靶和平面靶內阻抗輸運系數和射程。發(fā)現對于MeV級的電子,其射程大約在100μm左右,當電子輸運距離等于阻抗射程時,電子束的能量降低為初始的25%。通過實驗結果,我們發(fā)現超熱電子在微納結構靶中的射程比平面靶中高三倍,輸運效率高于平面靶并且與平面靶的輸運效率比值隨著輸運距離增加。在厚靶中,超熱電子在微納結構靶中的輸運效率可能比平面靶中高一個量級。因此,可以利用微納結構靶來有效提高超熱電子輸運效率。
【圖文】：

圖１．２邋相對論激光與固體ＩＥ相互作用主要物理過程丨２３丨逡逑

Ｔａｒｇｅｔ邋＼邐“逡逑Ｎｕｃｌｅａｒ邋ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ逡逑Ｎｕｃｌｅａｒ邋ｒｅａｃｔｉｏｎ逡逑圖１．２邋相對論激光與固體ＩＥ相互作用主要物理過程丨２３丨逡逑根據非相對論洛倫茲公式，電子在激光電場中的振蕩速度為ｖ？５＝ｅＡ／Ａ？，當激光逡逑強度％？１時，電子振蕩速度將接近光速，此時激光強度進入相對論區(qū)域。逡逑相對論激光研究范圍（Ｉ＞１０１８邋Ｗ／ｃｍ２）又稱為強場物理，其與物質相互作用與非相對論逡逑情況下大有不同。當激光達到相對論強度％邋＞１，等離子體將出現相對論誘導自透明［２４］，逡逑做相對論運動的電子質量修正為７％，激光可以穿入的等離子體臨界密度變?yōu)�；如果逡逑固體靶前存在一定標長的預等離子體，其密度可以從固體密度下降到低于％，在其中又逡逑會發(fā)生激光相對論自聚焦Ｐ５］、有質動力鉆孔［２６］和固體高次諧波產生［２７］等現象，同時通過逡逑參量不穩(wěn)定性［２８］、共振吸收和有質動力加速等使激光通道上的電子獲得能量
【學位授予單位】：中國工程物理研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TL632

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本文編號：2667350