超短超強激光與氣體團簇相互作用實驗研究.pdf

1、最近幾年來，超短脈沖激光與團簇相互作用的理論和實驗研究一直是一個非?；钴S的領(lǐng)域。團簇靶具有體密度大，激光吸收率高(>80％)，無殘骸等特點，激光與其相互作用能產(chǎn)生高能離子(MeV量級)，中子以及非常強的X射線輻射。因此，研究這種相互作用對激光核聚變和X射線激光研究等有重大意義。 論文首先對激光技術(shù)的發(fā)展以及由此產(chǎn)生的一門嶄新學科一超強超短激光與物質(zhì)相互作用(或稱為強場物理)的研究進展作了簡單介紹，重點介紹了國內(nèi)外團簇源的制備、診

2、斷和激光與團簇相互作用實驗的進展；簡單介紹了團簇的定義、特點等基本知識，并用數(shù)值方法對團簇源的特性進行了模擬計算；全面地闡述和比較了團簇尺寸、密度的各種診斷方法；敘述了超短超強激光與氣體團簇相互作用的基本基礎(chǔ)理論；詳細地介紹了本實驗室的團簇源制備系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)的建立過程，分析和討論了團簇特性診斷實驗的結(jié)果；最后介紹了本實驗室超強超短激光與低溫氘團簇相互作用實驗的建立過程和實驗結(jié)果。 本文較為系統(tǒng)地研究了超短脈沖激光與氣體團簇的相

3、互作用，主要工作包括四個部分：氣體團簇形成過程的模擬計算，團簇制備系統(tǒng)的建立，團簇源的特性診斷和超短超強激光與低溫氘團簇相互作用實驗。 首先采用Clapeyron微分方程和汽液平衡方程，計算得到20K～38K區(qū)域內(nèi)不同溫度下溫度的氘氣汽化熱和熵變，并且繪制出了氘的溫熵 (T—S) 圖。其次，從流體力學角度出發(fā)，計算得到氣體密度、壓強、溫度均沿噴嘴軸向的空間分布，發(fā)現(xiàn)這三個物理量沿軸向呈數(shù)量級降低。分析氣體背景壓強、初始溫度、噴嘴

4、幾何尺寸等因素對氣體密度的影響，得到以下結(jié)果：氣體密度正比于背景壓強，反比于初始溫度；大直徑、小角度的噴嘴易產(chǎn)生高密度氣體流；相同條件下雙原子分子氣體(例如氘氣)密度大約是單原子分子氣體(氬氣、氪氣)的1.2倍。最后結(jié)合汽液平衡方程和氣體密度、壓強、溫度的軸向分布，確定了團簇開始形成的位置。這個位置與氣體初始狀態(tài)(背景壓強、初始溫度)、噴嘴幾何形狀有關(guān)。這些模擬計算為團簇制備系統(tǒng)的設(shè)計提供了重要的參考。 建立了常溫團簇和低溫團簇

5、的制備系統(tǒng)：分別可以在常溫高壓(70atm)，低溫(-170℃)高壓(65atm)的狀態(tài)下穩(wěn)定工作。常溫團簇制備系統(tǒng)采用超聲速噴射法在背景壓強65arm、初始溫度300K條件下制備出大尺寸高密度的氬團簇和氪團簇，其尺寸和密度分別為1200原子/團簇、2500原子/團簇，3.0×10<'19>/cm<'3>、2.8×10<'19>/cm<'3>。低溫團簇制備系統(tǒng)采用超聲速噴射法在背景壓強48atm、初始溫度100K條件下制備出大尺寸(23

6、60原子/團簇)、高密度(3.5×10<'19>個氣體原子/cm<'3>)的氘團簇源。上述團簇源的成功建立為激光與團簇相互作用實驗奠定了基礎(chǔ)。 搭建了瑞利散射團簇尺寸診斷系統(tǒng)和M-Z干涉儀氣體密度診斷系統(tǒng)，并與團簇制備系統(tǒng)成功地實現(xiàn)了時間同步和空間同步。(1)采用瑞利散射法測量了氬、氪、氘團簇的相對尺寸，討論了影響團簇生長的各種因素，優(yōu)化了大尺寸團簇生長的實驗條件。具體的實驗結(jié)果如下：測量不同背景壓強下氘團簇的尺寸，擬合得到這兩

7、者的關(guān)系為N<,c>∝P<,0><'2.89>;改變液氮冷凍時間，比較不同溫度下氘團簇尺寸隨背景壓強、相對延遲時間的變化；發(fā)現(xiàn)溫度對團簇尺寸影響非常大，甚至決定了低溫團簇是否形成；比較兩種不同尺寸的錐形噴嘴(喉口直徑和錐角分別為0.6mm、6<'0>；0.3mm、10<'0>)制備的團簇尺寸，發(fā)現(xiàn)大喉口直徑、小錐角噴嘴易形成大尺寸團簇；比較相同實驗條件下氬團簇、氪團簇的尺寸，得到氪團簇尺寸是氬團簇尺寸的3～4倍。這些實驗結(jié)果與Hagen

8、a的半經(jīng)驗公,式吻合得較好。(2)采用M-Z干涉儀測量離噴嘴出口0mm、1mm、2mm處氬、氪、氘的氣體密度，并且測量氣體密度隨背壓、初始溫度、噴嘴幾何尺寸的變化情況，實驗結(jié)果與計算結(jié)果基本符合。(3)結(jié)合瑞利散射實驗和M-Z干涉儀實驗，改變診斷光與閥門的相對延遲時間，分別測量氬、氪、氘團簇尺寸和氬、氪、氘氣體密度隨相對延遲時間的變化情況，發(fā)現(xiàn)尺寸和密度均在3ms～25ms區(qū)間達到最大值，說明系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)。認為此時間演化曲線并不是描

9、述單個團簇的生長過程，而是整個團簇源的形成過程。并且此時間演化曲線主要決定于閥門的機械特性。團簇源的特性診斷確定了激光與團簇相互作用的最佳時間和最佳位置，為激光與團簇相互作用實驗提供了重要的參考。 在中國工程物理研究院激光聚變研究中心20TW裝置上進行了超強超短激光與低溫氘團簇的相互作用實驗。這是國內(nèi)首次實現(xiàn)飛秒激光與氘團簇(背景壓強38atm，初始溫度100K)的相互作用，并觀測到了1keV到100keV能量的氘離子，平均能量