超短超强激光与固体靶相互作用中 超热电子的角分布.doc

1、超 短 超 强 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 中 超 热 电 子的 角 分 布 摘 要 ： 用 3TW 超 短 超 强 激 光 器 进 行 了 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 实 验 。 采 用 电 子 角 分 布 仪 和 LiF 热 释 光 探 测 器 探 测 了 超 热 电 子 的 角 分 布 。 测 量 结 果 显 示 ： 能 量 较 髙 的 电 子 发 射 的 定 向 性 好 于 能 量 较 低 的 电 子 ； 能 量 较 低 的 电 子 呈 溅 射 状 发 射 ； 能 量 较 高 的 电 子 发 射 出 现 两 个 尖 锐 的 发 射 峰 ， 其 中 ， 激 光 反

2、 射 方 向 的 超 热 电 子 发 射 峰 则 由 反 射 激 光 、 有 质 动 力 径 向 分 量 、 侧 向 拉 曼 散 射 等 加 速 机 制 共 同 作 用 的 结 果 ， 靠 近 靶 法 线 方 向 的 超 热 电 子 发 射 峰 是 由 其 振 吸 收 机 制 产 生 ， 且 理 论 预 言 与 实 验 结 果 相 吻 合 。关 键 词 ： 超 短 超 强 激 光 ； 等 离 子 体 ； 超 热 电 子 ； 角 分 布 ； 加 速 机 制采 用 啁 啾 脉 冲 放 大 (CPA)技 术 1的 台 式 超 短 超 强 （ US-UI)固 体 激 光 器 的 出 现 ， 为 激 光

3、 与 物 质 相 互 作 用 的 研究 开 辟 了 一 个 崭 新 的 领 域 23。 所 谓 超 短 是 指 激 光 脉 冲 长 度 rp 为 30fmi(10fs) 3mm(10Ps)， 而 超 强 范 围 开 始 于1017W cm-2 直 到 目 前 所 达 到 的 约 1021W cm-2， 波 长 800nm,脉 冲宽 度 60fs， 重 复 频 率 10Hz， 激 光 能 量 波 动 在 2%以 内 4 采 用 自 相 关 技 术 测 得激 光 脉 冲 对 比 度 约 为 1 : 1(TS(在 主 脉 冲 到 达 前 2ns) s实 验 布 局 如 图 1 所 示 ， 8 面 柱

4、 形 的 靶 室 侧 壁 上 每 一 面 接 有 一 个 法 兰 ，通 过 法 兰 口 将 压 缩 后 的 激 光 引 人 靶 室 。采 用 /10 离 轴 抛 物 面 镜 将 能 量 为 125mJ(靶 面 ） ， 光 束 直 径 为+40mm 的 激 光 聚 焦 在 厚 度 为 20pm 的 Cu 或 lOOpmA 的 1 靶上 ，激 光 与 靶 法 线 方 向 成 45人 射 ，P 偏 振 ， 靶 架 由 一 个 2 维 步 进 电 机 控 制 ， 确保 每 发 激 光 能 够 打 在 靶 面 上 的 不 同 位 置 。 抛 物 面 镜 架 由 另 一 个 步 进 电 机 控 制 ，用

5、于 调 节 激 光 的 聚 焦 。 靶 室 钋 设 置 一 台 长 焦 距 显 微 镜 ， 用 于 监 测 激 光 聚 焦 状态 ； 同 时 设 置 一 台 塑 料 闪 烁 体 并 与 示 波 器 连 接 ， 用 于 监 测 打 靶 过 程 中 X 射 线的 发 射 。 采 用 针 孔 相 机 配 合 X 射 线 CCD 测 量 激 光 焦 斑 ， 典 型 测 量 结果 见 图 2所 测 焦 斑 直 径 约 25ym(FWHM)， 这 样 给 出 靶 面 激 光 峰 值 功 率 密 度 约 4.0X1017W* cm-2。Fig. 2 Image of the focus of the inc

6、idence laser 图 2 针 孔 相 机 测 量 的 激 光 焦 斑采 用 电 子 角 分 布 仪 和 LiF Z-/ljjR (1)式 中 :2 为 离 子 电 荷 数 ， J 为 激 光 强 度 ， 以 10tsW . cm为 单 位 ；1? 为 激 光 能 量 转 化 为 超 热 电 子 的 效 率 ，)j = 为 焦 斑 半 径 ;A为 激 光 波 长 和 A 单 位 均 为 对 我 们 的 实 验 条 件 ， 估 算 的 质 子 最 大 能 量 约 为 0. 63MeV。 这 样 ， 选 择 厚 度为 50 和 100Mm 铝 膜 作 为 滤 片 ， 经 计 算 ,50pm

7、的 铝 膜 可 挡 掉 能 量 低 于 2. 25MeV 的 质 子 及 能 量 小 于 80keV 的 电 子 ，而 100fn 的 铝 膜 可 挡 掉 能 量 低 于 3MeV 的 质 子 及 能 量 小 于 120keV 的 电 子 。2 实 验 结 果为 了 确 保 LiF TLD 所 记 录 的 信 号 完 全 来 自 于 超 热 电 子 ,需 扣 除 X 射 线 在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 。 因 此 ， 在 测 量 趄 热 电 子 角 分 布 之 前 ， 我 们 首 先 测 量 硬 X 射 线 的 角 分 布 根 据 同 类 实 验 的 结 果 ， 超 热 电 子

8、 最 大 能 量 约 为 2MeV22 这 样 在 LiF TLD 前 放 置 5mm 铝 板 (它 能 挡 掉 2. 20MeV 以 下 的 趄 热 电 子 )可 以 测 量 硬 X 射 线 的long-focu* microscope160 ISO 200 220pixel3/-JJC*J-EFig. 3 Angular distribution of the X-ray on incidence plane with an incidence angle of 45。 图 3 硬 X 射 线 的角 分 布x 射 线 本 底 的 剂 量 。(b) 20 incidence角 分 布 。 图

9、 3 为 激 光 45人 射 时 硬 X 射 线 角 分 布 的 测 量 结 果 (累 计20 发 ） ， 它 显 示 X 射 线 在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 在 9 X 10-5Gy 以下 并 主 要 在 激 光 反 射 方 向 附 近 发 射 。图 4 给 出 了 激 光 以 不 同 人 射 角 辐 照 在 20pm Cu 靶 上 时 超 热 电子 角 分 布 的 实 验 结 果 （ 累 积 20 发 ， 50pm 的 A1 膜 作 为 滤 片 ， 能 量大 于 80keV 的 电 子 角 分 布 ） 。 超 热 电 子 的 角 分 布 有 如 下 特 点 :不 同人 射

10、角 的 超 热 电 子 角 分 布 均 呈 溅 射 状 ;激 光 垂 直 人 射 (0人 射 ） 时 ，超 热 电 子 在 靶 前 几 乎 成 对 称 分 布 ， 随 着 人 射 角 的 增 大 ， 这 种 对 称 性消 失 ， 超 热 电 子 主 要 集 中 在 激 光 反 射 方 向 和 靶 法 线 方 向 附 近 区 域 发射 ;从 超 热 电 子 角 分 布 的 纵 坐 标 可 以 看 出 ， 20人 射 时 ， 超 热 电 子在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 最 大 （ 7Xl(T2Gy)， 垂 直 人 射 和 45人 射次 之 （ 1. 2 1. 4X 10_2Gy)，

11、60人 射 时 最 小 （ 3Xl(T3Gy);靶 背 的LiF TLD 仍 有 超 过(c) 45 incideiice (d) 60incideiiceFig. 4 Angular distributions of hot electrons on incidence plane with different angles of incidence 图 4 不 同 人 射 角 下 超 热 电 子 的 角 分 布图 5 给 出 激 光 以 45人 射 在 lOOfrn!的 A1 靶 上 时 超 热 电 子 的 角 分 布 （ 累 积 20 发 ， lOOm A1 膜 作 为 滤 片 ，能 量

12、 大 于 120keV 的 电 子 角 分 布 ） 。 超 热 电 子 出 现 了 两 个 明 显 的 发 射 峰 ： 一 个 靠 近 激 光 反 射 方 向 （ 90)， 角 宽度 约 为 20(FWHM);另 一 个 位 于 60， 角 宽 度 约 为 10(FWHM)。 这 里 ， 超 热 电 子 在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 大 约 为 0. 35X10-2Gy3 讨 论(1) 硬 X 射 线 的 角 分 布 测 量 显 示 ， X 射 线 在 LiF TLD 中 产 生 的剂 量 比 超 热 电 子 在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 小 两 个 量 级 以 上

13、 。 因 此 ， 超 热 电 子 角 分 布 测 量 中 X 射 线 的 影 响 完 全 可以 忽 略 。 图 4 和 图 5 完 全 可 以 认 为 是 超 热 电 子 的 角 分 布 ， 而 无 须 扣 除 X 射 线 的 本 底 剂 量 。(2)比 较 图 3， 图 4(c)和 图 5 可 以 看 出 ： X 射 线 具 有 更 宽 的 发 射 区 域 ； 80keV 以 上 的 超 热 电 子 呈 溅 射 状 发 射 ，且 小 于 X 射 线 发 射 区 域 ； 而 120keV 以 上 的 超 热 电 子 具 有 尖 锐 的 发 射 峰 。 它 说 明 越 是 高 能 的 电 子 定

14、 向 性 越 好 ，这 对 于 “快over 120keV on incidence plane.Fig. 5 Angular distribution of hot electrons with图 5 能 量 大 于 120keV 的 电 子 角 分 布对 于 这 个 结 果 ， 可 作 如 下 定 性 的 解 释 ： 在 激 光 -等 离 子 体 相 互作 用 中 ， X 射 线 来 自 于 超 热 电 子 的 轫 致 辐 射 ， 具 有 各 种 能 量 的 超 热 电 子有 较 大 的 发 射 区 域 24(对 应 于 X 射 线 较 大 的 发 射 区 域 ） ， 而 所 测 量 的

15、仅 为 80keV 以 上 的 超 热 电子 角 分 布 。 因 此 ， X 射 线 发 射 区 域 大 于 超 热 电 子 的 发 射 区 域 。(3) 在 图 4 中 ， 除 垂 直 人 射 外 （ 0人 射 ） ， 在 靶 法 线 附 近 均 有 大 量 的超 热 电 子 发 射 ， 这 与 共 振 吸 收 或 真 空 加 热 所 预 言 的 超 热 电 子 发 射 方 向 一致 。为 了 确 认 占 主 导 地 位 的 加 速 机 制 ， 需 要 确 定 预 等 离 子 体 的 密 度 标 长 L = /(3/3x)和电 子 的 抖 动 振 幅 Xosc。 按 照 Alexei Zhi

16、dkov 等 25的 流 体 力 学 模 拟 ， 对 我 们 的激 光 条 件 ， 典 型 的 预 等 离 子 体 密 度 标 长 为 L =(1 2)A(A 为 激 光 波 长 ） ， 而 电 子 抖 动 振 幅 为Xosc = eE0/meu as 0. 07A (2)式 中 ： 。 =777“， 是 激 光 电 场 振 幅 ;e 为 电 子 电 量 ； 为 电 子 静 止 质 量 ； W()=27r： /A 为 激 光 圆 频 率 。由 于 真 空 加 热 要 求 L 乂 。 ， 共 振 吸 收 要 求 ！ 乂 。 26。 对 于 我 们 的 实 验 条 件 ， 等 离 子 体 密 度

17、标 长 L=(l 2)A， 或 L=(15 30)乂 。 。 因 此 ， 从 理 论 上 可 以 确 定 共 振 吸 收 是 主 要 的 加 热 机 制 。另 一 方 面 ， 激 光 20人 射 时 超 热 电 子 在 LiF TLD 中 产 生 的 剂 量 比 其 它 角 度 人 射 时 更 大 ， 说 明 激 光 以 20人 射时 吸 收 效 率 最 高 。 K. G. 的 粒 子 模 拟 结 果 表 明 ， 共 振 吸 收 效 率 在 激 光 以 20人 射 时 达 到 最高 。 这 从 实 验 上 进 一 步 证 明 共 振 吸 收 是 主 要 的 加 热 机 制 。(4) 靶 背 的

18、 LiF TLD 仍 有 超 过 X 射 线 本 底 的 剂 量 ， 这 预示 着 靶 背 也 有 超 热 电 子 或 离 子 。 由 于 在 LiF TLD 前 已 经 放 置 了 50Mm 的 铝 膜 ， 质 子 的 影 响 可 以 排 除 ， 因 此 ， 这 样的 信 号 肯 定 是 超 热 电 子 所 产 生 。 但 20Mm 的 Cu 靶 对 激 光 是 不 透 明 的 ， 因 此 ， 靶 背 的 超 热 电 子 必 定 是 在 靶 前 受 激 光加 速 并 能 穿 过 靶 的 能 量 较 高 的 电 子 。(5) 重 点 讨 论 图 5 中 超 热 电 子 的 双 峰 分 布 。

19、在 LiF TLD 前放 置 100Mm 的 铝 膜 时 ， 能 量 较 低 的 超 热 电 子 被 滤 掉 ， 超 热 电 子 出 现 了 两 个 尖 锐 的 发 射 峰 。靠 近 靶 法 线 方 向 （ 60)的 超 热 电 子 发 射 峰 主 要 是 由 共 振 吸 收 机 制 产 生 。 根 据 H. Ruhl 等 28的 理 论 ， 共 振 吸 收产 生 的 超 热 电 子 ， 其 发 射 角 满 足tan = + -1 式 中 J 是 激 光 与 靶 法 线 之 间 的 夹 角 （ 入 射 角 ） 4是 超 热 电 子 发 射 方 向 与 靶 法 线 之 间 的 夹 角 （ 发 射

20、 角 ） ； JA2是 激 光的 规 格 化 强 度 ， 以 W cm-2 nm2 为 单 位 5 aT1 8. 0 X 1017 W cm-2 pm2。 实 验 中 ， JA2 = 2. 56 X 1017 W cm-2 Mm2。 （ 3)式 计 算 出 14%即 超 热 电 子 发 射 方 向 与 入 射 激 光 大 约 成 59， 这 与 实 验 结 果 非 常 好 地 吻 合 。靠 近 激 光 反 射 方 向 （ 90)的 超 热 电 子 发 射 峰 不 是 由 共 振 吸 收 机 制 所 产 生 的 。 按 照 Y. Sentoku 等 16的 公 式 ，超 热 电 子 发 射 角

21、满 足sin 矿 =-sin (4)式 中 y 是 超 热 电 子 平 均 能 量 的 相 对 论 因 子 。 假 设 发 射 角 少 =40(超 热 电 子 发 射 方 向 与 入 射 激 光 成 85)， （ 4)式 将给 出 7 =11， 这 预 示 着 超 热 电 子 的 平 均 能 量 达 到 5.6MeV， 而 同 类 实 验 22以 及 我 们 的 能 谱 测 量 29显 示 ， 超 热 电 子最 大 能 量 只 有 2MeV。在 反 射 方 向 加 速 电 子 的 机 制 主 要 有 反 射 激 光 、 有 质 动 力 径 向 分 量 、 侧 拉 曼 散 射 3以 及 鞘 逆

22、轫 致 吸 收 31。Y. Sentoku 等 16指 出 ， 反 射 激 光 加 速 电 子 的 机 制 为 ： 当 强 激 光 斜 入 射 到 过 密 等 离 子 体 上 时 ， 反 射 激 光 在 反转 点 被 调 制 并 加 速 冠 状 等 离 子 体 中 的 电 子 ； 由 于 反 射 激 光 的 调 制 和 自 聚 焦 ， 电 子 的 加 速 被 增 强 ， 同 时 产 生 态 磁 场通 道 并 且 沿 激 光 反 射 方 向 的 直 高 能 电 子 。 这 种 加 速 机 制 可 能 对 反 射 方 向 的 超 热 电 子 发 射 峰 有 贡 献 。尽管激光规格化强度 W2=2.

23、56X1017W cm-2 fim2c/c)2 2/k0L (5)式 中 是 电 子 在 激 光 场 中 的 振 荡 速 度 是 激 光 的 波 数 。 我 们 所 用 的 激 光 满 足(xw/c)2 0. 19; 2/k0L = 0. 16 (6)故 有 可 能 产 生 受 激 拉 曼 散 射 。鞘 逆 轫 致 吸 收 要 求 无 碰 趋 肤 深 度 匕 10:1126， 其 中 等 离 子 体 的 频 率 = (4 町 1。 “ )“2=5. 65X104彳 。 如 取 等 离 子 体 密 度 n。 为 临 界 密 度nc = 1. 1 X 1021 mcm-3 (A/fxm )2式 中

24、 ： A 为 激 光 的 波 长 。 那 么 ， 等 离 子 体 的 频 率 无 碰 趋 肤 深 度 所 以 ， 鞘 逆 轫 致 吸 收 对 超 热 电 子 的 发 射 贡 献 很 小 。根 据 上 面 的 讨 论 可 以 推 断 :靠 近 激 光 反 射 方 向 的 超 热 电 子 发 射 峰 主 要 是 由 反 射 激 光 、 有 质 动 力 径 向 分 量 、 侧向 拉 曼 散 射 等 加 速 机 制 共 同 作 用 的 结 果 ， 而 准 静 态 磁 通 道 的 产 生 是 超 热 电 子 出 现 尖 锐 发 射 峰 的 原 因 。4 结 论用 3TW 具 有 啁 啾 脉 冲 放 大

25、技 术 的 超 短 超 强 激 光 与 固 体 靶 相 互 作 用 ， 并 测 量 了 激 光 -等 离 子 体 相 互 作 用 过 程 中产 生 的 超 热 电 子 的 角 分 布 。 测 量 结 果 显 示 ： 高 能 电 子 发 射 的 定 向 性 优 于 低 能 电 子 。 对 于 较 低 的 能 段 ， 超 热 电 子 主要 集 中 在 靶 法 线 与 激 光 反 射 方 向 之 间 区 域 且 呈 溅 射 状 发 射 ； 而 对 于 较 高 的 能 段 ， 超 热 电 子 在 激 光 反 射 方 向 和 靠 近靶 法 线 方 向 出 现 了 两 个 尖 锐 的 发 射 峰 ， 激 光 反 射 方 向 的 超 热 电 子 发 射 是 由 几 种 加 速 机 制 共 同 作 用 的 结 果 ， 并 且 受自 生 磁 场 的 准 直 。 靠 近 靶 法 线 方 向 的 超 热 电 子 发 射 峰 是 由 共 振 吸 收 机 制 所 产 生 ， 其 发 射 角 与 理 论 预 言 很 好 地 一 致 。