超短超强激光与等离子体相互作用中质子发射的实验研究

作     者：周维民 

作者单位：中国工程物理研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：丁永坤

授予年度：2004年

学科分类：08[工学] 082701[工学-核能科学与工程] 0827[工学-核科学与技术] 

主      题：超短超强激光,等离子体,质子,产额,角分布,能谱 

摘      要：超短超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中，会以脉冲形式向外发射高能质子束。尤其是在靶背法线方向以较小锥角发射的质子束，具有束源空间尺度小、脉宽窄、方向性好等特点。这些特点使得超短超强激光等离子体相互作用中产生的质子束具有极为广泛的应用前景。并且，质子束的产生与相互作用过程中产生的超热电子密切相关，通过对质子束的研究可以获得超热电子在等离子体内产生和输运等过程的信息，而超热电子的产生和输运又是超短超强激光等离子体相互作用的核心内容之一，也是惯性约束聚变快点火物理关心的核心问题之一。因此，为了了解超短超强激光等离子体相互作用中产生的高能质子的性质，并为未来可能的应用作预研，本论文开展了对超短超强激光等离子体相互作用中质子发射的实验研究，重点研究了靶背法线方向发射的质子束的产额、空间分布、能量分布与靶物质厚度的关系。 文章首先从惯性约束聚变入手，简单介绍了快点火模型及其意义，以及对超短超强激光等离子体相互作用中质子束的研究现状和进展。在理论基础部分，就激光等离子体相互作用过程，超短超强激光等离子体相互作用过程，以及质子加速机制作了较为详细的阐述。文章的重点是对实验研究的介绍和对实验结果的分析与讨论。 实验是在中国工程物理研究院聚变研究中心的超短脉冲激光装置上进行的。实验中利用CR39和Thomson离子谱仪测量了在相同激光功率密度(约5×10Wcm)条件下，超短超强激光与不同厚度(5～30μm)铜靶相互作用中产生的质子束的产额、角分布和能谱。实验中观测到超短超强激光等离子体相互作用过程中有高能质子的产生。质子束产额约为10～10a．u．／发，发射方向严格沿着靶背法线方向，与入射激光方向无关。质子束存在着较小的发射张角，这有利于该机制下产生的质子束的应用。从质子束的能量分布可以看出，质子束在一定的能量处出现截止，截止能量的大小与靶厚度密切相关。这些实验结果均与质子加速理论研究吻合得很好。