基於自聚焦效應的大電量高能電子束研究

《基於自聚焦效應的大電量高能電子束研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由趙宗清擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於自聚焦效應的大電量高能電子束研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：趙宗清
• 依託單位：中國工程物理研究院雷射聚變研究中心

項目摘要

超短強脈衝微焦點軔致輻射X射線源的產生需要緊聚焦、大電量、能量可調的高能電子束。本項目圍繞這一目標開展研究。針對超高強雷射產生高能電子束的兩種不同途徑所面臨的問題，本項目提出利用超強雷射與大尺度預電漿相互作用中的自聚焦效應改善雷射脈衝的聚焦狀態，提高雷射功率密度並產生大電量的高能電子束；同時利用可控的大尺度預電漿減小雷射預脈衝的影響；自聚焦後的雷射與高Z靶作用，產生另一束能量稍低的電子束，雷射能量轉化率將有效提高，其產生的自生磁場還可進一步箍縮預電漿中產生的高能電子束。因此，將有望獲得適合X射線源產生的高品質電子束。本項目擬利用理論分析和數值模擬手段細緻研究雷射與大尺度預電漿混合靶作用產生的緊聚焦，大電量、高能電子束的物理機制,得出有關規律，並在SILEX-I飛秒裝置上開展相關實驗進行驗證。

結題摘要

超強雷射電漿軔致輻射 X 射線源因脈衝短、焦點小、發散度小、能量可調等優勢，在瞬態動力學、狀態方程測量、高面密度客體照相等領域具有廣闊的套用前景。本課題提出採用大尺度預電漿減小雷射預脈衝和不確定性等影響，通過自聚焦效應改善雷射狀態，提高功率密度並產生緊聚焦、大電量、發散角小的高能電子束，與高Z固體靶相互作用獲得高品質X射線源。 通過理論分析和數值模擬，驗證了大尺度預電漿中雷射自聚焦效應的增強，實現了功率密度和能量吸收率提高，通過研究電子束能譜、分布、產額等特性，獲得了產生穩定自聚焦通道並加速大電流電子束的參數條件和影響規律，明確了大電量高能電子加速的物理機制。 針對可控大尺度電漿的產生，基於實際雷射裝置和技術條件，設計並製備了自膨脹預電漿泡沫靶和超聲速噴氣靶，根據套用需求給出了最佳化的靶結構參數。最後在星光III 和45TW雷射裝置上開展實驗研究，使用超高強雷射與兩種靶型相互作用，驗證了相關的物理規律。實驗中觀察到雷射穩定自聚焦和通道的產生，利用最佳化雷射和靶參數，最終獲得了小發散度大電量的高能電子束。 此外，本課題發展了相應的實驗參數診斷技術；從高亮度、微焦點X射線源的產生及套用出發，探索了多種雷射條件的電子加速特性；為了進一步改善X射線源的尺寸，研究了不同結構靶型對電子束的引導和準直效果。利用本課題產生的高品質電子束，進一步成功產生了微焦點高亮度高能X射線源，展示了在高透視高空間分辨照相的套用價值。對超快微焦點源在高能量密度物理、流體動力學等研究領域的潛在套用奠定了基礎。