超強雷射作用下金屬納米糰簇的尺寸效應及其特性研究

《超強雷射作用下金屬納米糰簇的尺寸效應及其特性研究》是依託中國工程物理研究院雷射聚變研究中心，由李喜波擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：超強雷射作用下金屬納米糰簇的尺寸效應及其特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李喜波
• 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

強雷射與物質相互作用特性、機理與規律的研究一直是人們關注的熱點，也是快點火雷射慣性約束聚變研究中的關鍵物理問題之一。金屬納米糰簇直接在強雷射輻照下的物理過程和特性，是目前國內外相關研究中極少涉及的；相比於已普遍開展的以氣體團簇為研究對象的研究，將會產生一些新現象和新認知。本項目擬利用磁控濺射技術和電極聚焦技術，原位合成與表征尺寸可控、連續傳輸與聚焦的穩定高密度貴金屬納米糰簇束流。研究超強雷射與金屬納米糰簇直接相互作用的電離、加熱、膨脹及庫侖爆炸基本過程和物理機制，著重研究金屬納米糰簇的尺寸效應特性及其能譜特徵；研究金屬納米糰簇的尺寸效應對雷射能量的沉積與吸收過程及其轉換效率的影響與機理；探索金屬納米糰簇在強雷射場中演化的基本規律，分析其與氣體團簇的區別和聯繫。項目所涉及的基本物理過程、物理機制和規律研究將具有重要的科學意義，並在雷射電漿強場物理和ICF基礎研究等領域具有重要的套用價值。

結題摘要

本項目通過對金屬納米糰簇的演化過程及其尺寸效應的依賴關係，開展金屬納米糰簇靶在強雷射脈衝輻照下的獨特性質研究，分析金屬納米糰簇與目前普遍開展的氣體團簇的區別和聯繫，是本項目的研究背景和出發點。項目研究獲得了物理氣相沉積磁控濺射技術製備金屬（Cu、Ag、Au）納米糰簇及線上表征方法；通過對濺射電流、團簇結露區長度、氬氣/氦氣流量等控制參數，獲得粒徑尺寸影響因素和工藝；採用匯聚靜電場方式等外場調控方法對金屬納米糰簇束流密度進行調控；研究獲得適合強場物理實驗用的金屬納米糰簇結構靶。實驗研究獲得金屬納米糰簇靶在超高功率密度雷射脈衝（~10^19W/cm^2）輻照下的電離和能譜特性、雷射能量吸收、高能X射線、高能離子和電子的產生與發射性質，理論和實驗分析研究了金屬納米糰簇在強雷射輻照下的尺寸效應特性。研究表明，各種尺寸的金屬納米糰簇均可明顯地提高發射電子的能量和增強雷射能量的吸收，納米糰簇靶與雷射相互作用產生的超熱電子能量和電子溫度遠高於平面靶；團簇靶靶背鞘場加速的高能段質子能量顯著提高，電子能譜在高能部分出現較明顯的增強，而且團簇尺寸效應明顯。高密度中性 Cu 團簇通過流體力學膨脹獲得能量，電子碰撞電離是其電離的主要機制；而低密度 Cu 團簇電漿則通過庫侖爆炸機制獲得能量；隨著團簇中原子或離子密度的增加，電子碰撞電離效率相應的增加。研究獲得雷射強度和團簇尺寸對各向異性金屬納米糰簇膨脹電離的影響機制。分析獲得金屬納米糰簇與氣體團簇在強雷射輻照下的區別，表明金屬團簇中的電子數量明顯增多，特別是內殼層電子不易被電離，流體力學膨脹和庫侖爆炸將同時作用，超強超短雷射與金屬團簇相互作用可獲得更寬的離子能譜特徵。通過本項目的研究，相關理論和實驗結果對於強場物理、高能量密度物理、電漿物理、極端條件下的凝聚態物理等多個領域具有較重要的研究意義，並在快點火雷射慣性約束聚變（ICF）的基礎物理研究方面具有重要的套用與參考價值。