超熱電子

在超短超強雷射與電漿相互作用的過程中 , 電漿中的一部分電子通過各種機制吸收能量轉變成為高能的超熱電子 . 它們不僅是慣性約束核聚變“ 快點火” 過程中的能量載體 , 對雷射脈衝在電漿中的傳輸 、能量沉積 、轉化等一系列過程也都發揮著重要的作用 .

基本介紹

• 中文名：超熱電子
• 外文名：Super hot electron

簡介

近幾年來隨著啁啾放大技術( CPA)的出現 , 雷射功率已達拍瓦( 1015W)量級 , 雷射強度已經超過1021W/cm2 . 這種超短超強雷射聚焦後可以產生 1016Pa 的超高壓 、105T 的超強磁場 、109K 的黑體輻射溫度等一系列用其他手段無法產生的極端條件 , 這使得物理學研究的領域得到了極大的擴展 , 出現了諸如實驗室天文物理 、相對論雷射與電漿相互作用 、高次諧波發射 、超快 X 射線源和小型化高梯度粒子加速器等新課題 , 其中最引人注意的是利用超短超強雷射進行“ 快點火” 的雷射聚變方案. 此方案中主要包括兩個分離的階段 : 壓縮過程與點火過程 . 在壓縮階段 ,利用大空腔 、長脈衝 、緩慢等容壓縮形成低溫高密度的氘氚電漿球 . 然後在一束超短超強雷射的作用下 , 有質動力排開暈區電漿產生“隧道” ,並將臨界密度面推向更高密度的靶芯 .在點火階段 ,高強度的超短脈衝雷射穿過“隧道” 與靶芯相互作用 , 產成兆電子伏能量的超熱電子 . 這些超熱電子流穿過高度壓縮的靶芯並沉積在靶芯處的燃料中 ,靶芯附近燃料的局部溫度迅速上升到點火溫度 ,由此引起熱核反應 . 在這一過程中 ,超熱電子起到了能量載體和點火的作用 ,其能量的高低 、產額的多少以及發射方向等都對“ 快點火” 方案極其重要 . 此外 ,在超短脈衝雷射與氣體 、液體 、團簇等的相互作用中 ,超熱電子也都發揮著至關重要的作用 . 關於超熱電子的產生機制及產生後的發射過程, 國內外已進行了大量的實驗研究與理論模擬.

雷射能量的吸收和超熱電子的產生

強雷射與物質相互作用時首先是雷射脈衝的前沿將物質離化成電漿 ,脈衝的後續部分在電漿中傳輸並通過不同的機制將能量轉化為電漿能量 . 逆韌致吸收 、真空加熱 、共振吸收 、參量不穩定性 、雙電漿不穩定性 、拉曼散射 、布里淵散射等機制都可使雷射能量沉積到電漿中 . 通過各種機制 ,部分電子吸收能量轉化為超熱電子 , 並把能量傳向更高密度層 . 具體是哪一種機制將電子轉化為超熱電子不僅與雷射的強度 、能量 、脈寬 、光譜 、入射方向和偏振態有關 , 而且還與靶的材料以及電漿的溫度 、密度分布等有關. 如對於長脈衝高能量的雷射( 如 ns)與靶相互作用後由於流體效應很明顯 , 形成的電漿密度標尺長度很長 ; 而高信噪比的超短脈衝雷射( 如 fs) 與靶相互作用後 , 流體力學效應則根本來不及發展 , 所產生的電漿密度標尺長度極短 ,甚至由於雷射的有質動力對電漿的壓縮 , 可以形成近似固體密度的電漿 . 對長脈衝而言 , 吸收主要發生在低於臨界密度的冕區 , 吸收機制以碰撞吸收為主 ; 而對於超短脈衝雷射 ,由於電漿的密度標尺長度極短且溫度較高 , 電子和離子的碰撞幾率小 , 此時的吸收機制以一些非碰撞的吸收機制為主 . 下面就幾種主要的產生超熱電子的雷射能量吸收機制予以評述 .

逆韌致吸收

逆韌致吸收是長脈衝雷射產生的電漿對雷射能量吸收的一種機制 ,它屬於碰撞吸收的一種 , 主要是由電子和離子之間的碰撞引起的 . 其物理圖像是從雷射場中獲得能量並在雷射場中高速振盪的電子與其他粒子碰撞時 , 將自身的動能轉化為電漿無規則運動的熱能 . 在這一過程中 ,雷射光波被電漿阻尼 ,電漿本身被加熱 . 雷射在電漿中傳播的逆韌致吸收係數定義為 : 雷射在電漿中傳播單位距離雷射強度的變化 . 對於線性密度切面 ,標尺長度為 L n 的電漿中.

逆韌致吸收依賴於原子序數 、 電子密度和電子溫度 ,在低溫 、長標尺長度和大原子序數的電漿中 , 逆韌致吸收是較大的 . 以上討論的是線性逆韌致吸收 ,前提條件是電子的速率分布是麥克斯韋分布 .但當更高強度的超短脈衝雷射與電漿相互作用時 , 將導致非線性逆韌致吸收 .此外 ,逆韌致吸收還與雷射的強度以及相對於作用區空間的電子平均自由程有關 . 隨著雷射強度(>1013W/cm2)的增加 , 這種機制越來越弱 . 當雷射強度超過 1015W/cm2 時 , 逆韌致吸收的吸收率僅有10 %,並有非常低的不依賴於靶材的能量吸收 . 這主要是由於雷射的快速離化 ,在靶表面形成了高密度的具有反射作用的等離子層的原因 . 在中等強度雷射與靶相互作用時 , 會產生具有麥克斯韋分布的兩群電子 . 其中通過逆韌致吸收產生的溫度通常在keV 以下的電子 , 被稱作 “冷” 電子( thermal electrons),而由其他過程例如共振吸收產生的更高能量的電子稱為超熱電子( hot electrons).

共振吸收

共振吸收與逆韌致吸收有類似的發生條件 , 都是發生在長脈衝雷射與固體靶相互作用所形成的低密度電漿中 , 但共振吸收發生在臨界面上 , 屬於非碰撞吸收機制的一種 . 隨著雷射強度的增加(>1015W/cm2), 在相互作用時電漿的溫度上升很快 , 這使得電子和離子的碰撞頻率大大減少 ,以至於碰撞吸收變得不再重要 , 此時一些非碰撞機制可以將雷射能量耦合到電漿裡面去 ,如共振吸收 . 在非均勻電漿中 ,斜入射的 P 偏振雷射的電場矢量沿電漿密度梯度方向的分量進行振盪時 , 形成電荷密度漲落 ,而臨界密度區的電子會隨之發生共振 ,從而在臨界密度區的電漿中激發一個很強的電子電漿波 . 這是一個正反饋過程 ,激發的電子電漿波增長很快 , 最後通過各種阻尼機制如碰撞阻尼 ,波破等將能量交給電子 , 產生超熱電子 . 總之 ,在臨界面處 ,由於雷射的偏振方向與電漿密度梯度的方向一致 ,產生靜電振盪 ; 同時由於電漿頻率等於雷射頻率 , 該處的雷射電場以共振的方式驅動該區域的電漿振盪 ,從而使靜電振盪增大並產生超熱電子 . 從產生機制上來說這是一種線性吸收 ,因為只要給定了臨界面附近的電漿梯度 ,高頻雷射電場引起的電荷分離和激發起來的靜電振盪的振幅都與雷射電場的一次方成正比 . 早在 1978 年 , Estabrook等人在理論上進行了模擬 ,並且他們的結果一直被人們所公認 . 李玉同等在實驗上測量了中等強度雷射與固體靶相互作用時電子通過共振吸收所獲得麥克斯韋溫度分布, 低能部分對應高密度電漿中的“冷” 熱電子的分布 ,高能部分為通過共振吸收加熱的電子的分布 .

真空加熱

真空加熱是一種與共振吸收相聯繫的機制 , 都是雷射電場驅動電子穿過一個具有密度梯度的電漿 ,不同的是共振吸收中密度梯度的標尺長度是雷射波長的很多倍 , 而真空加熱中的密度梯度小於雷射波長 . Brunel 首先在 1987 年討論了該機制 , 所以該機制又稱為 Brunel 效應或者是“非共振”共振吸收 . 當 P 偏振雷射脈衝斜入射到超臨界密度的電漿上時 , 電子將被雷射電場的分量直接加速 . 電子在光學周期的上半周期逃逸到真空中 , 而在下半個光學周期被反向的分離電場拉回到電漿表面 ,在這一過程中電子獲得的速度幾乎為振盪速度vosc , 這就是所謂的真空加熱過程 . 這種機制主要發生在電漿密度超過臨界密度並且有大的密度梯度或密度不連續的情況下 . Gibbon 等的數值模擬表明 , 在標尺長度 L n 沒有明顯的大於電子振盪振幅的情況下 , 標尺長度越長 , 被拉到真空中的電子數目越多 , 雷射能量被吸收的越強烈 . 如果電子在一個雷射周期中的運動距離大於電漿的標尺長度 , 電子就會把它的振動能量沉積到更高密度的電漿中去 .
董全力等在理論上模擬了電子由真空加熱所獲得的能量分布 , 並與實驗數值進行了比較 . 給出了真空加熱與雷射強度的關係 , 大約在 1015W/cm2,隨著雷射強度的增加 , 真空加熱增強而逆韌致吸收減弱 . 當同時考慮真空加熱與逆韌致吸收的影響時 ,理論計算數值與實驗測量的結果相吻合.

反常趨膚效應

正常的趨膚效應是指發生在深度為 c/ ω p( c 是真空光速 , ω p 是電漿頻率) 的趨膚層內 ,產生的電子的溫度為幾百電子伏特 , 並且電子在趨膚層內振盪 , 然後通過與離子的碰撞將能量消耗掉 . 但當入射雷射的功率密度增加 , 產生的電漿溫度為幾千電子伏特時 , 電子的自由程超過趨膚深度 , 雷射電場就能通過振盪的電子穿過趨膚層進入更深的電漿區域而被吸收 , 這就是所謂的反常趨膚效應 . 反常趨膚效應的效率與趨膚深度密切相關 , 趨膚深度越大 ,吸收越強 . 當入射雷射達到相對論量級時 , 由於電子質量隨相對論因子增加 ,趨膚深度也會增加 ,反常趨膚效應也相應地增大 . 如果電子電漿的振盪頻率等於入射雷射頻率時 ,電漿相對於雷射而言是透明的 ,這就是雷射的自誘導透明現象 .

上述幾種吸收機制要在實驗上嚴格區分比較困難 , 因為這些機制嚴重依賴於雷射參數 ,往往是幾種機制同時存在 . 就雷射能量來說 , 除了上述機制對雷射能量吸收之外 , 不同的靶材對雷射能量的吸收也不同 . Wharton等對不同靶材進行了系統的研究 ,發現除了與雷射強度有關的 30 %—40 %的雷射能量轉移給電子之外 ,其餘的吸收與靶的材料 、結構有關 . 陳黎明等認為絕緣靶具有較低的傳導性 , 靶中的電荷分離勢較大 ,這導致了絕緣靶具有較低的吸收率 、較少的電子產額和較低的電子溫度 . 就電子來說 ,上述吸收機制不但可以產生超熱電子 ,還可以加速電子 , 但使電子加速的機制遠不止這些 , 歸納起來 , 電子的加速主要有雷射場直接加速和電漿波加速 . 如前面介紹的真空加熱 、J ×B 加熱和雷射有質動力加速等屬於雷射場直接加速 . 電漿波加速是指在電漿中電子偏離其平衡位置後形成 -電荷分離場 , 由於要維持電中性 , 電荷分離場始終在振盪並以波的形式傳播電子就在這種電子電漿波中得到加速 . 共振吸收 、長標尺的電漿中的拉曼不穩定性 、雷射尾流等機制都屬於電漿波加速 .

雷射能量及偏振態對超熱電子定向發射的影響

以上我們簡單介紹了在超短超強雷射與電漿相互作用過程中超熱電子的產生和加速機制 ,對於超熱電子產生後的發射行為同樣是人們近幾年研究的焦點 . 這對於抑止相互作用過程中的各種不穩定性 ,取得高增益的“快點火”是非常重要的 . 由於受到自生磁場和靜電場的作用 ,超熱電子在電漿中的傳輸和出射方向都受到調製 . 實驗發現 , 超熱電子的定向發射與雷射能量 、光束入射方向 、雷射偏振態等因素有關 . 陳黎明等在採用非相對論超短脈衝雷射與固體 Al 靶相互作用時發現 , 電漿對雷射能量的吸收越強 ,超熱電子的定向發射越接近靶面的法線方向 . 而且超熱電子的能量越高 ,定向發射的發散角越小. 在入射雷射束入射到平面靶上時 ,雷射束在電漿中的傳播發生彎曲並反射 ,例如在臨界密度面附近發生反射 . 此時臨界密度面會對雷射強烈吸收 ,激發電子電漿波並在密度梯度方向對電子加速 ,形成法線方向的電子流 , 此時的吸收機制主要是共振吸收 . 在產生共振吸收的條件不滿足時 ,電子在雷射場中則受到電場的加速而沿電場方向出射 .隨著電漿對雷射能量吸收強弱的變化,這兩種物理過程相互競爭 ,最終使超熱電子的發射得到準直 .