高能強流脈衝雷射離子源研究

《高能強流脈衝雷射離子源研究》是依託中國工程物理研究院流體物理研究所，由張開志擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高能強流脈衝雷射離子源研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張開志
• 依託單位：中國工程物理研究院流體物理研究所

項目摘要

直線感應加速器可以用於加速強流離子束，套用於高能量密度物理研究，以及重離子聚變的相關物理問題研究。這些套用對離子源提出了非常高的要求，即同時滿足強流（＞1A）和低發射度（＜1 pi*mm*mrad）兩項指標。功率密度大於10^8W/cm^2的雷射照射固體材料表面時，將產生低溫高密度的電漿，從電漿中可能引出強流高亮度的離子束。本項目擬利用流體物理研究所現有的1MV高壓感應疊加裝置，和100mJ的Nd:YAG雷射器，開展高能強流脈衝雷射離子源研究。高能量有助於削弱空間電荷效應對離子束品質的影響，降低對強約束磁場的要求，相應的脈衝縮短可以緩解總電荷量對脈寬的壓力。我們將採用數值模擬與試驗研究相結合的方式，充分認識全過程的物理機制，解決引出強流高亮度束的限制因素，最佳化系統設計。

結題摘要

本項目採用試驗研究、數值模擬與文獻調研相結合的方式，對高能強流脈衝雷射離子源的物理機制和特徵進行了系統的研究。下面簡單概述完成的研究工作以及取得的成果。 將2MeV注入器改造為1MV的脈衝高壓源，結合現有的雷射器，ICCD、光譜儀，與新設計製作的引出與測量系統，雷射聚焦系統等，建立了雷射離子源試驗平台。在此平台上，我們開展了雷射離子源試驗研究。 1、電漿自由膨脹試驗的測量結果顯示，典型的電漿脈衝寬度約6.1μs，前沿1.7μs，後沿~11.6μs，離子流脈衝峰值滯後雷射脈衝~6.1μs，雷射電漿自由膨脹的平均軸向速度~2.1cm/μs。根據測得的離子強度，推算出電漿密度為1.8e16~1.5e17 cm^-3。 2、測得的雷射電漿的發射譜線大部分是Cu原子的譜線，以及信號很弱的一條Cu+離子譜線和一條Cu2+譜線。根據測量得到的銅原子譜線特徵，可以推算出電漿電子溫度為1eV，電子密度為1.4e16cm^-3。 3、當銅靶上的雷射功率密度~1e9W/cm^2，引出電壓~0.8MV，電壓脈衝相對雷射脈衝延遲1~4μs時，從雷射電漿中引出了流強＞1A，歸一化發射度＜1pi•mm•mrad的銅離子束。引出電壓延時＜1μs時，電漿未充分膨脹，無法引出離子束；延時5~12μs時，電漿到達陰極頭，引出機制複雜；延時12μs後，引出電場作用在電漿雲團的後端面，離子束流強高，電子束流小，但離子束要穿過前方的電漿，束品質太差。 4、比較典型的引出離子束髮射度測量結果為126 pi•mm•mrad，對應Cu+的歸一化發射度0.6552 pi•mm•mrad。引出電壓相對於雷射脈衝的延時對發射度影響很大。延時1~4μs時, 發射度變化不大。當延時增大到6μs左右時，發射度圖像變差，但還能推算出相應的發射度。8μs時，已經無法得到有意義的發射度圖像。到延時12μs時，發射度圖像更差。 對雷射離子源全過程的仿真模擬揭示了很多物理規律與物理特徵，比如電漿密度、溫度、壓強和膨脹速度以及它們隨距離和時間的變化規律，還有雷射燒蝕靶材和電漿禁止等在試驗中無法觀測的現象。仿真得到的電漿密度以及發射譜線與試驗結果符合得也比較好。 系統的文獻調研加深了對雷射離子源工作機制的理解，也有助於我們對試驗現象和數值模擬結果的分析。