靶材料对快电子的输运及阻抗性准直度的影响

发布时间: 2013-08-08 10:43:54   作者:本站编辑   来源: PRL   浏览次数:

  锥导引快点火惯性约束聚变需要较高效率的能量传输,主要是指:高强度短脉冲激光产生的相对论性快电子通过固体锥顶端传输到高密度的燃料核心。特别地,具备合理尺度激光系统的成功点火方案要求向在1~3MeV范围内快电子较高转换效率以及极小的发散度。先前的模拟工作显示出快电子束在固体密度等离子体内输运时主要受以下机制影响:散射、阻抗性准直、阻抗性成丝、欧姆加热、电场的抑制。因此,评价锥顶端材料需要对材料有新的理解:包括材料本身形成的阻抗性场及其在激光脉冲作用时间内对快电子输运带来的累积效应。

  本文中,作者报道了同源快电子在不同材料(从高Z金到低Z)中传输的系统性研究。结果表明当把薄(~10微米)的传输层(Z或者中Z)放置在几微米厚度的低Z铝层后面时,将对快电子具有准直的效果,而且前向快电子能流并不明显地损耗。此外,准直度并不依赖于靶的复杂结构或者是双激光脉冲的构型。二维碰撞式PIC(particle- in-cell)模拟同实验结果完全吻合,显示出高Z传输靶材中,由球形磁场包围形成的强阻抗性磁通道将准直原先发散的快电子束。

   

   靶、激光及X射线诊断设备的布局图,各靶层厚度均以微米为单位,激光入射角度与靶法线成17度角,成像器放置在靶后法线40度偏移角位置,HOPG X射线谱仪则放置在与赤道平面上靶法线成31度的位置

  实验在利弗莫尔国家实验室木星(Jupiter)激光系统的Titan激光上展开,激光中心波长1微米、脉宽0.7ps、能量150J,预脉冲平均能量为17mJ,对应脉宽2.3ns。聚焦焦斑尺寸为10微米(半高全宽),入射角度为17度,聚焦靶表面的功率密度为Ipeak~1020W/cm2。图5所示为多层靶的结构图,包括激光束及X射线诊断设备。靶材均具有3微米厚度的铝表面层,传输层选用材料为金(8微米),钼(14微米),或者铝(33微米),以及22微米厚度铜的追踪层置于传输层后110微米处。在较宽的电子能量范围内, 荧光的散射截面为常数,因此铜K壳层的辐射强度关联于快电子强度。荧光由探测谱范围较窄(8.048keV位置处宽度为6eV)的球面石英弯晶成像,其曲率半径为50mm

  如图6(a)(b)所示,分别为铝传输层及金传输层的成像图,图6(c)为对应的径向强度轮廓图,每种材料取两次数据的平均结果,实验数据是在相同主激光脉冲及预脉冲下测量的。这些轮廓图的分析显示辐射斑点尺寸(半高全宽)在金材料为96±20微米,钼为84±20微米,平均小于铝(140±20)36%,并且强度均在曲线翼区域内迅速下降。计算结果显示在20微米半径区域内金材料传输层靶较铝材料传输层靶电子流通量下降20%。如图6(c)中阴影区域所示,该下降的最低及最高值分别为1%33%。在170微米半径区域内下降了56%,最低值41%,最高值72%。如图6(d)所示,在较大半径区域内积分信号的下降值同HOPGX射线谱仪产额测量结果是一致的。

   

   成像(a) Z=Al传输层(b) Z=Au传输层(c) 对应轮廓图(d) HOPG X射线谱仪测算的三种不同材料传输层靶积分产额。图(c)辐射强度由激光能量归一化,图(c)中粗线为每种材料两数据的平均结果

  作者首先检验了模拟中电子能量密度轮廓及电子通量轮廓,并同实验辐射数据对比。电子密度轮廓对比图显示金传输层靶内(7(b))快电子传输比铝传输层靶(7(a))准直性更好,同实验的数据一致。如图7(c)所示为电子通量时间积分分布图,经计算铝传输层靶内快电子束半高全宽的尺寸比值为金传输层靶的1.47倍。同实验中尺寸比1.55吻合程度较好。此外,模拟确认了电子通量在曲线两翼区域下降的结果(大于中心20微米),保持中心斑内通量不变,该趋势同实验中观测结果一样。电子角发散由平均传输角表示,如图7(d)所示金传输层靶内中心传输区域内电子的角发散度迅速下降。

   

   激光脉冲结束时(726飞秒)电子能量密度轮廓图(a) 铝传输层靶(b) 金传输层靶图中显示的电子在预等离子体区域内(X=10微米开始)以及固体密度靶(X=20微米开始)(c) 空间分辨电子通量(d) 平均传输角其中>100keV电子选取自图(a)(b)中,160微米长,2微米宽度虚线区域

   

  8  准静态磁场对比图(a)(b)分别为198飞秒时铝和金传输层靶;(c)(d)分别为726飞秒时铝及金传输层靶的结果

  8对比了早些时刻(198fs)及靠后的时刻(激光脉冲结束时,726fs)在铝传输层靶和金传输层靶内准静态方位磁场Bz分布。在早些时刻(198fs),铝传输层靶和金传输层靶内均呈现电子束发散及成丝状场结构(如图8(a)(b)所示)。如图8(c)所示,随着铝靶的迅速电离和加热,中心区域电阻率将下降,导致相对弱的磁场Bz=5MG在铝靶内快电子束在激光期间保持其源发散度弹道式传输。

  与此相对比,金传输层靶内等离子体电阻率及磁场B的动力学规律则较复杂。如图8(d)所示,金传输层内少量的电流通道宽度为3微米,该结果同强电阻率磁场60MG下计算的拉莫半径rL≈1微米近似。这些磁通道延伸至铝传输层中并约束和导引电子的后续传输。

  9(a)(b)显示了铝靶及金靶内空间分辨的电子通量分别长至264fs396fs时间积分的对比图。在264fs(激光脉冲峰之前),铝靶和金靶内电子通量横向分布相似,差别仅在铝靶于中心区域电子通量较强。在396fs时,激光脉冲峰值刚过后,金靶内导引磁场通道建立,靶中心区域电子通量超过铝靶。

   

  9  铝靶及金靶内电子通量时间积分分布图(a) 264fs(峰值强度前)(b) 396fs(激光脉冲峰值处)

  作者等报道了固体靶内快电子输运与传输材料之间的依赖关系。采用高Z或者中Z传输层置于低Z相互作用层后面,同低Z材料相比将较好地准直快电子,并且在20微米的半径范围内保持电子通量。二维碰撞PIC模拟结果同实验结果一致,表明阻抗性场效应而非散射效应,控制着快电子输运。强阻抗性磁通道及球形场约束并导引具有初始较大的发散度的快电子。该工作对锥靶导引快点火有很大的促进作用,并为今后研究应用传输层材料与源的材料提供好的基础。此外,该工作对快点火相关激光脉冲的条件有重要含义:10ps高强度激光脉冲陡前沿(亚皮秒时间尺度)形成的导引型磁通道将把更高电子通量输运到燃料核心区域。

  摘译自:Effect of Target Material on Fast-Electron Transport and Resistive Collimation. 

  Physical Review Letters 110, 025001 (2013)

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