飞秒激光驱动X射线源中超热电子与靶相互作用研究

飞秒激光与靶相互作用产生超热电子,随后超热电子与靶原子碰撞,通过kα、kβ等散射过程,可辐射高亮度、飞秒级X射线,在原子与分子物理、生物及医学等领域均有广泛的应用前景.论文首先对飞秒激光驱动X射线源的发展进行简要叙述,然后对X射线源中的超热电子与靶相互作用进行研究.超热电子的产生由靶材对光脉冲的非碰撞吸收机制决定,X射线的产生由超热电子决定.研究超热电子、靶参数对X射线产额的影响,确定最佳参数值,可指导驱动激光脉冲参数的选择,以获得更大的X射线光子产额.使用蒙特卡洛模拟方法可研究超热电子动能及入射角、靶材(Cu靶)厚度对靶材上、下表面X射线辐射光子产额的影响,分析确定最佳超热电子动能及最佳靶厚.驱动激光强度与超热电子动能的定标关系表明：需要合理选择驱动激光参数,使真空加热机制主导超热电子产生过程,以在合适的激光脉冲强度下获得最大X射线光子产额.     

超短超强激光产生正电子的蒙特卡罗模拟

通过理论分析,建立了超短超强激光与固体靶作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型及Geant4模拟程序。模拟研究了靶材料、靶厚度及超热电子温度等对正电子产额的影响,结果表明:对铝、铜、锡、钽、金、铅6种靶材料,金靶的正电子产额最高,是优秀的正电子产生靶;不同超热电子温度下存在不同的最佳靶厚度,在最佳靶厚度以下,正电子产额随靶厚度增长而增大,靶厚度取3 mm较为合适;超热电子温度越高,正电子产额也越高,提高激光强度是增加正电子产额的有效途径。模拟研究给出了正电子角分布及其能谱,结果显示,正电子发射明显前倾,从大于90方向范围发射的正电子数量极少,且超热电子温度越高前倾特点越明显,能量呈类麦克斯韦分布,靶背法线方向出射的正电子的温度随超热电子温度升高而升高。     

金属靶和绝缘靶对飞秒激光吸收的比较

利用脉宽为150fs、强度为8×10¹⁵W/cm²的P偏振飞秒激光研究了与 金属靶和绝缘靶 相互作用过程中的激光能量吸收、超热电子产额及超热电子能谱. 实验发现，由于绝缘靶电 导率小，因此其电荷分离势大于金属靶，从而导致绝缘靶比金属靶具有较小的激光能量吸收 、较少的超热电子发射和较高的超热电子温度. 关键词： 金属靶 绝缘靶 激光吸收 超热电子     

飞秒激光固体靶相互作用中超热电子的输运特性

 实验研究了在100 TW掺钛宝石超短超强脉冲激光装置上完成的飞秒激光-固体靶相互作用中超热电子的输运特性,获得了超热电子的能谱、产额、注量及超热电子在靶内输运能量沉积范围。测量结果表明:超热电子的注量和总能量随靶厚度的增加而减少,超热电子约80％的能量主要沉积在靶内的前约一个激光脉冲宽度的范围内,且能量沉积范围随激光脉冲宽度的增加而增加,这主要是静电场的影响所致。     

强激光与固体靶作用产生的表面电子加速和辐射研究

利用单电子在固体靶表面准静态电磁场中运动的模型和非线性汤姆孙散射理论,研究了以大角度斜入射的强激光照射在固体靶表面产生的沿靶面方向发射的高能超热电子的运动及其产生的电磁辐射脉冲. 数值模拟表明,靶表面的电子在靶面附近的准静态电磁场和反射的激光场中作振荡. 当电子振荡频率接近激光频率时,电子被有效加速,被加速的电子主要沿靶面方向运动并产生向前的阿秒脉冲辐射. 讨论了电子在加速前的不同初始速度分布对辐射脉冲的时间和空间特性的影响,模拟了不同初始状态的多电子相干辐射脉冲的频谱特性. 关键词： 表面准静态电磁场 超热电子 阿秒脉冲 相干辐射     

激光入射角对靶面方向超热电子发射的影响

实验研究了超短超强激光脉冲与薄膜靶相互作用中产生的超热电子角分布随激光入射角的变化.在靶面方向观测到一束方向性很好的高能超热电子.该高能超热电子束的电子数目随着激光入射角的增大而增大.对结果的分析表明，表面准静态磁场是导致表面电子产生的主要原因. 关键词： 超热电子 表面准静态磁场 超强激光脉冲与等离子体相互作用     

超热电子产生Kα辐射的参数影响

 超短超强激光与固体靶相互作用,可以产生大量的Kα特征谱线发射。这种Kα线光源在背光照相、医学成像和超快诊断等方面具有显著优势。为了寻求获得Kα线高产额的方法,利用ITS蒙卡模拟程序,对超短超强激光产生的超热电子在固体靶中产生的Kα线发射进行了模拟。系统研究了Kα线发射强度随出射角度、靶厚度和超热电子温度等参数的变化情况。研究发现在恒定的激光功率密度或超热电子温度下,存在最佳的靶厚度,使得Kα线光子产额最大,并用模拟结果对已有实验数据进行了解释。     

超热电子产生Kα辐射的参数影响北大核心CSCD

超短超强激光与固体靶相互作用,可以产生大量的Kα特征谱线发射。这种Kα线光源在背光照相、医学成像和超快诊断等方面具有显著优势。为了寻求获得Kα线高产额的方法,利用ITS蒙卡模拟程序,对超短超强激光产生的超热电子在固体靶中产生的Kα线发射进行了模拟。系统研究了Kα线发射强度随出射角度、靶厚度和超热电子温度等参数的变化情况。研究发现在恒定的激光功率密度或超热电子温度下,存在最佳的靶厚度,使得Kα线光子产额最大,并用模拟结果对已有实验数据进行了解释。     

金锥对靶背向超热电子分布的影响

 采用20 TW啁啾脉冲放大的ps激光辐照金锥靶和平面靶，对靶背向产生的超热电子角分布和能谱进行了实验研究。结果表明:金锥对超热电子的产生具有重要的影响。与平面靶情况相比，锥形靶靶背向产生的超热电子数量增加，电子能量为2.0~2.5 MeV的超热电子数目有大幅度增长；锥形靶背向超热电子的空间发散角大于平面靶,这是由于啁啾脉冲放大激光所固有的较高脉冲前沿产生的预等离子体造成的影响。     

不同偏振态下的飞秒激光脉冲与铝靶相互作用中超热电子的产生

研究了P偏振、S偏振和圆(C)偏振态下亚相对论强度飞秒激光脉冲与铝靶相互作用时产生的超热电子的能谱和靶背向角分布，并对S偏振产生的超热电子的特殊角分布通过引入表面磁场的概念进行了定性解释. 关键词： 超短超强激光 等离子体 超热电子 表面磁场     

利用渡越辐射研究超热电子在固体靶中的输运过程

为了探索超热电子的输运过程，在100 TW掺钛蓝宝石飞秒激光器上利用光学CCD相机和OMA光学多道分析仪，分别在靶背表面法线方向测量了光发射空间分布图案和光谱. 实验测量结果显示，光发射空间分布图案呈圆盘状，在圆盘中明亮而强的光信号呈局部化分布，该现象表明，超热电子在输运的过程中存在成丝效应，引起严重的不稳定性；光发射光谱在3倍频和3/2倍频附近出现尖峰，分别是3次谐波和3/2次谐波，这一现象归因于超热电子束在传输的过程中产生的微束团而引起的相干渡越辐射(CTR)；光发射光强随靶厚度的增加而减小. 关键词： 超热电子 相干渡越辐射 输运 不稳定性     

超强飞秒激光与固体靶产生的超热电子加热机制

 在SILEX-1激光器上测量了超强飞秒激光与Ta靶相互作用产生的出射超热电子能谱及角分布，研究了出射超热电子加热机制。激光脉宽为 30 fs，激光功率密度为8.5×10¹⁸ W/cm²。靶前法线方向超热电子温度为550 keV。从实验结果可知：共振吸收是靶前法线方向超热电子主要加热机制，这与靶前存在大密度标长预等离子体的实验条件吻合。靶厚为6～50 μm时，靶后超热电子沿法线方向出射；靶厚为2 mm时，该发射峰消失。     

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利用柱坐标系下的二维PIC程序对金属靶背向超热电子束的运动特性进行了模拟,研究了超热电子的回流机制。通过对不同参数情况的比较,发现在单能情况下电子的出射率有振荡现象,而对于能量为Maxwell分布的电子,振荡趋于光滑。     

fs激光在靶背表面产生的质子束成丝

 介绍了利用3TW/60fs钛宝石超短超强激光与20μm铜薄膜靶相互作用的实验。实验观测到质子束的角分布随激光功率密度有所变化。在较高的功率密度（～1×10¹⁸ W/cm²）时，观测到环状的质子束分布，发散角较大。在较低的激光功率密度（～2×10¹⁷ W/cm²）时，质子束发散角减小，质子束出现成丝现象。质子束的角分布实际上反映了从靶前输运到靶背的超热电子电流横向分布。在输运过程中，由于Weibel不稳定性会使超热电子电流出现空心化并最后破裂成丝。     

超热电子产生的靶后相干渡越辐射光谱实验研究

利用OMA光学多道分析仪测量了激光与薄膜靶相互作用中产生的辐射光谱，在靶后观察到红移的二次谐波发射. 这种二次谐波是v×B加热产生的、具有微脉冲结构的超热电子束在等离子体-真空边界产生的相干渡越辐射(CTR). 随着激光能量的增大，红移峰向长波方向移动，光谱同时发生展宽. 分析认为，等离子体临界面的迅速膨胀是导致二次谐波红移的主要原因. 随着预脉冲能量的增大，临界面膨胀速度增大，导致了发射峰更大的红移. 实验还测量了靶面法线方向的辐射光谱，观察到基频辐射的红移和展宽. CTR为诊断临界面的运动方向和速度提供了一种新的方法. 关键词： 相干渡越辐射 超热电子 超短超强激光 等离子体相互作用     

Hot and cold electron dynamics following high-intensity laser matter interaction

The characteristics of fast electrons laser accelerated from solids and expanding into a vacuum from the rear target surface have been measured via optical probe reflectometry. This allows access to the time- and space-resolved dynamics of the fast electron density and temperature and of the energy partition into bulk (cold) electrons. In particular, it is found that the density of the hot electrons on the target rear surface is bell shaped, and that their mean energy at the same location is radially homogeneous and decreases with the target thickness.     

超短超强激光与固体靶相互作用中背表面光发射的实验研究

从金属箔背表面测量了超热电子穿越固体靶产生的光发射.光发射积分成像图案呈圆环状，在圆环边缘附近出现局部化明亮光信号确定为光学渡越辐射；光发射光谱在300—500nm之间出现一系列非周期锐利尖峰，在400nm（2ω）附近的尖峰较明显，这个光发射取决于v×B加 热机制产生的超热电子束的微束团引起的相干渡越辐射，(v为电子电度，B为磁场强度)，光 强随靶厚度的增加而减小. 关键词： 超热电子 光发射 光学渡越辐射 v×B加热机制 相干渡越辐射     

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采用飞秒激光与薄膜靶相互作用测量了前向超热电子的分布和能谱。结果显示,前向超热电子主要集中在靶背法线方向附近区域发射,而超热电子的能谱呈双温类麦克斯韦分布。根据所测超热电子能谱和分布推算出前向超热电子总产额约1.23×108shot-1和前向超热电子的总能量约4.65×1011keV.shot-1,最后给出激光能量转化为前向超热电子能量的转化效率约5.72×10-4,这些结果与文献[17]的较好地一致。     

利用渡越辐射研究超热电子束的传输特性

 为了探索超热电子束的传输特性，利用光学CCD相机在靶背法线方向测量了光学渡越辐射积分成像图案。实验在100 TW掺钛蓝宝石激光器上进行，飞秒激光与固体靶作用后，靶表面发光信号由空间分辨装置聚焦成像并引到CCD狭缝上。在厚度为20 μm的Ta靶背表面观测到渡越辐射光斑呈现较平滑的圆形结构，而且中心亮度高于周围，这包含了非相干与相干渡越辐射的成分，与理论模拟结果接近；在厚度为100 μm的Ta靶背表面观测到渡越辐射光斑呈现出星状结构，光斑较小，与高能质子发射出现的星状结构极其相似；在复合靶背表面观测到渡越辐射光斑虽然也呈现大致的圆形结构，但光斑较大，而且极不均匀，中间有很明显的光斑分裂。     

飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前后超热电子能谱的比较

采用电子谱仪测量了飞秒激光-金属薄膜靶相互作用中靶前和靶后产生的超热电子能谱.结果显示：靶前超热电子能谱的峰出现在约430 keV处，靶后超热电子能谱的峰出现在约175 keV处；靶前超热电子的有效温度分别为218 keV和425 keV，靶后超热电子能谱出现“软化”现象，其有效温度分别为96 keV和347 keV.靶前和靶后超热电子能谱明显不同是由于超热电子输运穿越过密等离子体和冷材料的靶，并在靶后建立Debye鞘，鞘电场使靶后超热电子能谱峰向低能端移动，鞘电场和自生磁场导致靶后超热电子能谱产生“软化”，估算出的鞘电场小于激光电场.