科技短讯

“我国科学家首次直接观察到沿锥形靶表面方向发射的高能超热电子束,从而首次直接证实了锥型靶对高能超热电子的聚焦作用。”这是由国家科技部基础研究司和基础研究管理中心主办、近期出版的《基础科学研究快报》对中科院物理所张杰研究组和西安光机所赵卫研究组合作开展的一强场物理研究项目所取得的重要进展情况的报道。     

超热电子渡越辐射与高能质子发射的比较研究

在超短超强激光-固体靶相互作用过程中,通过对超热电子输运产生的渡越辐射光斑与高能质子发射的空间分布图案进行比较,渡越辐射光斑与高能质子发射的空间分布图案非常相似,都呈圆盘状．通过对渡越辐射光强随靶厚度的关系曲线、超热电子输运能量沉积随靶厚度的关系曲线以及文献中已有的高能质子能量随靶厚度的关系曲线进行比较,3条曲线的形状也非常相似,都在10μm靶厚度处存在转折点．分析表明,超热电子输运产生的渡越辐射与高能质子发射存在一定的内在联系,而这个联系就是超热电子输运而产生的静电场。     

激光功率密度对超热电子发射方向的影响

超短脉冲强激光与固体靶相互作用后会产生高能超热电子, 就超热电子对激光功率密度的依赖关系进行了研究. 实验结果发现, 在非相对论光强下超热电子的发射方向主要在激光的偏振面内, 并且在较低光强时超热电子的发射方向接近激光的偏振方向, 随着光强的增加, 在接近激光光轴的方向上的超热电子数目逐渐增多; 在相对论光强时超热电子的发射方向偏离偏振面而转向激光的反射方向.     

飞秒激光与固体靶相互作用中产生表面电子的实验研究

在近相对论光强下, 对p偏振超强激光脉冲与固体靶相互作用过程中产生的超热电子的角分布和能谱进行了研究. 实验发现, 超热电子的发射主要集中在三个方向: 靠近靶面方向、法线方向和激光的背向. 结果分析表明: 导致超热电子沿着靶面发射的原因是它受到靶前的鞘层电场与表面磁场的共同作用; 而沿着法线方向发射的超热电子的主要加速机制是共振吸收机制.     

激光偏振态对飞秒激光等离子体中产生的超热电子喷射方向的影响

采用2×10 16 W/cm 2 的超短激光脉冲辐照铝靶,研究了激光偏振态对超热电珑子发射的影响.对s偏振光,向外传播的超热电子射流沿激光偏振方向发射,而对于p偏振光,超热电子射流方向靠近靶面法线方向.文中还通过观测靶背面的X射线韧致辐射,对p,s偏振光产生的向内传播的超热电子行为进行了研究.     

利用电子磁谱仪测量超热电子能谱和注量

为了测量超热电子能谱和注量,利用磁感应强度为1200Gs和600Gs,对应的量程分别为258keV～3MeV、70keV～1200keV的电子磁谱仪,测量靶前法线方向和靶后激光传输方向超热电子能谱。用LiF热释光探测器(TLD)记录超热电子的总剂量,然后根据得到的TLD剂量就可推出电子注量,从而得到超热电子的能谱。     

利用电子磁谱仪测量超热电子能谱和注量

为了测量超热电子能谱和注量,利用磁感应强度为1200 Gs和600 Gs,对应的量程分别为258 keV～3 MeV、70 keV～1200 keV的电子磁谱仪,测量靶前法线方向和靶后激光传输方向超热电子能谱.用LiF热释光探测器(TLD)记录超热电子的总剂量,然后根据得到的TLD剂量就可推出电子注量,从而得到超热电子的能谱.     

利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子

随着超强脉冲激光技术的不断发鼹,利用超强激光脉冲与平板等离子体相互作用产生超热电子的研究,在激光惯性约束中的“快点火”,医学中的射线治疗和台式激光加速器等领域广泛应用．木文用二维粒子模拟方法研究了超强短波脉冲激光与平扳等离子体薄靶相互作用中产生的超热电子．以研究结果表明,在平板等离子体薄靶后表面所产生的超热电子,角分布较小,定向性好,能获得很高的能量。     

超强激光-纳米丝靶相互作用过程中纳米丝结构演化的研究

纳米丝靶的特殊结构对于超强激光与纳米丝靶相互作用产生高品质的超热电子和高能离子有非常重要的作用.文中利用粒子模拟(Particle-in-cell,PIC)方法研究了超强激光与碳纳米丝靶相互作用过程中纳米丝结构随时间的演化过程,理论分析了纳米丝内部自生电磁场的产生机制和离子在纳米丝靶内部的运动过程,研究结果表明,纳米丝靶内部会产生100 MG量级的自生磁场和1013V·m^-1量级的静电场.在激光和自生电磁场的作用下碳纳米丝靶结构能够保持完整性的时间大约为50～100 fs,100 fs后,纳米丝靶的结构会被逐渐破坏.该研究对超强激光与纳米丝靶相互作用的相关理论和实验有重要的参考价值.     

硬X光在线弯晶谱仪的设计与实现

该文介绍了具有定量化测量能力的硬X光在线弯晶谱仪,其主要结构为透射弯晶、Cs I(Tl)闪烁体薄膜、像增强器、可见光CCD,主要功能是定量获得较高能谱分辨的X光谱,由光谱获得超热电子温度和总能量的数据,为大尺度激光等离子体物理实验研究建立超热电子定量诊断的有效手段。该文对其主要光学结构及关键部件参数做了详细阐述。利用Ag靶准单色射线源作为测试源,对谱仪的性能进行测试,结果为Ag的特征谱线能清晰对称地呈现在记录结果中,谱线均匀无缺失,分辨效果较好,表明谱仪的性能良好。     

相向超短超强激光脉冲与中间薄膜靶相互作用产生快电子的模型

该文研究的是两束相向超短超激光脉冲与中间薄膜靶相互作用之间产生快电子的一种简单自洽模型理论，由理论推知，当满足一定条件时，由于激光有质动力与靶电子的谐振作用，在靶表面的电子云层中的电子被强烈加速产生快速高能电子。     

飞秒康普顿光源驱动的超短、高能正电子束

利用飞秒康普顿伽玛光与高Z靶相互作用,产生超短脉冲的高能正电子束.模拟研究表明,10 fs、4.2 × 108/s、最高能量为23 MeV的康普顿伽玛束和厘米级的铅靶相互作用(对产生)时,可以获得通量为4.2×107/s、峰值能量约为7 MeV的超短脉冲(≤100 fs)正电子束.此短脉冲、高能正电子束在精确探测或诊断材料内部的微观结构、电子动量分布及缺陷状态,以及研究材料和生物体结构的超快动力学等领域有重要的应用前景.     

超强超短激光与固体靶相互作用产生准静态磁场的研究

建立了一个超强超短激光脉冲与固体密度等离子体相互作用，产生超热电子和环形磁场的简单模型，通过演算，得到了在相互作用过程中，有质动力，超热电子，自生磁场三者之间的关系。     

超高功率超短脉冲发展的现状及相关科学问题

超高功率超短脉冲激光系统在其聚焦焦点附近可以实现高达1022-24 W/cm2的峰值功率输出,为强场物理实验研究,以及实验室内模拟极端环境下的天体物理条件提供了直接的实现方案.自从国际上首次提出了建造EW激光的概念,即输出总功率达到1018 W的大型激光系统后,国际上很多国家都在设计和建造大规模的超高功率超短脉冲激光系统.本文简要介绍了国际上这种规模激光系统的发展状况,并结合国内超高功率高能超短脉冲激光的发展,对超高功率超短脉冲激光系统发展中相关技术问题进行阐述.     

成像板在超强激光与等离子体相互作用产生超热电子研究中的应用

成像板（image plate,IP）具有动态范围宽、量子效率高、线性度与灵敏度好以及可重复使用等优良特性,在物理实验研究中具有很大的应用潜力．将成像板技术应用于超短超强激光与等离子体相互作用实验中产生的超热电子的诊断,研究了相互作用中产生的超热电子的空间分布和能谱．该技术的引入为激光等离子体领域的研究提供了强有力的实验手段,提高了实验效率．     

LHAASO与宇宙线起源

宇宙线的能谱延展到超过10¹⁵电子伏特(PeV)的能段,这表明银河系中存在超高能的宇宙线加速源.而近期的甚高能伽马射线观测表明,长期以来被认为是主要宇宙线加速源的超新星遗迹很难把宇宙线加速到超高能.因此,寻找超高能(PeV)宇宙线加速源是宇宙线起源研究中的核心问题.其中一个最直接的方法就是寻找加速源附近宇宙线与星际气体相互作用产生的超高能伽马射线辐射.我国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO),由于其在超高能伽马射线能段世界领先的灵敏度,成为这一研究的理想工具.LHAASO半阵列建成后一年之内,已经在银盘上观测到了十二个超高能伽马射线源,在这一领域取得了突破性的进展.本文将介绍这些已得到的观测结果,并对LHAASO全阵列建成后可能的新进展进行展望.     

天山射电实验探测极高能中微子和宇宙线

宇宙中微子正开启一个电磁波观测宇宙之外的全新窗口.然而,传统的中微子探测手段由于造价过高,导致探测器有效面积不足或观测时间有限等问题,不便于进行高能中微子(一般认为能量大于1015 eV为超高能,能量大于1018 eV为极高能)的观测.射电阵列,采用造价低、全天候观测的射电天线,可以建造大面积的观测阵列,达到极高能中微子天文学和极高能宇宙线探测所需的高灵敏度.在科技部国家重点基础研究发展计划项目"宇宙第一缕曙光探测"的资助下,原型阵列TREND(天山射电探测中微子探测器)在2011–2012年的运行过程中取得了重要的成果,仅依靠单极化接收天线阵列,首次证明了不依赖于传统粒子探测器的自触发射电探测方式可以对高能粒子大气簇射进行有效探测.我们计划建造一个巨型天线阵列GRAND,这将是世界上1017 eV以上最灵敏的高能中微子望远镜,可以对高能中微子进行有效的观测.     

高能固体火箭发动机冲击燃烧特性研究

为研究高能固体火箭发动机冲击燃烧特性,采用火箭撬平台作为加载装置对高能发动机施加冲击载荷,通过调节火箭撬速度获得不同速度下高能发动机的宏观反应特性;采用热力耦合计算模型对试验过程进行仿真,仿真中考虑推进剂在应力作用下温升引起的自热反应热源,通过计算发动机撞击靶板过程中推进剂内温度变化情况,分析推进剂反应的剧烈程度,判断发动机的反应特性,获得发动机的反应机理. 研究表明高能发动机以不低于100 m/s速度撞击靶板推进剂均会发生点火,点火位置位于发动机内孔;随着撞击速度的增加,点火延迟时间减小.     

超强光场驱动的高性能高能粒子束的产生及其应用开拓研究

超短超强激光驱动等离子体,可获得电子能量高达1Ge V、质子能量高达60Me V的高性能粒子束,从而在高能加速器、聚变物理、短脉冲高亮度X光源产生、实现小型化自由电子激光等领域都有重大的应用价值。该研究主要研究利用超短超强激光在等离子体中形成稳定的特殊三维尾波结构,即空泡,实现单能电子加速。采用两种控制电子注入的方法,即两束激光对打和纳米细丝扰动,来提高电子加速的稳定性,并控制高能电子的数量和能量。该研究还将通过改变激光传输方向的等离子体密度,来改变空泡中纵向加速静电场的梯度,从而抵消高能电子束本身电荷分离场的梯度,以提高电子束的性能;还将研究高能电子束的细致结构,并考虑其可能的重大应用。该研究将利用靶后鞘层加速实现质子加速,并将利用多层靶来提高加速效率,利用微结构靶获得准单能质子束,同时研究获得高性能高能离子束的其他有效途径。     

基于液滴锡靶LPP-EUVL光源多层膜的溅射损伤研究

基于Navier-Stokes方程的自相似解,研究了最小质量限制液滴Sn靶激光等离子高能离子的时空分布特性,并将该结果应用于高能离子碎屑刻蚀导致的极紫外光刻(EUVL)光源收集镜寿命的评估.对于不同的绝热膨胀指数γ＝1.67、1.3和1.1,数值计算了激光等离子体平均电离度、等离子体羽辉尺寸、羽辉膨胀速率和离子动能随时间的演化,并得到了高能Sn离子碎屑通量的角分布及其轰击溅射Ru、Mo和Si膜的溅射产额及溅射刻蚀速率.研究发现,激光液滴靶等离子体中的高能Sn离子对Mo,Si多层膜的溅射刻蚀率的角分布满足cos3θ的关系.对EUVL光源而言,为了延长EUV收集镜寿命,降低激光等离子体电离度和采用最小质量限制液滴Sn靶是一条有效的途径.