殷佳鵬 劉圣廣

(上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院,激光等離子體教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,IFSA 協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

慣性約束核聚變研究最近取得可喜成果,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF 裝置實(shí)驗(yàn)上聚變?cè)鲆孢_(dá)到了輸入激光能量的三分之二.但是,這一成果與人們的預(yù)期還有較大差距,需要更深入研究激光與等離子體相互作用初期的動(dòng)力學(xué)過(guò)程.我們發(fā)展了一種新方法,用單發(fā)長(zhǎng)脈沖電子束團(tuán)為探針,測(cè)量激光等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)在整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)的演化過(guò)程.實(shí)驗(yàn)中,高壓靜電電子源產(chǎn)生能量0—100 keV 連續(xù)可調(diào)、脈寬10ns 的電子束團(tuán).1 J,532 nm,脈寬約4 ns 的激光脈沖聚焦到銀靶上,激發(fā)產(chǎn)生等離子體.電子束團(tuán)穿過(guò)激光等離子體,被其中的電磁場(chǎng)調(diào)制后成像,單發(fā)電子束團(tuán)時(shí)間寬度會(huì)覆蓋整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間,通過(guò)分析電子束團(tuán)的調(diào)制強(qiáng)度,推得等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)的變化.實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了單發(fā)電子束團(tuán)對(duì)整個(gè)激光等離子體內(nèi)電場(chǎng)的診斷測(cè)量,獲得了演化曲線,推算出實(shí)驗(yàn)條件下電子束通過(guò)路徑上平均電場(chǎng)的最大值約為 7 .74×105 V/m.

1 引言

激光驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變有希望徹底解決人類(lèi)社會(huì)持續(xù)發(fā)展的能源問(wèn)題[1-4].最近,美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置NIF 取得可喜成果,實(shí)驗(yàn)上聚變?cè)鲆孢_(dá)到了輸入激光能量的三分之二,離真正意義上實(shí)現(xiàn)增益大于1 的目標(biāo)更進(jìn)了一步.但是,這一成果與人們的預(yù)期還有較大差距,人們對(duì)其中的重要物理過(guò)程還需要更深入的認(rèn)識(shí)和理解.一個(gè)重要問(wèn)題是實(shí)驗(yàn)上尚缺乏足夠的診斷手段,特別是具有時(shí)間分辨的診斷手段.對(duì)激光與等離子體相互作用初期的動(dòng)力學(xué)過(guò)程、等離子體臨界密度面附近的能流輸運(yùn)過(guò)程的研究亟待加強(qiáng).激光與等離子體相互作用過(guò)程中[5-7],等離子體內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的自生慢變電磁場(chǎng)[8-11],時(shí)間尺度在皮秒至納秒量級(jí).同時(shí),這些電磁場(chǎng)又對(duì)等離子體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直接或間接的影響,對(duì)等離子體時(shí)空演化有著極為重要的作用.所以,研究自生電磁場(chǎng)的時(shí)空演化,對(duì)準(zhǔn)確理解臨界面附近的密度時(shí)空分布[12]、激光與等離子體的耦合、輻照均勻性、等離子體能量輸運(yùn)等過(guò)程具有重要意義.

現(xiàn)有的等離子體探測(cè)方法有主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè)兩類(lèi)[13-16],主要以光子為探針,診斷等離子體的溫度、密度、電離度等參數(shù).由于光子對(duì)等離子體中的電磁場(chǎng)不敏感,所以無(wú)法得到對(duì)激光等離子體時(shí)空演化過(guò)程起關(guān)鍵作用的自生慢變電磁場(chǎng)信息.美國(guó)和歐洲一些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開(kāi)展了利用質(zhì)子束對(duì)等離子體動(dòng)力學(xué)過(guò)程成像的研究[17-21].這些質(zhì)子束有些是來(lái)自?xún)?nèi)爆聚變產(chǎn)生的單能質(zhì)子,有些是來(lái)自超短強(qiáng)激光與固體靶作用產(chǎn)生的寬能譜質(zhì)子[22].其中前者的發(fā)散角很大,而且對(duì)驅(qū)動(dòng)激光的要求很高,后者的能散度很大,因此都不適合于臨界面等離子體的診斷.利用超快電子成像、結(jié)合泵浦探測(cè)技術(shù)研究等離子內(nèi)電磁場(chǎng)[23,24],取得了一些很好的結(jié)果.但是通過(guò)調(diào)節(jié)時(shí)間延遲,通過(guò)多發(fā)次才能得到演化過(guò)程,對(duì)于探測(cè)整個(gè)激光聚變過(guò)程中的不穩(wěn)定性,顯然是不現(xiàn)實(shí)的.

我們提出并驗(yàn)證了一種新方法,以單發(fā)電子束團(tuán)為探針,測(cè)量激光等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)在整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)的演化過(guò)程,實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了單發(fā)電子束團(tuán)對(duì)整個(gè)激光等離子體內(nèi)電場(chǎng)的診斷測(cè)量,獲得了演化曲線,實(shí)驗(yàn)條件下電子束通過(guò)路徑上平均電場(chǎng)的最大值約為 7.74×105V/m.

2 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示.加速器產(chǎn)生的電子束團(tuán),脈沖寬度約為10 ns,能量0—100 keV 連續(xù)可調(diào).經(jīng)過(guò)銀靶正前方柵網(wǎng)或者小孔,被整形為單條或者多條電子束,單條電子束橫向直徑約40 μ0,從銀靶 表面掠 過(guò).532 nm 激 光,脈沖寬 度約為4 ns,寬度與驅(qū)動(dòng)慣性約束核聚變研究的激光寬度相當(dāng),經(jīng)過(guò)傳輸和聚焦系統(tǒng),聚焦在銀靶側(cè)棱上,產(chǎn)生等離子體.調(diào)節(jié)電子束與激光打靶的時(shí)間,保證電子束在等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)從等離子體內(nèi)穿過(guò).等離子體內(nèi)存在電磁場(chǎng),其中的電場(chǎng)分量垂直于靶面向外[19,25],沿y方向,如圖1(c)所示.電子束穿過(guò)時(shí)將受到電場(chǎng)的作用力,使其發(fā)生偏轉(zhuǎn).電場(chǎng)是變化的,不同時(shí)刻穿過(guò)等離子體的電子受到不同的偏轉(zhuǎn)作用,獲得不同的偏轉(zhuǎn)角.被等離子體內(nèi)電場(chǎng)調(diào)制過(guò)的電子束團(tuán)離開(kāi)等離子體漂移,穿過(guò)外加的偏轉(zhuǎn)電場(chǎng),外加電場(chǎng)方向沿x方向,而且確保隨時(shí)間線性變化,線性區(qū)時(shí)間與電子束脈沖時(shí)間寬度相當(dāng),約為10 ns.外加電場(chǎng)將電子束團(tuán)沿x方向線性偏開(kāi),束團(tuán)的縱向(z方向)分布將被轉(zhuǎn)為沿x方向的橫向分布,在閃爍體晶片上成像.注意圖1(b)中,閃爍體所在坐標(biāo)系與前面坐標(biāo)系相比,轉(zhuǎn)過(guò)了90°.分析電子束團(tuán)在y方向的偏轉(zhuǎn)數(shù)據(jù),可以推演得到等離子體內(nèi)電場(chǎng)在整個(gè)持續(xù)時(shí)間窗口的演化過(guò)程.從而實(shí)現(xiàn)單發(fā)電子束對(duì)整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)電場(chǎng)的測(cè)量.

圖1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置示意圖 (a)裝置總體布局;(b)被等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)調(diào)制后的電子束在閃爍體上成像示意圖;(c)靶附近的局部放大圖Fig.1.The experimental principle:(a)The set-up of the whole system;(b)imaging principle of the electron beam on the scintillator after being modulated in the plasma;(c)the enlarged setup nearby the target.

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法

3.1 電子束

電子束由三極高壓靜電電子槍產(chǎn)生.電子槍陰極和陽(yáng)極之間加0—100 kV 高壓、柵極用一個(gè)中心開(kāi)有直徑0.3 mm 小孔的金屬板代替柵網(wǎng),減小電子束斑的尺寸.柵極上加?xùn)艍阂种齐娮影l(fā)射,同時(shí)加有和柵壓極性相反的脈沖開(kāi)關(guān)電壓控制產(chǎn)生電子脈沖,束流離開(kāi)柵孔后再被靜電加速管加速.所以,靜電加速高壓對(duì)束流流強(qiáng)影響不大,主要影響電子槍出口處的束流橫向截面和束流粒子縱向角度.電子槍全長(zhǎng)0.967 m,電子束離開(kāi)電子槍,利用螺線管磁鐵,將電子束在銀靶位置聚焦.圖2 是對(duì)電子束流的模擬結(jié)果,靜電加速管高壓100 kV,電子初始發(fā)射面直徑0.3 mm,在銀靶位置聚焦.

圖2 電子槍束流模擬,能量100 keV 的電子束在靶位置聚焦Fig.2.Simulation result on electron source,beam with 100 keV energy focused on the target.

圖3 是實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的電子束團(tuán)參數(shù).左圖是示波器采集到電子束團(tuán)的縱向分布.可以看到,電子束的半高寬約10 ns;右圖是電子束經(jīng)過(guò)小孔后掠過(guò)銀靶,再漂移一段距離后在成像閃爍體上的束斑.40 μm 的小孔,決定了電子束在銀靶位置束斑直徑為40 μm,與成像位置的束斑大小有差別.

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的電子束分布 (a)電子束團(tuán)的縱向分布;(b)電子束團(tuán)在成像板上得到的束斑Fig.3.Electron bunch from Gun:(a)The longitudinal distribution of electron bunch;(b)the beam profile at imaging plate.

3.2 激光與聚焦

驅(qū)動(dòng)激光中心波長(zhǎng)為532 nm、單脈沖最大能量為1 J,可以運(yùn)行在單次觸發(fā)模式.因?yàn)殂y靶和電子束都在真空中,激光脈沖要通過(guò)傳輸和聚焦系統(tǒng),通過(guò)石英窗口聚焦到真空內(nèi)的靶上.為了防止打靶實(shí)驗(yàn)中,等離子體物質(zhì)濺射到石英窗口上造成窗口污染.最后一片聚焦鏡焦距較大,石英窗口遠(yuǎn)離打靶點(diǎn).圖4 是實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的激光時(shí)間和空間分布,可以看到激光脈沖的半高寬為3.6 ns,激光在銀靶處聚焦成腰,束腰直徑為100 μm,激光功率密度約為3.5×1012w/cm2.

圖4 激光的時(shí)間和空間分布 (a)激光的時(shí)間分布;(b)激光在銀靶處束腰光斑Fig.4.The time and space distribution of laser pulse:(a)The time distribution;(b)the laser waist at the target.

3.3 電子束團(tuán)線性偏轉(zhuǎn)

如前面所述,被等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)調(diào)制后的電子束,漂移后如果直接成像的話,束團(tuán)的首尾部分會(huì)疊在一起,無(wú)法分辨.需要施加電場(chǎng)將電子束橫向偏轉(zhuǎn),而且電子束團(tuán)中不同位置獲得不同的橫向偏轉(zhuǎn),漂移后成像,才能夠?qū)㈦娮邮目v向位置轉(zhuǎn)化為橫向坐標(biāo).考慮到電子束能量和漂移長(zhǎng)度,如果將10 ns 電子束團(tuán)在成像板成像,橫向被偏轉(zhuǎn)拉開(kāi)到20 mm 長(zhǎng),需要電壓源能夠提供4.5 kV/10 ns線性變化的電壓.圖5 是帶上兩條金屬極板負(fù)載后,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的高壓脈沖信號(hào).平頂寬度5 μs,平頂處電壓為6.32 kV,兩條豎虛線間是脈沖電壓信號(hào)的線性上升沿.可以看到,上升沿有一段10 ns、對(duì)應(yīng)5.44 kV 線性區(qū),能夠達(dá)到偏轉(zhuǎn)的要求.實(shí)驗(yàn)中,需要精確調(diào)節(jié)電子束通過(guò)偏轉(zhuǎn)極板的時(shí)間,使其恰好在這段上升沿時(shí)段內(nèi)通過(guò).

圖5 帶上負(fù)載測(cè)得的兩偏轉(zhuǎn)極板間的高壓脈沖信號(hào).平頂寬度5 μs,最高電壓6.32 kV,脈沖電壓信號(hào)有一段線性上升沿5.44 kV/10 nsFig.5.The HV signal between the two deflecting plates with load,HV pulse with 5 μs flattop and 6.32 kV maximum,a linear rise edge at the slope of 5.44 kV/10 ns.

3.4 電子束與激光脈沖的時(shí)空重合

電子束穿過(guò)等離子體,才能夠被調(diào)制.這就要求電子束與激光脈沖必須實(shí)現(xiàn)空間和時(shí)間上的雙重重合.實(shí)驗(yàn)上安裝了一套在線望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)觀測(cè)到銀靶及靶上標(biāo)記點(diǎn).將電子束在銀靶前面適當(dāng)調(diào)大束斑,部分電子被靶擋住,在后面成像板觀測(cè)電子束像,可以確定激光和電子束的相對(duì)位置,結(jié)合靶室的三維調(diào)節(jié),可以實(shí)現(xiàn)二者的精準(zhǔn)空間重合.時(shí)間重合,除確保激光與電子束二者的重合外,還必須包括脈沖高壓上升沿與二者的重合.實(shí)驗(yàn)上利用一臺(tái)高精度的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器DG645,精確調(diào)節(jié)各個(gè)通道間的時(shí)間延遲,實(shí)現(xiàn)三者間優(yōu)于ns 的時(shí)間同步.

4 結(jié)果及討論

首先調(diào)節(jié)電子束與偏轉(zhuǎn)電壓的時(shí)間同步,觀測(cè)高壓偏轉(zhuǎn)電場(chǎng)對(duì)電子束的偏轉(zhuǎn)作用如圖6 所示.上面的電子束斑是沒(méi)有偏轉(zhuǎn)電壓作用條件下,在成像板上的像;下面是線性高壓將電子束團(tuán)橫向拉開(kāi)形成的像,電子束被偏轉(zhuǎn)后經(jīng)過(guò)800 mm 距離的漂移,在成像板上被拉開(kāi)為19 mm 的直線.這一橫向長(zhǎng)度,直接對(duì)應(yīng)電子束脈寬10 ns.兩種情況下,都是將電子束在靶位置良好聚焦,而電子束在靶后漂移800 mm 后成像,束斑會(huì)一定程度變大.

圖6 沒(méi)有激光時(shí)的電子束斑.上面的束斑,偏轉(zhuǎn)極板間沒(méi)有電壓;下面的束斑,偏轉(zhuǎn)極板間有電壓Fig.6.Beam profile without laser pulse.The above one is beam profile without deflecting HV;The below one is beam profile with deflecting HV.

調(diào)節(jié)電子束與激光的空間重合,調(diào)節(jié)激光、電子束和偏轉(zhuǎn)高壓三者時(shí)間同步,測(cè)量10 ns 電子束被等離子體內(nèi)電場(chǎng)調(diào)制曲線,如圖7 所示.實(shí)驗(yàn)中,電子束的能量為85 keV,銀靶與成像板的距離為800 mm.假設(shè)電子開(kāi)始被調(diào)制的起點(diǎn)就是等離子體產(chǎn)生的初始時(shí)刻,那么,電子在初時(shí)刻后ΔT=2.6 ns 時(shí),被等離子體內(nèi)的電場(chǎng)在成像板上偏開(kāi)最大,被偏轉(zhuǎn)量ΔL=3.64 mm.

圖7 10 ns 電子束被等離子體內(nèi)電場(chǎng)調(diào)制后分布Fig.7.Distribution of the electron bunch with 10 ns length modulated by the electric field of the laser plasma.

假設(shè)激光激發(fā)等離子體空間尺度為l=1 mm的均勻分布,其中垂直靶面向外的電場(chǎng)強(qiáng)度為E,電子經(jīng)過(guò)等離子體受到的 庫(kù)侖力為E·e,e是電子電量.電子經(jīng)過(guò)等離子體后獲得的橫向速度為E·e·l/mv,其中,v是電子運(yùn)動(dòng)的縱向速度.離開(kāi)等離子體時(shí)電子獲得的偏轉(zhuǎn)角為θ=E·e·l/mv2,以此偏角漂移距離L,電子橫向偏開(kāi)的距離

其中Ek就是電子的動(dòng)能.根據(jù)(1)式和實(shí)驗(yàn)測(cè)得的偏開(kāi)距離,可以推算出電場(chǎng)強(qiáng)度.偏移距離最大處ΔL=3.64 mm,對(duì)應(yīng)的電子束通過(guò)路徑上平均電場(chǎng)的最大值為 7.74×105V/m.以此類(lèi)推,可以推算出等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻電子束穿過(guò)路徑上平均的電場(chǎng)強(qiáng)度.電場(chǎng)最大值定標(biāo)后,實(shí)驗(yàn)測(cè)得的曲線圖7,就是等離子體內(nèi)電場(chǎng)的時(shí)間演化曲線,縱軸是時(shí)間0—10 ns,橫軸是對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度.

5 結(jié)論與展望

本文用單發(fā)長(zhǎng)脈沖電子束團(tuán)為探針、發(fā)展了一種新方法去測(cè)量激光等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)在整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)的演化過(guò)程.實(shí)驗(yàn)中,高壓靜電電子源產(chǎn)生能量0—100 keV 連續(xù)可調(diào)、脈寬10 ns的電子束團(tuán).1 J,532 nm 和脈寬約4 ns 的激光脈沖被聚焦到銀靶上,激發(fā)等離子體.電子束團(tuán)穿過(guò)激光等離子體,被等離子體內(nèi)的電磁場(chǎng)調(diào)制,經(jīng)偏轉(zhuǎn)后成像.單發(fā)電子束團(tuán)時(shí)間寬度會(huì)覆蓋整個(gè)等離子體持續(xù)時(shí)間.通過(guò)分析電子束團(tuán)的調(diào)制強(qiáng)度,推得等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)的變化.實(shí)驗(yàn)上成功實(shí)現(xiàn)了單發(fā)電子束團(tuán)對(duì)整個(gè)激光等離子體內(nèi)電場(chǎng)的診斷測(cè)量,獲得了演化曲線,得到了實(shí)驗(yàn)條件下激光等離子體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度約 7.74×105V/m.

驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的成功,表明這種測(cè)量方法可行、有效.我們正在建造一臺(tái)100 MeV 的電子直線加速器,將用這種電子探針技術(shù)測(cè)量慣約聚變研究中高密度等離子體內(nèi)電磁場(chǎng)的演化,為認(rèn)識(shí)、理解高密度等離子體內(nèi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程提供重要實(shí)驗(yàn)依據(jù).