預(yù)主脈沖輻照平面靶產(chǎn)生X射線激光的自相似模型

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1、第10卷　第2期強(qiáng)　激　光　與　?！∽印∈鳹ol.10,No.21998年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,1998預(yù)主脈沖輻照平面靶X產(chǎn)生X射線激光的自相似模型1,2113李英駿　張杰　彭翰生　張毓泉(1.中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,成都525信箱84分箱,610003)(2.中國(guó)工程物理研究院研究生部,北京8009信箱30分箱,100088)(3.北京計(jì)算物理與應(yīng)用數(shù)學(xué)研究所,北京8009信箱,100088)　　摘　要　利用自相似方法,定量地描述了預(yù)主脈沖輻照平面靶產(chǎn)生X射線激光的物理過程。解析地給出了各物理參量之間的關(guān)系,

2、計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合的較好。結(jié)果表明:合理地選擇預(yù)、主激光脈沖的能量匹配和時(shí)間間隔,就可以在較低能量的激光裝置上產(chǎn)生較強(qiáng)的X射線激光輸出。這一結(jié)果為簡(jiǎn)化預(yù)脈沖條件下平面靶X射線激光的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和直觀定量地解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了一套有用的工具?！　￡P(guān)鍵詞　X射線激光　自相似方法　　中圖分類號(hào)　TN248[1,2]　　使用預(yù)脈沖技術(shù)已在不少元素的平面靶上實(shí)現(xiàn)了單色X射線的飽和輸出,與其相關(guān)[3,4]的計(jì)算機(jī)模擬研究也已廣泛的進(jìn)行。關(guān)于其中的物理過程,目前的理解是:預(yù)脈沖輻照平面靶產(chǎn)生一個(gè)具有一定溫度和密度的預(yù)等離子體。預(yù)等離子體經(jīng)一定時(shí)間膨脹冷卻后,對(duì)X射線激光傳播極為有害的密度梯度大幅

3、度地降低,而電子密度的下降卻不大,此時(shí)到達(dá)的主脈沖迅速將預(yù)等離子體加熱到適合產(chǎn)生X射線激光增益的高溫狀態(tài)。這樣的高溫、高密、低折射的等離子體對(duì)于產(chǎn)生高增益的X射線及其在等離子體中的傳播放大都是極為有益的?！　〉侥壳盀榇?激光輻照平面靶產(chǎn)生X射線激光的設(shè)計(jì)及有關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解釋都主要依賴[5]復(fù)雜和費(fèi)時(shí)的數(shù)值模擬。本文參照對(duì)爆炸箔靶的處理方法,給出了一個(gè)簡(jiǎn)單、直觀的自相似模型。使用這個(gè)模型可以直接得到產(chǎn)生X射線激光等離子體的有關(guān)參數(shù),并可用于優(yōu)化靶物理及驅(qū)動(dòng)激光等實(shí)用參數(shù)。對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的預(yù)言和解釋也具有直觀、迅速等優(yōu)點(diǎn)。1　基本物理假設(shè)和自相似方程　　根據(jù)用預(yù)、主脈沖技術(shù)輻照平面

4、靶產(chǎn)生X射線激光的物理過程,將主脈沖與預(yù)等離子體相互作用的物理過程分為幾個(gè)階段,以求在不影響物理本質(zhì)的情況下簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)處理。1.1　主脈沖與預(yù)等離子體相互作用的物理過程　　在這個(gè)過程中,主脈沖激光主要與由預(yù)脈沖產(chǎn)生的具有一定溫度、尺度和密度的預(yù)等離子體相互作用。激光能量主要被預(yù)等離子體吸收,并加熱等離子體到對(duì)產(chǎn)生X射線光合適的狀態(tài)。該過程由三個(gè)主要階段組成。第一階段　由預(yù)脈沖產(chǎn)生的預(yù)等離子體經(jīng)過一段時(shí)間的絕熱膨脹冷卻后,標(biāo)定長(zhǎng)度由于X國(guó)家863激光技術(shù)領(lǐng)域資助項(xiàng)目1998年1月20日收到原稿,1998年3月26日收到修改稿。李英駿,男,1961年1月出生,副教授,在讀博士?19

5、95-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.162強(qiáng)激光與粒子束第10卷膨脹有了明顯的增長(zhǎng),導(dǎo)致預(yù)等離子體密度梯度的減緩。這時(shí),主脈沖激光開始作用到預(yù)等離子體上,激光的能量被預(yù)等離子體吸收,電子溫度迅速回升。由于主脈沖能量主要作用在預(yù)等離子體上,熱傳導(dǎo)造成的能量損失較小,因此,該階段的預(yù)等離子體可近似看作理想氣體。第二階段　當(dāng)預(yù)等離子體從主脈沖激光中獲得足夠的能量后,電子溫度大幅度提高,等離子體又變得透明。這時(shí),預(yù)等離子體作近似等溫膨脹,預(yù)等離子體可看作理想氣體。第三階段　主脈沖激光停止,等離子體作絕

6、熱膨脹。該過程預(yù)等離子體為理想氣體。流體動(dòng)力學(xué)方程可嚴(yán)格使用于這個(gè)階段?！　∮梢陨戏治隹梢?整個(gè)相互作用過程中的預(yù)等離子體可看作理想氣體。因此,單流體的理想氣體流體動(dòng)力學(xué)方程組可被采用。1.2　預(yù)脈沖產(chǎn)生的等離子體的狀態(tài)(1)　初始條件　　預(yù)脈沖為主脈沖準(zhǔn)備了一個(gè)具有一定溫度、密度和尺度的預(yù)等離子體,因此預(yù)等離子體成為主脈沖和等離子體相互作用過程的初始條件。設(shè)主脈沖開始的時(shí)刻為tm,預(yù)脈沖激光停止時(shí)刻為t1L,總有tm>t1L。在預(yù)脈沖停止前,預(yù)等離子體已達(dá)到透明狀態(tài)。設(shè)預(yù)脈沖達(dá)到透明狀態(tài)時(shí)刻為t1trans,本文僅討論t1trans≤t1L的情況。現(xiàn)給出tm時(shí)刻,預(yù)等離子體

7、的電子溫度Te(tm),定標(biāo)長(zhǎng)度L(tm)和電子密度ne(tm),即主脈沖打靶的初始條件。-2?3-13-5?27?22-2-2?3Te=T1trans(tm?t1L)=0.27(keV)I1mAZK+t1L(tm?t1L)(1)---------1?23?2-7?49?41?2-2?32?3L(tm)=0.091(cm)I1mAZK+t1Ltm(2)--------20-31?2-1?23?4-5?4-1-1?22?3-2?3ne(tm)=20.94×10(cm)I1mAZK+t1Ltm(3)----