激光等離子體中相干Thomson散射的實(shí)驗(yàn)研究

1、第12卷第6期2000年11月強(qiáng)激光與粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.12,No.6VolNov.,2000文章編號:1001-4322(2000)06-0715-04激光等離子體中相干Thomson散射的實(shí)驗(yàn)研究白波1,鄭堅(jiān)1,蔣小華2,袁曉東2,鄭志堅(jiān)2,俞昌旋1,劉萬東1,徐冰2,向勇2,趙春茁2,劉永剛2,陳銘2(1.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥230027;2.中國工程物理研究院高溫高密度等離子體物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川綿陽919-988信箱621900)摘要:在“星光II”裝置上進(jìn)行了相干Thomson散射實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中以0.35m激光為作用束

2、,以0.53條紋相機(jī)和m激光作為探針光束,散射光采用反射式收光系統(tǒng)配光譜儀、TeCCD記錄,得到較高時(shí)間和空間分辨散射光譜,分析得出時(shí)間變化的激光等離子體參數(shù)Z和ui。關(guān)鍵詞:激光等離子體;相干Thomson散射;電子溫度中圖分類號:O53文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A激光等離子體相互作用是慣性約束聚變(ICF)領(lǐng)域中的重要研究方向。在當(dāng)前的點(diǎn)火靶設(shè)計(jì)中,激光在與大尺度的高密等離子體相互作用后被吸收,而激光等離子體中的受激布里淵散射和受激拉曼散射等過程將損失其中一部分能量,從而降低激光與靶的耦合效率。等離子體的電子溫度、密度以及離子波阻尼等參數(shù)將決定這些受激散射過程的閾值、增益和飽和,并進(jìn)而決定它們引起的激光

3、能量損失。Thomson散射作為一種主動而無干擾地診斷等離子體的方法,能夠在較高的時(shí)間和空間分辨上精確測量等離子體參數(shù),研究等離子體中的參量不穩(wěn)定性過程、湍流和各種相干結(jié)構(gòu),為計(jì)算機(jī)模擬激光打靶提供基準(zhǔn)數(shù)據(jù),從而校正數(shù)值模擬的結(jié)果。因而美國的LLNL實(shí)驗(yàn)室從1996年開始,進(jìn)行了從盤靶到腔靶的一系列相干Thomson散射實(shí)驗(yàn)13,取得大量的數(shù)據(jù)并校正了其模擬程序。結(jié)合當(dāng)前我國激光聚變領(lǐng)域的急迫需求,我們在“星光II”裝置上進(jìn)行了相干Thomson散射實(shí)驗(yàn),成功地獲得激光等離子體的電子溫度和離子漂移速度等流體參數(shù),為提供模擬程序基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的工作奠定了基礎(chǔ)。1實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1Theschemati

4、cdiagramofexperimentalarrangemen圖1實(shí)驗(yàn)布局圖收稿日期:2000208203;修訂日期:2000210217基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(19735002);國家863慣性約束聚變領(lǐng)域基金(863241621.2);國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)基金試點(diǎn)項(xiàng)目(98JS77.11.1.ZK0104)作者簡介:白波(19772),男,碩士研究生。 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.716強(qiáng)激光與粒子束第12卷“星光II”裝置由原單路激光器升級為主束和子束兩路。保留原光路為主束

5、,作為產(chǎn)生等離子體的打靶激光;從原光路中70空間濾波器出口處分光,經(jīng)過棒放大器和空間濾波器放大整形作為子束,提供Thomson散射探針光。兩路的參數(shù)如下:主束末極輸出口徑180mm,經(jīng)倍頻晶體倍頻后波長為0.351m,譜寬2,散射屬于相干散射范疇,散射功率譜由不同電子散射電場干涉疊加而成。從(2)式看出, =0反映了低頻離子聲波和高頻電子等離子體波引起的共振。由于所探測的散射光頻率與探針光頻率接近,實(shí)驗(yàn)僅測量了離子聲共振,其色散關(guān)系為=cs2+kAmp1+(k)ZTeD(3)其中cs為離子聲速,A為靶材原子量,mp為質(zhì)子質(zhì)量,考慮與差矢k同向與反向的離子聲共振,Thomson散射光譜中離子聲共

6、振的雙峰頻率間隔為離子聲頻率的兩倍,在激光等離子體中,Ti ZTe1,因而(3)式根號下第二項(xiàng)可以忽略,k0.50,k是散射差矢k方向單位矢量,ui是離子漂移速度c)以反推出離子漂移速度。Fig.2Time2resolvedThomsonScatteringspectrafromAuplasmasdetectedatadistanceof200mfromthetarget(a)andmeasuredspectraattwodifferenttime(b).圖2在靶前200m處測得的時(shí)間分辨的Au等離子體Thomson散射信號(a)以及兩個(gè)不同時(shí)刻的散射光光譜(b)Te和離子漂移速度ui的時(shí)間變

7、化關(guān)系,如圖(3)所由(5)式和Doppler頻移公式,得到等離子體參數(shù)ZTe值由初期最大值36keV很快減小為示?？梢钥吹?當(dāng)加熱激光束脈沖過去以后,等離子體迅速冷卻,Z107cm s左右,然后以較快速度減少。Fig.3Dependenceof(a)ZTeand(b)iondriftvelocityonthetime-圖3ZTe(a)和離子漂移速度(b)隨時(shí)間變化關(guān)系圖- 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.718強(qiáng)激光與粒子束第12卷3結(jié)論Te和離子漂移速度的時(shí)間演利用相干Thomso

8、n散射診斷出高時(shí)空分辨的激光等離子體參數(shù),給出ZTe從開始的36keV迅速減少,而ui先維持在1.9107cm 化,發(fā)現(xiàn)Zs左右,然后以較慢的速度減少。致謝感謝中物院“星光II”運(yùn)行小組和制靶小組的辛勤勞動。參考文獻(xiàn):1499.ThomsonscatteringJ.PhysRevLett,1996,77:14962GlenzerS,BackC,SuterL,etal.Thomsonscatteringfrominertial2confinement2fusionhohlraumplasmasJ.PhysRevLett,1997,79:12771280.3GlenzerS,RozmusW,Mac

9、GowanB,etal.Thomsonscatteringfromhigh2Zlaser2producedplasmasJ.PhysRevLett,1999,82:97100.4HutchinsonI.PrinciplesofplasmadiagnosticsM.NewYork:CambridgeUniversityPress,1987,258273.5FontaineL,BaldisH,VilleneuveD,etal.Characterizationoflaser2producedplasmasbyultravioletthomsonscatteringJ.Phys2341.Plasmas

10、,1994,1:2329CollectiveThomsonScatteringfromaLaser-ProducedPlasma112221BAIBo,ZHENGJian,JIANGXiao2hua,YUANXiao2dong,ZHENGZhi2jian,YUChang2xuanLIUWan2dong1,XUBin2,XIANGYong2,ZHAOChun2zuo2,LIUYong2gang2,CHENMin2(1.DepartmentofModernPhysics,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Anhui230027,China;2.NationalKeyLaboratoryofLaserFusion,CAEP,P.O.Box9192988,Mianyang621900,China)ABSTRACT:Time2resolvedThomsonscatteringwassuccessfullyperformedtodiagnosetheparametersoflaser