用單發電子束探測激光等離子體內電磁場演化實驗研究*

殷佳鵬 劉圣廣

(上海交通大學物理與天文學院,激光等離子體教育部重點實驗室,IFSA 協同創新中心,上海 200240)

慣性約束核聚變研究最近取得可喜成果,美國國家點火裝置NIF 裝置實驗上聚變增益達到了輸入激光能量的三分之二.但是,這一成果與人們的預期還有較大差距,需要更深入研究激光與等離子體相互作用初期的動力學過程.我們發展了一種新方法,用單發長脈沖電子束團為探針,測量激光等離子體內電磁場在整個等離子體持續時間內的演化過程.實驗中,高壓靜電電子源產生能量0—100 keV 連續可調、脈寬10ns 的電子束團.1 J,532 nm,脈寬約4 ns 的激光脈沖聚焦到銀靶上,激發產生等離子體.電子束團穿過激光等離子體,被其中的電磁場調制后成像,單發電子束團時間寬度會覆蓋整個等離子體持續時間,通過分析電子束團的調制強度,推得等離子體內電磁場的變化.實驗上成功實現了單發電子束團對整個激光等離子體內電場的診斷測量,獲得了演化曲線,推算出實驗條件下電子束通過路徑上平均電場的最大值約為 7 .74×105 V/m.

1 引言

激光驅動慣性約束核聚變有希望徹底解決人類社會持續發展的能源問題[1-4].最近,美國國家點火裝置NIF 取得可喜成果,實驗上聚變增益達到了輸入激光能量的三分之二,離真正意義上實現增益大于1 的目標更進了一步.但是,這一成果與人們的預期還有較大差距,人們對其中的重要物理過程還需要更深入的認識和理解.一個重要問題是實驗上尚缺乏足夠的診斷手段,特別是具有時間分辨的診斷手段.對激光與等離子體相互作用初期的動力學過程、等離子體臨界密度面附近的能流輸運過程的研究亟待加強.激光與等離子體相互作用過程中[5-7],等離子體內會產生很強的自生慢變電磁場[8-11],時間尺度在皮秒至納秒量級.同時,這些電磁場又對等離子體的運動產生直接或間接的影響,對等離子體時空演化有著極為重要的作用.所以,研究自生電磁場的時空演化,對準確理解臨界面附近的密度時空分布[12]、激光與等離子體的耦合、輻照均勻性、等離子體能量輸運等過程具有重要意義.

現有的等離子體探測方法有主動探測和被動探測兩類[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.由于光子對等離子體中的電磁場不敏感,所以無法得到對激光等離子體時空演化過程起關鍵作用的自生慢變電磁場信息.美國和歐洲一些實驗室已經開展了利用質子束對等離子體動力學過程成像的研究[17-21].這些質子束有些是來自內爆聚變產生的單能質子,有些是來自超短強激光與固體靶作用產生的寬能譜質子[22].其中前者的發散角很大,而且對驅動激光的要求很高,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、結合泵浦探測技術研究等離子內電磁場[23,24],取得了一些很好的結果.但是通過調節時間延遲,通過多發次才能得到演化過程,對于探測整個激光聚變過程中的不穩定性,顯然是不現實的.

我們提出并驗證了一種新方法,以單發電子束團為探針,測量激光等離子體內電磁場在整個等離子體持續時間內的演化過程,實驗上成功實現了單發電子束團對整個激光等離子體內電場的診斷測量,獲得了演化曲線,實驗條件下電子束通過路徑上平均電場的最大值約為 7.74×105V/m.

2 實驗原理和裝置

實驗裝置如圖1 所示.加速器產生的電子束團,脈沖寬度約為10 ns,能量0—100 keV 連續可調.經過銀靶正前方柵網或者小孔,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.532 nm 激 光,脈沖寬 度約為4 ns,寬度與驅動慣性約束核聚變研究的激光寬度相當,經過傳輸和聚焦系統,聚焦在銀靶側棱上,產生等離子體.調節電子束與激光打靶的時間,保證電子束在等離子體持續時間內從等離子體內穿過.等離子體內存在電磁場,其中的電場分量垂直于靶面向外[19,25],沿y方向,如圖1(c)所示.電子束穿過時將受到電場的作用力,使其發生偏轉.電場是變化的,不同時刻穿過等離子體的電子受到不同的偏轉作用,獲得不同的偏轉角.被等離子體內電場調制過的電子束團離開等離子體漂移,穿過外加的偏轉電場,外加電場方向沿x方向,而且確保隨時間線性變化,線性區時間與電子束脈沖時間寬度相當,約為10 ns.外加電場將電子束團沿x方向線性偏開,束團的縱向(z方向)分布將被轉為沿x方向的橫向分布,在閃爍體晶片上成像.注意圖1(b)中,閃爍體所在坐標系與前面坐標系相比,轉過了90°.分析電子束團在y方向的偏轉數據,可以推演得到等離子體內電場在整個持續時間窗口的演化過程.從而實現單發電子束對整個等離子體持續時間內電場的測量.

圖1 實驗原理和裝置示意圖 (a)裝置總體布局;(b)被等離子體內電磁場調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 實驗測量方法

3.1 電子束

電子束由三極高壓靜電電子槍產生.電子槍陰極和陽極之間加0—100 kV 高壓、柵極用一個中心開有直徑0.3 mm 小孔的金屬板代替柵網,減小電子束斑的尺寸.柵極上加柵壓抑制電子發射,同時加有和柵壓極性相反的脈沖開關電壓控制產生電子脈沖,束流離開柵孔后再被靜電加速管加速.所以,靜電加速高壓對束流流強影響不大,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0.967 m,電子束離開電子槍,利用螺線管磁鐵,將電子束在銀靶位置聚焦.圖2 是對電子束流的模擬結果,靜電加速管高壓100 kV,電子初始發射面直徑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 是實驗測量得到的電子束團參數.左圖是示波器采集到電子束團的縱向分布.可以看到,電子束的半高寬約10 ns;右圖是電子束經過小孔后掠過銀靶,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 實驗測量到的電子束分布 (a)電子束團的縱向分布;(b)電子束團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

驅動激光中心波長為532 nm、單脈沖最大能量為1 J,可以運行在單次觸發模式.因為銀靶和電子束都在真空中,激光脈沖要通過傳輸和聚焦系統,通過石英窗口聚焦到真空內的靶上.為了防止打靶實驗中,等離子體物質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,石英窗口遠離打靶點.圖4 是實驗測量得到的激光時間和空間分布,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 激光的時間和空間分布 (a)激光的時間分布;(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 電子束團線性偏轉

如前面所述,被等離子體內電磁場調制后的電子束,漂移后如果直接成像的話,束團的首尾部分會疊在一起,無法分辨.需要施加電場將電子束橫向偏轉,而且電子束團中不同位置獲得不同的橫向偏轉,漂移后成像,才能夠將電子束的縱向位置轉化為橫向坐標.考慮到電子束能量和漂移長度,如果將10 ns 電子束團在成像板成像,橫向被偏轉拉開到20 mm 長,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載后,實驗測得的高壓脈沖信號.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的線性上升沿.可以看到,上升沿有一段10 ns、對應5.44 kV 線性區,能夠達到偏轉的要求.實驗中,需要精確調節電子束通過偏轉極板的時間,使其恰好在這段上升沿時段內通過.

圖5 帶上負載測得的兩偏轉極板間的高壓脈沖信號.平頂寬度5 μs,最高電壓6.32 kV,脈沖電壓信號有一段線性上升沿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空重合

電子束穿過等離子體,才能夠被調制.這就要求電子束與激光脈沖必須實現空間和時間上的雙重重合.實驗上安裝了一套在線望遠鏡系統,可以實時觀測到銀靶及靶上標記點.將電子束在銀靶前面適當調大束斑,部分電子被靶擋住,在后面成像板觀測電子束像,可以確定激光和電子束的相對位置,結合靶室的三維調節,可以實現二者的精準空間重合.時間重合,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.實驗上利用一臺高精度的數字信號發生器DG645,精確調節各個通道間的時間延遲,實現三者間優于ns 的時間同步.

4 結果及討論

首先調節電子束與偏轉電壓的時間同步,觀測高壓偏轉電場對電子束的偏轉作用如圖6 所示.上面的電子束斑是沒有偏轉電壓作用條件下,在成像板上的像;下面是線性高壓將電子束團橫向拉開形成的像,電子束被偏轉后經過800 mm 距離的漂移,在成像板上被拉開為19 mm 的直線.這一橫向長度,直接對應電子束脈寬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,束斑會一定程度變大.

圖6 沒有激光時的電子束斑.上面的束斑,偏轉極板間沒有電壓;下面的束斑,偏轉極板間有電壓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.

調節電子束與激光的空間重合,調節激光、電子束和偏轉高壓三者時間同步,測量10 ns 電子束被等離子體內電場調制曲線,如圖7 所示.實驗中,電子束的能量為85 keV,銀靶與成像板的距離為800 mm.假設電子開始被調制的起點就是等離子體產生的初始時刻,那么,電子在初時刻后ΔT=2.6 ns 時,被等離子體內的電場在成像板上偏開最大,被偏轉量ΔL=3.64 mm.

圖7 10 ns 電子束被等離子體內電場調制后分布Fig.7.Distribution of the electron bunch with 10 ns length modulated by the electric field of the laser plasma.

假設激光激發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強度為E,電子經過等離子體受到的 庫侖力為E·e,e是電子電量.電子經過等離子體后獲得的橫向速度為E·e·l/mv,其中,v是電子運動的縱向速度.離開等離子體時電子獲得的偏轉角為θ=E·e·l/mv2,以此偏角漂移距離L,電子橫向偏開的距離

其中Ek就是電子的動能.根據(1)式和實驗測得的偏開距離,可以推算出電場強度.偏移距離最大處ΔL=3.64 mm,對應的電子束通過路徑上平均電場的最大值為 7.74×105V/m.以此類推,可以推算出等離子體持續時間內任意時刻電子束穿過路徑上平均的電場強度.電場最大值定標后,實驗測得的曲線圖7,就是等離子體內電場的時間演化曲線,縱軸是時間0—10 ns,橫軸是對應的電場強度.

5 結論與展望

本文用單發長脈沖電子束團為探針、發展了一種新方法去測量激光等離子體內電磁場在整個等離子體持續時間內的演化過程.實驗中,高壓靜電電子源產生能量0—100 keV 連續可調、脈寬10 ns的電子束團.1 J,532 nm 和脈寬約4 ns 的激光脈沖被聚焦到銀靶上,激發等離子體.電子束團穿過激光等離子體,被等離子體內的電磁場調制,經偏轉后成像.單發電子束團時間寬度會覆蓋整個等離子體持續時間.通過分析電子束團的調制強度,推得等離子體內電磁場的變化.實驗上成功實現了單發電子束團對整個激光等離子體內電場的診斷測量,獲得了演化曲線,得到了實驗條件下激光等離子體內最大電場強度約 7.74×105V/m.

驗證實驗的成功,表明這種測量方法可行、有效.我們正在建造一臺100 MeV 的電子直線加速器,將用這種電子探針技術測量慣約聚變研究中高密度等離子體內電磁場的演化,為認識、理解高密度等離子體內動力學過程提供重要實驗依據.