重复频率毛细管放电软X射线激光研究

实现重复频率毛细管放电类氖氩46.9nm软X射线激光输出，对台式软X射线激光的广泛应用具有重要的意义。本项目在新建造的重复频率主脉冲和预脉冲电源的基础上，进一步完善重复频率毛细管放电软X射线激光实验装置。在该装置上，首先开展单次运转模式下的软X射线激光研究，并获得最佳激光输出。在此基础上，研究重复频率下，主脉冲放电前毛细管中初始等离子体状态的变化情况，进而有效地控制初始等离子体状态，保证主脉冲电流对等离子体Z箍缩的均匀性。采用合理的冷却方案，解决重复频率放电时毛细管的冷却问题，进而实现重复频率毛细管放电46.9nm软X射线激光输出。结合理论计算结果，深入研究辅助气体对激光的影响。最终确定重复频率激光输出的最佳参数，包括主脉冲电流、预脉冲电流、预主脉冲延时、初始气压等参数，实现重复频率1Hz，单脉冲能量>0.05mJ的46.9nm软X射线激光输出。

实现重复频率毛细管放电类氖氩46.9nm激光输出，对软X射线激光的广泛应用具有重要的意义。在理论上，采用一维磁流体力学模型，模拟了毛细管放电等离子体的Z箍缩过程。计算了等离子体半径、等离子体中平均电离度和类氖氩离子丰度随时间和空间的演变，所得的计算结果与实验结果符合的很好。在已有的重复频率主脉冲和预脉冲电源的基础上，进一步完善了重复频率毛细管放电软X射线激光实验装置。建造了预主脉冲延时系统、放电室、真空室以及预主脉冲隔离电感，其中在隔离电感建造时，采用环形气体开关，减小了第一半周期之后的电流流过毛细管，有效地解决了毛细管和电极上能量沉积的问题。在此基础上，对预脉冲放电产生的初始等离子体状态进行了诊断，测量了气压、电流等参数对等离子体电子温度和电子密度的影响。在2分钟一个脉冲的运转模式下，采用不同的主脉冲电流和不同内径的毛细管，对类氖氩46.9nm激光进行了实验研究。采用内径3.2mm的毛细管，在主脉冲电流幅值34kA时，获得了46.9nm激光输出。但是由于电流幅值过高，导致毛细管管壁烧蚀严重，电极熔化，因此不适合产生重复频率1Hz激光输出。为了减小管壁的烧蚀，将主脉冲电流幅值减小到27kA，获得了46.9nm饱和激光输出。研究了初始气压、预脉冲电流幅值、预主脉冲延时等参数对46.9nm激光的影响，获得了最佳参数。46.9nm激光的增益系数为g=1 cm-1，增益长度积gL=34。为了进一步减小管壁的烧蚀，采用内径4.0mm的毛细管开展了实验研究。在主脉冲电流幅值27kA时，获得了产生46.9nm激光的最佳实验参数，其激光能量是内径3.2mm毛细管时的3倍。实验测得激光增益系数达g=1.34 cm-1，增益长度积gL=45，高于目前国际上其它研究小组报道的增益系数值。由于在相同增益介质长度的情况下，我们的增益系数大于美国小组，因此我们获得的激光能量应大于美国小组报道的1mJ。以上参数高于课题申请时的增益长度积GL≈20，能量50－100μJ的预期指标。在此基础上，采用内径4.0mm的毛细管，在主脉冲电流幅值27kA时，获得了重复频率1Hz类氖氩46.9nm激光输出。激光的重复频率仅次于美国小组，且达到了课题申请时的预期指标。此外，在低电流幅值、低气压条件下，国际上首次获得了毛细管放电类氖氩69.8nm和72.6nm激光输出。