高能强流脉冲激光离子源研究

直线感应加速器可以用于加速强流离子束，应用于高能量密度物理研究，以及重离子聚变的相关物理问题研究。这些应用对离子源提出了非常高的要求，即同时满足强流（>1A）和低发射度（<1 pi*mm*mrad）两项指标。功率密度大于10^8W/cm^2的激光照射固体材料表面时，将产生低温高密度的等离子体，从等离子体中可能引出强流高亮度的离子束。本项目拟利用流体物理研究所现有的1MV高压感应叠加装置，和100mJ的Nd:YAG激光器，开展高能强流脉冲激光离子源研究。高能量有助于削弱空间电荷效应对离子束品质的影响，降低对强约束磁场的要求，相应的脉冲缩短可以缓解总电荷量对脉宽的压力。我们将采用数值模拟与试验研究相结合的方式，充分认识全过程的物理机制，解决引出强流高亮度束的限制因素，优化系统设计。

本项目采用试验研究、数值模拟与文献调研相结合的方式，对高能强流脉冲激光离子源的物理机制和特征进行了系统的研究。下面简单概述完成的研究工作以及取得的成果。.将2MeV注入器改造为1MV的脉冲高压源，结合现有的激光器，ICCD、光谱仪，与新设计制作的引出与测量系统，激光聚焦系统等，建立了激光离子源试验平台。在此平台上，我们开展了激光离子源试验研究。.1、等离子体自由膨胀试验的测量结果显示，典型的等离子体脉冲宽度约6.1μs，前沿1.7μs，后沿~11.6μs，离子流脉冲峰值滞后激光脉冲~6.1μs，激光等离子体自由膨胀的平均轴向速度~2.1cm/μs。根据测得的离子强度，推算出等离子体密度为1.8e16~1.5e17 cm^-3。.2、测得的激光等离子体的发射谱线大部分是Cu原子的谱线，以及信号很弱的一条Cu+离子谱线和一条Cu2+谱线。根据测量得到的铜原子谱线特征，可以推算出等离子体电子温度为1eV，电子密度为1.4e16cm^-3。.3、当铜靶上的激光功率密度~1e9W/cm^2，引出电压~0.8MV，电压脉冲相对激光脉冲延迟1~4μs时，从激光等离子体中引出了流强>1A，归一化发射度<1pi•mm•mrad的铜离子束。引出电压延时<1μs时，等离子体未充分膨胀，无法引出离子束；延时5~12μs时，等离子体到达阴极头，引出机制复杂；延时12μs后，引出电场作用在等离子体云团的后端面，离子束流强高，电子束流小，但离子束要穿过前方的等离子体，束品质太差。.4、比较典型的引出离子束发射度测量结果为126 pi•mm•mrad，对应Cu+的归一化发射度0.6552 pi•mm•mrad。引出电压相对于激光脉冲的延时对发射度影响很大。延时1~4μs时, 发射度变化不大。当延时增大到6μs左右时，发射度图像变差，但还能推算出相应的发射度。8μs时，已经无法得到有意义的发射度图像。到延时12μs时，发射度图像更差。.对激光离子源全过程的仿真模拟揭示了很多物理规律与物理特征，比如等离子体密度、温度、压强和膨胀速度以及它们随距离和时间的变化规律，还有激光烧蚀靶材和等离子体屏蔽等在试验中无法观测的现象。仿真得到的等离子体密度以及发射谱线与试验结果符合得也比较好。.系统的文献调研加深了对激光离子源工作机制的理解，也有助于我们对试验现象和数值模拟结果的分析。