超短脉冲强激光作用亚波长周期微结构靶的超热电子发射研究

超短脉冲强激光作用靶物质产生超热电子在快点火和产生各种强辐射源方面都有很广泛的应用，本项目拟对亚波长周期微结构靶增强激光能量吸收和超热电子发射进行实验和理论研究，通过系统测量激光能量吸收效率、超热电子产额、能谱和角分布等参量随靶参数和激光参数的变化规律，并结合数值模拟和解析理论，深入理解亚波长周期微结构靶增强激光能量吸收效率和超热电子产额的物理机制；进而提出适合于目前主流激光参数、对制靶工艺和激光脉冲对比度要求较低的实验方案来增强超热电子产额。

超短脉冲强激光与物质相互作用产生超热电子广泛的应用于基础研究和工业应用领域例如快点火核聚变、超快X射线、高能离子和中子等强辐射源。超热电子份额的精确测量是快点火和强辐射源研究的基础，超热电子的增强方法也得到了广泛的关注。本项目最初的研究目标是通过测量从靶材料中逃逸出来的超热电子信息对亚波长周期微结构靶这一超热电子增强方式进行细致研究，从而希望提出实验和应用成本更低的超热电子增强方法。但我们在研究过程中发现，从靶材料中逃逸出来的超热电子只占了超热电子总量的一小部分，绝大部分超热电子在靶材料内部沉积能量热化掉、没有逃出靶材料。要对超热电子总量进行测量，需要重点诊断没有逃出靶材料的那部分超热电子。因此，在超热电子产生方面，我们的研究重点调整为通过测量超热电子诱导的X光来定量诊断超热电子份额。过去的研究主要通过测量超热电子诱导的Ka线辐射来推断超热电子数量，这种方法实验操作简单，但需要对超热电子能谱进行人为假定，使得诊断结果可靠性较低。我们改进的研究方法同时测量2keV-20MeV能区超热电子诱导的线辐射和轫致辐射连续谱，可以自洽的给出超热电子能谱和数量信息，提高了诊断结果的可考性。为此，我们发展了一系列X光能谱定量诊断技术并取得了一些重要进展，例如将单光子计数CCD的测谱范围扩展到20-80keV区域、发展了多像素事件提取方法、并定量标定了探测效率以及Ag线谱和Compton散射电子谱等杂散信号激发效率，对关键的成像板记录介质在20-150keV区域的量子效率曲线进行了定量标定，设计制作完成了10-50keV和20-120keV能区的双通道透射弯晶谱仪、掌握了晶体弯曲方法这一关键技术，设计制作了测量15-400keV能区X光能谱的滤片堆栈谱仪，设计了测量1-20MeV能区X光能谱的Compton反冲电子谱仪。掌握了超热电子转换为X光过程的定量蒙卡模拟方法，成功的应用在诊断设备的设计中。利用此模拟方法，我们在轫致辐射强度随靶材料依赖关系方面取得了重要进展，解释了实验中发现没有单调依赖关系的困惑。在超热电子增强方法的研究方面，实验上发现高脉冲对比度激光可以在固体靶背后产生能量集中度更高的超热电子发射，从而能够增强靶背鞘加速的高能离子；理论上初步发现利用全光方法可以产生与亚波长周期微结构靶特征类似的表面等离子体波共振激发效果，从而大大降低了实验成本。