激光加速MeV电子束用于等离子体诊断的理论和实验研究

The quasi-monoenergetic, megaelectronvolt (MeV) electron beam, accelerated by an ultrashort, ultraintense laser, has the following properties: small source size (equivalent of a point source), short bunch length (tens of femtoseconds to 1 ps), good collimation (divergence less than 1 degree), high brightness (charge on the order of 100 pC), and synchronized with the laser pulse. Such a relativistic electron beam being applied as an ultrafast charged-particle probe, will provide new methodologies and techniques to plasma diagnostics. This project will conduct theoretical analysis, numerical simulations by Monte-Carlo methods, and experimental study on MeV-electron diagnostics of plasma as in laser driven inertial confinement fusion (ICF). Special focus will be on the radiography of the ICF plasma, diagnosis of density nonuniformity due to hydrodynamic instabilities, and electromagnetic fields in the plasma. It is anticipated that by completing the project, theoretical bases of the MeV-electron beam diagnostics to plasma will be established. Also, the principle of radiograph ICF high-density plasma will be developed, and a new method to measure the areal density will be suggested. The plasma density nonuniformity will be diagnosed by 1-10 MeV electron beams, density nouniformity less than 2% would be detected. An approach will be proposed to use an MeV-electron beam to diagnose complicated configuration of electromagnetic fields in plasma.

超短超强激光加速产生的准单能谱MeV电子束，具有源尺寸小（等效于点源）、脉宽窄（几十飞秒到1皮秒）、准直性好（发散角小于1度）、高亮度（电量~100 pC）、与驱动激光时间同步等特点。以这样的相对论电子束作为超快电荷粒子束探针，可为等离子体诊断提供新型方法和技术。本项目将开展MeV电子束应用于激光惯性约束聚变（ICF）等离子体诊断的理论分析、蒙特卡罗数值模拟和实验研究，特别是ICF等离子体的"透视"诊断、流体力学不稳定性等产生的密度不均匀性诊断、以及等离子体中电、磁场诊断。预期建立MeV电子束应用于等离子体诊断的理论基础；建立4 MeV及以上能量电子束"透视"ICF高密度等离子体的理论，提供面密度诊断的新方案。利用1-10 MeV电子束诊断等离子体不均匀性，不均匀度的诊断灵敏度达到优于2%。为MeV电子束对复杂位形电、磁场的诊断提供可行性方案。

超短超强激光加速产生的兆电子伏特(MeV)能量电子束，具有源尺寸小、脉宽窄、与驱动激光时间同步等特点。这样的电子束作为超快带电粒子束探针应用，可为等离子体诊断提供新型方法和技术。本项目针对MeV电子束应用于诊断激光聚变等离子体等稠密物质靶的研究，特别是发展MeV电子照相术取得了系列结果：1）明确了电子束-靶物质作用的物理过程与诊断原理之间关系。在MeV电子照相术中，基于电子在物质中能量损失诊断靶的厚度不均匀性。在入射束参数优化条件下能够分辨0.3%的厚度不均匀性。基于电子在靶物质中弹性散射来诊断靶界面。在一定条件下，电子照相术产生的对比度可好于X射线照相术。这些结果也适用于质子照相术。2）提出利用能量为100 MeV量级电子照相的散射来诊断或辨认不同材料界面、激光烧蚀面或激波面等陡峭密度梯度区，分辨能力可达到亚微米，且几乎不受入射束能量发散的影响。为高空间分辨诊断稠密物质中界面提供了一种新方法。3）提出利用MeV电子照相的散射来诊断稠密等离子体的面密度，并获得了面密度与入射电子束能量、散射角的定标律等规律性结果。4）在工作中还编写了一个基于蒙特卡罗方法的计算程序，用于研究电子束在等离子体中三维传输。5）在产生MeV电子束的研究中，发现在一定条件下外加磁场有助于提高激光尾波场中电子自注入效率以及加速电子的能量增益。6)还提出一种方法即利用微分干涉对靶物质进行X射线成像与相位还原，空间分辨能力可达亚微米。本项目研究取得的结果包括建议的诊断方法可用于稠密等离子体或其他物质的高空间分辨诊断。