高功率激光与电容-线圈靶相互作用产生极端强磁场的实验研究

Strong magnetic fields in high power laser laboratories play a prominent role in high energy density physics. Extremely strong magnetic field greater than kilotesla can be generated by interaction of capacitance-coil target with high power laser, but production and spatial distribution of the hot electrons and thermal expansion of the coil in this process need further research. Firstly, incident laser parameters and the material of lower capacitor plate will be studied to increase production of the hot electrons. Secondly, spatial distribution of the hot electrons on upper capacitor plate will be studied by Kα radiography, for which plate shape will be specially designed to increase collection of the hot electrons. Lastly, thermal expansion of the coil will be studied by high temporal and spatial resolution backlighting radiography, meanwhile process and distribution of the magnetic field will be studied by B-dot probes. Stronger magnetic fields can be achieved by these studies, which will provide an important platform for magnetized high energy density physics research.

强磁场在高功率激光实验室的高能量密度物理问题研究中有着广泛应用。激光与电容-线圈靶相互作用可在线圈内部产生千特斯拉量级以上的极端强磁场，但目前该过程中超热电子的产生规律、空间分布和线圈热膨胀等问题尚缺乏深入研究。本项目拟通过优化入射激光参数和下极板的材料，提高激光与下极板相互作用的超热电子产生效率；采用Kα射线荧光成像的方法，研究超热电子在上极板上的空间分布，设计专门的极板形状提高上极板对超热电子的收集效率；采用高时空分辨的X光背光照相的方法研究脉冲大电流下线圈的热膨胀问题，结合磁探针诊断磁场的时间过程和空间分布。通过本项目的研究，明确线圈中心极端强磁场的形成过程，提高超热电子的产生效率和收集效率以进一步提高磁场强度，为磁化高能量密度物理问题的研究提供重要的平台。

强磁场在高功率激光实验室的高能量密度物理问题研究中有着广泛应用，S. Fujioka教授等在2013年发表的一篇文章，“复活”了1986年H. Daido教授等首先提出的激光和电容-线圈靶相互作用产生兆高斯量级强磁场的方法，在全世界各大高功率激光实验室都重燃了一股研究其产生机理和规律、磁场增强方法、应用于激光聚变黑腔、内爆、快点火、实验室天体物理、其它基础研究等的热潮。本项目组在磁化激光聚变研究目标的牵引下，在本基金支持下，依托SGII高功率激光装置，开展了高功率激光与电容-线圈靶相互作用产生强磁场的细致实验研究，取得了显著进展。设计制作了适用于高功率激光装置的百皮秒时间分辨、大测量范围、抗强干扰的磁探针测量系统，采用反向双线圈结构扣除了电干扰信号干扰，采用导电和绝缘一对电容线圈靶的对比扣除了极板上的自生磁场干扰，准确测量得线圈磁场。发现利用受激拉曼散射谱短波截止测量兆高斯量级磁场的方法，该方法可利用激光实验室中常有的背向反射光谱测量系统进行诊断，具有很强的抗电磁干扰能力，适用于兆高斯量级磁场的原位诊断。通过荧光成像等研究超热电子受磁场等影响的运动轨迹和空间分布，分析了极端强磁场下线圈的热膨胀问题，研究得到决定磁场强度的关键参数和磁场生产的深入机理。优选激光入射角，选用长波长激光，提高功率密度；优选无氧化纯铜靶材、在下极板的内侧即激光打击点位置涂CH、采用非对称极板、在设置光迷宫等靶参数设计优化；提升了超热电子产生效率和收集效率，提高磁场强度，优化磁场品质。为高功率激光实验室中的磁化高能量密度物理研究提供重要的平台。