高能电子成像对高功率激光与金属固体靶相互作用超快动态成像的实验研究

High energy electron radiography is considered as one of the most effective diagnostics tools for high energy density physics (HEDP) and inertial confinement fusion (ICF) experiment research. The principle of electron radiography is as follows: when the electrons interact with the target, the forward transmitted and scattered electrons will include the target information; these electrons are used to be point to point imaging with magnet lens section, which used for diagnosing the target. For the HEDP and ICF diagnostic, the temporal resolution should be with picosecond to nanosecond level. The main of this project is to study the temporal resolution of the high energy electron radiography by imaging the ultra-fast dynamic interaction between high power laser and solid metal target. Furthermore, the interaction of high energy electrons and plasma can be preliminarily studied. The ultra-fast dynamic interaction between high power laser and solid metal target can be studied with high electron radiography experiment, and the laser target interaction can be studied with the PIC simulation. By contrast of the experiment results and simulation results, the high energy electron and plasmas interaction can be studied, specially for the electron transvers parameters and energy dispersion effected by plasma, which can be used as a reference for the future HEDP and ICF experiment research.

高能电子成像视为高能量密度物理（HEDP）及惯性约束聚变(ICF)实验研究的有效诊断方法之一，其利用电磁透镜将与靶透射和前向散射的电子点对点成像，从而实现对靶物质的诊断。针对HEDP和ICF实验诊断时间分辨率在皮秒至纳秒量级的要求，本项目拟通过高能电子对强激光与金属固体靶相互作用的超快动态成像实验，对高能电子成像系统的时间分辨率进行研究，进而对高能电子与等离子体的相互作用进行初步的研究。拟从实验和模拟两个方面进行：实验方面用高能电子成像系统对高功率激光与固体靶相互作用产生等离子体这一动态过程进行成像研究；理论方面用PIC模拟软件对高功率激光与固体靶相互作用产生等离子体的动态过程进行模拟研究。将实验结果和理论结果相对比，进而对高能电子和等离子体的相互作用，特别是等离子体对透射和前向散射电子横向分布和能量影响进行初步研究，为将来应用HEDP和ICF实验诊断研究提供参考。

本项目旨在对提出的高能电子成像技术及其在高能量密度物理和惯性约束聚变实验诊断中的一些关键问题进行研究。针对诊断需求，对诊断技术要求其具有高时空分辨能力，本课题重点是动态成像及相关束流调控模拟和实验方面的研究。主要研究内容及重要结果有以下几个方面：.（1）依据清华大学加速器实验室布局，设计和搭建了专用的成像束线，在实验中获得了空间分辨好于4um的结果。同时模拟研究了束流打靶时的位置角度关系对成像的影响，这是首次给出束流匹配的重要性的直观结果，对带电粒子成像有通用性。.（2）针对提出的三个正交方向的成像方案，模拟研究了脉冲串束团超快分束的方案的可行性，同时给出了分束后的束流品质参数，以利于后续束流传输及成像研究。.（3）针对实验中遇到的束流横向分布不均匀的问题造成实验结果分析困难和错误的问题，提出了利用非线性磁场实现横向均匀束的方法，并通过模拟验证了可行性，同时给出加入非线性场不会改变束流匹配要求。.（4）设计并模拟研究了兰州高能电子成像实验平台加速器束流动力学传输，为后续平台搭建和实验提供理论依据。.（5）实验获得了高能电子成像对激光打靶变化的动态成像，目前实验结果在进一步分析处理中，相关理论模拟也在进行中。.通过本项目的研究，对高能电子成像这一关键技术进行了实验及模拟方面的相关研究，提升了其成像能力及应用范围，同时实现了动态成像，为后续发展及应用奠定了基础。