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采用强超短脉冲激光激发千电子伏特离子分布——近固体密度核反应

发布时间: 2019-10-20 15:58:30   作者:本站编辑   来源: NATURE COMMUNICATIONS   浏览次数:

 

  我们对天体现象的理解取决于低频率的带电粒子核反应的精确测量。从历史上讲,测量天体条件相关的核反应不太可能,因而需采用加速器,导致了一个问题的出现:即从冷固体靶到等离子体的屏蔽修正是否正确。本工作讨论了近临界密度等离子体,其离子温度为千万摄氏度,其中可测量的反应产物将在类似天体物理条件下产生。

  

  1.设计示意图

  先前采用短脉冲激光的实验直接烧蚀高准直的纳米线靶,然而该途径最大化了激光吸收和离子能量。在离子空间和速度分布函数上导致了较大并复杂的梯度函数。同样,近期实验直接作用在低密度泡沫(<160mg/cc)的结果呈现几兆电子伏特的离子能谱。这种对等离子体条件控制的缺失造成该方法难以控制核反应,而该过程要求参数要各向同性。团簇库仑爆炸可用于产生天体相关的核反应,但同样面临梯度问题。

  如图1所示,本工作提出采用靶后法线鞘层加速机制(TNSA)来诱导近临界密度、无结构纳米泡沫靶的快速膨胀,其中未避免激光直接烧蚀加入了固体层。亚皮秒激光与固体作用中离子被加速的主要机制是靶法线鞘层加速机制,激光产生的相对论电子产生的德拜势场垂直于靶表面,持续时间为几倍激光脉宽。电场的幅值为TV/m,与激光强度直接相关。在实验中强短脉冲激光直接与微米薄膜作用,TNSA可直接将离子加速至几十MeV

  MeV能量的电子洪流经过靶时将电离并加速离子,在法线方向的靶表面纳米尺度内成丝,进而在几百飞秒内将泡沫靶转换为均匀,各向同性的等离子体。

  研究中激光聚焦在固体密度薄膜上,后面临近放置纳米尺度结构的泡沫薄膜。在泡沫后面模拟中也设置放置薄膜,尽管该层并不影响离子分布函数。高能电子冲击靶材并导致泡沫靶内电子迅速加热。离子在靶内经历了两次能量增长,一次来源于激光产生的MeV电子在100fs时到达泡沫靶,在真空间隙处产生自由电荷即电场,在100-150fs,离子扩散并降低了电场导致离子加速截至。第二次激增来自于成丝内电子温度的增长,在150-200fs,促使电荷分离场提高。

  离子分布函数可用于推导泡沫中等离子体条件,并可低反应率的可靠数值。该研究需要高对比度激光系统,当激光聚焦强度达到1018W/cm2时,预脉冲要低于1mJ,进而阻止冲击波加热,而激光能量则要接近100J。即使将激光能量下降100倍,即1J,近期实验仍产生了可观测的核反应量。

  摘译自:A.J. Kemp et al. Generating keV ion distributions for nuclear reactions at near solid-density using intense short-pulse lasers. NATURE COMMUNICATIONS | (2019) 10:4156

   

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