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1、弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究第25卷第1期2006年2月河南理工大学JOURNALOFHENANPOLYTECHNICUNIVERSITYVoI_25NO.1Feb.2006弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究李辉,一,郝建军,何俊.v(1.北京人民警察学院公安科技教研部.北京102202;2.中国矿业大学(北京)信息工程研究所,北京100083;3.河南理工大学能源学院.河南焦作454003)摘要:介绍了在泵浦激光辐照弯曲靶情况下x射线激光(XRL)的生成放大过程,依照London理论建立了简化的弯曲等离子体模型,并通过简化模型研究了x射线激光在弯
2、曲等离子体中的传播和增益过程,给出了光线传播的简化解析方程.模拟结果说明当弯曲靶表面曲率半径为2.8～3.0m时输出效果最好,并在随后进行的类氖一钛XRL实验中证明了弯曲靶技术能明显提高XRL输出强度.但实验结果表明输出强度没有质的跃变,原因可能是驱动能量低.模拟结果较好地符合了实验结果.关键词:X射线激光;等离子体;增益区;预脉冲中图分类号:X924.2文献标识码:A文章编号:1007-7332(2006)01-0058-04O引言1984年美国利弗莫尔实验室(LLNL)的Matthews等人用电子碰撞激发泵浦机制首次获得x射线激光(XRL)以来-lJ,对
3、x射线激光的研究取得了令人瞩目的进展.由于x射线激光既具有x射线波长短,能量高,又兼有激光亮度高,相干性好的特点,因此它在安全检测领域有着广阔的应用前景.例如生产颗粒粒度仪利用激光衍射散射原理,测量粉体颗粒的粒度分布.目前,实验室的激光等离子体x射线激光都是通过放大的自发辐射(ASE)来实现的-2】.在X射线激光的传输中,只有当x射线沿着窄长的等离子体柱中适当条件的增益区传播时,才能被放大并产生X射线激光.光在传播过程中由于等离子体密度不均匀性导致部分光线在未经充分放大之前就因折射效应从增益区逃逸出去-3】.如何能减少因折射效应而损失的光线从而提高x射线的输
4、出强度,人们采用了很多方法,实验中常用的有预脉冲技术和弯曲靶技术.弯曲靶技术能够提高XRL输出已被许多实验所证实-4.5J,但这些实验通常是将其与预脉冲或对接靶技术一起使用,至于弯曲靶技术在改善输出强度能有多大贡献,至今尚不清楚.本文利用简化模型对单面辐照弯曲靶产生的等离子体中光的传播放大进行了理论上的研究.模型的建立与分析对直等离子体中X射线传播放大的问题很多人进行过研究,1997年中国工程物理研究院的李英骏等根据London的理论-6J得出了平面箔靶产生的直等离子体中射线的解析方程[.此后,哈尔滨工业大学的张新陆等利用毛细管放电等离子体模型给出了射线方程
5、的柱坐标形式[8].泵浦激光经过线聚焦系统后辐照在靶面上,靶面物质就会被瞬间加热成气态等离子体,它是激光的激活介质与增益介质.对于辐照弯曲靶产生的等离子体增益介质,采用以下模型描述:等离子体增益区为沿轴方向伸展的,长为L的细长的稍微弯曲的长方体(图1),密度的改变发生在垂直于靶面的z方向,而x射线激光沿轴方向放大,在方向的所有性质是不变的.收稿日期:2005?10?12基金项目:国家自然科学基金资助项目(50404015);国家自然科学基金仪器专项(50427401)作者简介:李辉(1970.).女.河南镇平人.讲师.在读博士生.从事通信和安全监控方面研究E
6、-mail:lihuipl13@sohu.tom第1期李辉等:弯曲等离子体中X射线激光传播特性研究59由直等离子体的简单线性分布的电子密度['】可以导出的电子密度的刨面形式为:.I1一l,(1)厶式中,,z0为增益区最大电子密度,L为增益区的厚度,大约几百微米,R为弯曲靶的曲率半径,一般约几米.由于R》z,(1)式可以简化为n≈n.i一).图1等离子体简化模型Fig.1SimplifiedModelofPlasma(2)我们采用射线方程来描述X射线的传播,根据费玛原理,用拉格明日法描述的射线方r槿为岳()=(3)式中,ds是沿光线传播方向的路径微分,为射线位
7、置矢量,叩是等离子体的折射系数,一般在等离子体中其表达式为7=1-[一—no(12Rx+一Z222j-],㈩式中,,z为等离子体的临界电子密度,,z=跏ec2/(e2A);.,z为等离子体的电子密度;为电子的有效质量;c为光速;为x射线的衍射波长.由于》,折射系数可进一步简化为=(1一ne),对射线方程我们只考虑一维情况,考虑,z》,z,可≈1,在傍轴近似条件下将方程进一步简化为爷7,(5)这是个矢量方程,写成分量的形式为::.￡+.(6)V:.十_J'd,z0ds2—4ncRL'dz0zds一2nRL'上述两方程的解为砑no++.,z～ex).+~2ex
8、p{一压).,(7)(8)(9)(10)式中,0为生
