预主脉冲辐照平面靶产生X射线激光的自相似模型

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1、第10卷　第2期强　激　光　与　粒　子　束Vol.10,No.21998年5月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSMay,1998预主脉冲辐照平面靶X产生X射线激光的自相似模型1,2113李英骏　张杰　彭翰生　张毓泉(1.中国工程物理研究院核物理与化学研究所,成都525信箱84分箱,610003)(2.中国工程物理研究院研究生部,北京8009信箱30分箱,100088)(3.北京计算物理与应用数学研究所,北京8009信箱,100088)　　摘　要　利用自相似方法,定量地描述了预主脉冲辐照平面靶产生X射线激光的物理过程。解析地给出了各物理参量之间的关系,

2、计算结果与实验符合的较好。结果表明:合理地选择预、主激光脉冲的能量匹配和时间间隔,就可以在较低能量的激光装置上产生较强的X射线激光输出。这一结果为简化预脉冲条件下平面靶X射线激光的实验设计和直观定量地解释实验结果提供了一套有用的工具。　　关键词　X射线激光　自相似方法　　中图分类号　TN248[1,2]　　使用预脉冲技术已在不少元素的平面靶上实现了单色X射线的饱和输出,与其相关[3,4]的计算机模拟研究也已广泛的进行。关于其中的物理过程,目前的理解是:预脉冲辐照平面靶产生一个具有一定温度和密度的预等离子体。预等离子体经一定时间膨胀冷却后,对X射线激光传播极为有害的密度梯度大幅

3、度地降低,而电子密度的下降却不大,此时到达的主脉冲迅速将预等离子体加热到适合产生X射线激光增益的高温状态。这样的高温、高密、低折射的等离子体对于产生高增益的X射线及其在等离子体中的传播放大都是极为有益的。　　到目前为此,激光辐照平面靶产生X射线激光的设计及有关实验结果的解释都主要依赖[5]复杂和费时的数值模拟。本文参照对爆炸箔靶的处理方法,给出了一个简单、直观的自相似模型。使用这个模型可以直接得到产生X射线激光等离子体的有关参数,并可用于优化靶物理及驱动激光等实用参数。对于实验结果的预言和解释也具有直观、迅速等优点。1　基本物理假设和自相似方程　　根据用预、主脉冲技术辐照平面

4、靶产生X射线激光的物理过程,将主脉冲与预等离子体相互作用的物理过程分为几个阶段,以求在不影响物理本质的情况下简化数学处理。1.1　主脉冲与预等离子体相互作用的物理过程　　在这个过程中,主脉冲激光主要与由预脉冲产生的具有一定温度、尺度和密度的预等离子体相互作用。激光能量主要被预等离子体吸收,并加热等离子体到对产生X射线光合适的状态。该过程由三个主要阶段组成。第一阶段　由预脉冲产生的预等离子体经过一段时间的绝热膨胀冷却后,标定长度由于X国家863激光技术领域资助项目1998年1月20日收到原稿,1998年3月26日收到修改稿。李英骏,男,1961年1月出生,副教授,在读博士©19

5、95-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.162强激光与粒子束第10卷膨胀有了明显的增长,导致预等离子体密度梯度的减缓。这时,主脉冲激光开始作用到预等离子体上,激光的能量被预等离子体吸收,电子温度迅速回升。由于主脉冲能量主要作用在预等离子体上,热传导造成的能量损失较小,因此,该阶段的预等离子体可近似看作理想气体。第二阶段　当预等离子体从主脉冲激光中获得足够的能量后,电子温度大幅度提高,等离子体又变得透明。这时,预等离子体作近似等温膨胀,预等离子体可看作理想气体。第三阶段　主脉冲激光停止,等离子体作绝

6、热膨胀。该过程预等离子体为理想气体。流体动力学方程可严格使用于这个阶段。　　由以上分析可见,整个相互作用过程中的预等离子体可看作理想气体。因此,单流体的理想气体流体动力学方程组可被采用。1.2　预脉冲产生的等离子体的状态(1)　初始条件　　预脉冲为主脉冲准备了一个具有一定温度、密度和尺度的预等离子体,因此预等离子体成为主脉冲和等离子体相互作用过程的初始条件。设主脉冲开始的时刻为tm,预脉冲激光停止时刻为t1L,总有tm>t1L。在预脉冲停止前,预等离子体已达到透明状态。设预脉冲达到透明状态时刻为t1trans,本文仅讨论t1trans≤t1L的情况。现给出tm时刻,预等离子体

7、的电子温度Te(tm),定标长度L(tm)和电子密度ne(tm),即主脉冲打靶的初始条件。-2ö3-13-5ö27ö22-2-2ö3Te=T1trans(tmöt1L)=0.27(keV)I1mAZK+t1L(tmöt1L)(1)---------1ö23ö2-7ö49ö41ö2-2ö32ö3L(tm)=0.091(cm)I1mAZK+t1Ltm(2)--------20-31ö2-1ö23ö4-5ö4-1-1ö22ö3-2ö3ne(tm)=20.94×10(cm)I1mAZK+t1Ltm(3)----