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相對論輻射流體力學問題研究

文章來源:《高壓物理學報》編輯部   時間:2019-07-14 訪問數:

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隨著高能量密度科學研究的進步以及國內外各類大型沖功率裝置的建成,實驗室條件下已經能夠產生高于300 eV的輻射場,使得輻射流體力學物理研究的內涵得到延伸。從激光聚變到天體演化,雖然時空尺度處于不同的范圍,但是這三者涉及的物理具有很多的共性。

目前大部分實驗室輻射流體力學研究都是在納秒激光或者箍縮裝置上進行的,比如我國的神光系列裝置、日本的Gekko激光裝置、美國的NIF激光裝置等。納秒激光裝置輸出的能量可以達到數千、數萬焦耳甚至更高,但功率密度仍然處于非相對論范疇。而很多輻射流體力學問題,尤其是宇宙中很多現象,例如高能宇宙射線的產生,相對論效應起著重要作用。將輻射流體力學研究拓展至相對論范疇,是今后發展的必然方向,而短脈沖超高強度激光是目前最為可能的驅動手段?;诙堂}沖超高強度激光的輻射流體力學研究另一個值得關注的問題是超強(kT量級)磁場產生。這樣的超強磁場,比傳統的磁場強度高出一個量級,為在實驗室實現極端物理條件提供了可能?;诟吣芰棵芏妊芯康牧己每茖W技術基礎,在挑戰計劃的資助下,高能量密度科學領域輻射流體力學若干前沿問題研究方向確定了相對論輻射流體物理問題研究這一重點研究內容。中物院激光聚變研究中心相對論輻射流體力學問題研究團隊,在無碰撞沖擊波離子加速、近臨界面等離子體電子加速、質子加速和強場量子電動力學等方面取得了多項理論、數值模擬和實驗研究成果。

1  無碰撞沖擊波氦離子加速

具有MeV能量的激光氦離子源可以用于聚變反應堆材料和放射性材料容器輻照損傷的模擬研究,相較于傳統的加速器氦離子源,其具有短脈寬、高流強、結構緊湊和造價低等特點,因而受到廣泛關注。目前激光氦離子源主要是采用皮秒和飛秒脈寬的相對論強度激光直接與氦氣射流相互作用,通過庫侖爆炸機制、無碰撞沖擊波機制、靶背鞘場機制及磁渦旋機制產生高能氦離子。但是目前這種方法在實驗上難以產生同時具有前向性和準單能性、數MeV能量、高產額的氦離子束,而具有上述特性的氦離子束是實際應用中十分關注的。

我們提出了一種利用相對論激光與固體-氦氣復合靶作用加速氦離子的新方法,并在中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室的“星光Ⅲ”激光裝置上開展了實驗?!靶枪?/SPAN>III”裝置皮秒束采用釹玻璃作為放大介質,其激光脈寬為0.8 ps,激光波長為1.054 μm,單個激光脈沖能量可達100 J。通過離軸拋物面鏡將激光光束的束腰聚焦到25 μm,對應激光功率密度約為5×1018 W/cm2。具體的實驗排布如圖1所示,皮秒束激光沿距銅平面靶法線方向入射7 μm厚的銅平面靶,在距銅靶靶背1 mm處有直徑1 mm的氦氣噴嘴。實驗中氦氣噴嘴的背壓設置為1 MPa,通過流體動力學程序Fluent模擬得到氦氣出流全離化電子密度約為5×1019/cm3。實驗中的診斷設備有電子磁譜儀和湯姆遜離子譜儀,用于監測銅靶靶前超熱電子溫度和靶背高能離子能譜。

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2是主要的實驗結果。圖2(a)是湯姆遜離子譜儀測量得到的離子信號,其中有三條計數強度最高的譜線,分別為H+,He2+He+。圖2(b)是通過圖2(a)求解得到的氦離子能譜。He2+能譜整體呈指數分布,但是在高能端(2.5 ~ 3 MeV)出現準單能峰,其強度峰值對應的氦離子能量約為2.7 MeV。由氦離子能譜可以得到能量超過0.5 MeV的氦離子總能量約為1.1 J/sr,對應氦離子產額為1013/sr。圖2(c)是銅靶靶前超熱電子能譜,可以得到超熱電子溫度為0.79 MeV。

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為了深入理解實驗結果,我們開展了二維PIC模擬研究。脈沖寬度0.8 ps的激光平面波從模擬區域左邊界正入射,激光波長為1 μm,峰值功率密度為5×1018 W/cm2。模擬中在x=20 ~ 25 μm處放置電子密度為30ncCH靶,其中碳離子為C3+,質子為H+,CH的粒子數目之比為1:1。在x=25 μm 70 μm處放置電子密度為0.05nc的全離化氦氣。圖3是上述PIC模擬得到的He2+和電子能譜。模擬得到的超熱電子溫度為0.85 MeV[3(b)],與實驗結果(0.79 MeV)一致。模擬得到的氦離子能譜[3(a)]顯示在2.5 ~3 MeV能量區間有準單能峰結構,與實驗得到的He2+能譜一致。由于PIC模擬結果與實驗結果相吻合,因此可以借助數值模擬結果來細致分析氦離子加速的物理過程。

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首先,超短強激光與固體靶前表面作用產生超熱電子,這些超熱電子加熱固體靶,使固體靶發生稀疏膨脹。圖4(a)中的電子密度分布(黑色實線)顯示固體靶發生了顯著的膨脹。然后,固體靶靶背膨脹出來的高速等離子體會穿透氦氣,加速氦離子。圖4(b)的離子相圖顯示氦離子加速需要經歷兩個階段:TNSA階段和類CSA階段。在TNSA階段,固體靶中膨脹出來的離子穿過氦等離子體,并通過自身的鞘場加速氦離子。圖4(b)中處于x>35 μm區間的氦離子即是通過該方式獲得加速。在類CSA階段,通過TNSA機制獲得預加速的氦離子會在某個很窄的空間區域發生反射,形成類似無碰撞靜電沖擊波的結構。圖4(b)顯示氦離子在x=32 μm處發生反射,獲得很高的速度,并成為能譜上準單能峰的來源。當激光功率密度為5×1019 W/cm2時,有中心能量為25 MeV的準單能氦離子束產生,氦離子的截止能量可以達到55 MeV。我們也給出了氦離子截止能量(Emax)隨激光功率密度(I)變化的模擬結果,可以得到EmaxI0.3649。通過比較氦離子截止能量和超熱電子溫度(Te),可以近似認為EmaxTe。 

2  基于近臨界等離子體透鏡的激光自聚焦和大電量電子產生

 

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這表示對給定激光脈沖,最優等離子體密度標長僅與初始束腰有關,適用于各種激光強度。

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根據上述理論模型與優化結果,使用3D PIC程序VORPAL,開展數值模擬研究激光在指數密度等離子體中的非線性傳輸特性,證實了近臨界密度等離子體中激光的強自聚焦,并觀察到了穩定的等離子體通道和相同形態的準靜態磁場。從圖5可見,指數透鏡比均勻臨界密度透鏡所得激光性質更理想,因其所得激光焦斑尺寸更小(束腰達到0.8 μm),峰值強度顯著增大(增強到初始值的37)。

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隨后改變激光強度、束腰、靶密度標長進行參數掃描,發現合理調制的指數密度靶都能比優化密度均勻靶達到更強聚焦效果。圖6模擬證實了前期的理論推導,對大尺度預等離子體靶參數的設計與優化有指導作用,有望實際提高激光能量利用率,得到高對比度、高強度、緊聚焦的相對論激光。

在理解近臨界密度等離子體透鏡中激光自聚焦物理機理的基礎上,分析超熱電子產生的特性和機理。模擬結果顯示,激光入射后形成了明顯的等離子體通道,傳播軸周圍觀察到很強的準靜態環向磁場(見圖7),能夠有效捕獲電子使其在通道中得到大幅加速。通道中心出現以激光波長l為周期的電子群,表明存在Betatron共振即激光直接加速(DLA)作用。在此過程中,動能Ek>0.5 MeV的前向電子總電量達到近600 nC,較高有效溫度7.41 MeV,遠超有質動力定標率得到的3.138 MeV。

3  新型錐孔靶質子加速模擬研究

激光加速質子束由于其高亮度、短脈沖、高準直性等良好的性能特點被廣泛應用在醫學治療、粒子照相、慣性約束聚變等眾多研究領域,拓展了物理學領域的研究范疇,而實際的應用也對質子束提出了更高的要求。目前實驗獲得的質子束最高能量為67.5 MeV,激光-質子能量轉化效率最高達到12%,并且質子束的能譜為準指數分布,單能性差且具有明顯的能量截止。進一步提高質子束的能量是激光質子加速研究面臨的一個重要挑戰。在靶背鞘場加速機制下,激光通過將能量耦合給電子在固體靶后形成靜電分離場間接加速質子,超熱電子的溫度以及在靶后分布的密度都直接影響質子束的能量。通過使用新型錐孔靶結構可有效提高激光的能量轉化率,得到更高能量的質子束。

錐孔靶結構是在空錐靶的頂端中心處開孔,孔徑縱向貫穿靶的頂端,然后在靶的背部以及中心孔內的尾部設置低密度的質子層,如圖8所示。模擬中使用高斯激光,強度為a0 = 5.0,焦斑半徑3 μm。固體靶采用金材料,密度為50個臨界密度值。

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研究發現,在相同的激光條件下使用不同的靶結構,錐孔靶獲得的質子束截止能量最高,為29.5 MeV,是同一時刻平面靶和空錐靶質子能量的5.7倍和2.1倍。對于中心孔內無質子層的錐孔靶結構,質子束的截止能量為23.5 MeV,比存在中心質子層的情況略低,但相比傳統的空錐靶和平面靶還是有顯著的能量提高。這說明,不管質子層的位置如何,錐孔靶結構都有益于激光加速質子束的能量提高。通過估算,激光到質子的能量轉換效率對應錐孔靶、無中心質子層的錐孔靶、空錐靶以及平面靶分別為6.0%,5.1%,3.4%1.1%。錐孔靶的設計不僅能夠提高質子的截止能量,還可以很大程度地提高激光的能量耦合效率,這一結果很直觀地驗證了錐孔靶結構的有效性。如圖9所示。

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錐孔靶可以結合錐形靶和孔靶的優勢,當激光輻照錐孔靶時,激光脈沖首先在錐結構的作用下發生光學聚焦,此后增強的激光脈沖沿著孔徑繼續向前傳播而不像空錐靶中被頂端完全反射,這延長了激光在等離子體中作用的時間,有利于激光在靶中的能量沉積。與此同時,在激光的驅動作用下,錐壁上的電子被加熱并引導至錐頂端處,當激光進入孔內后,頂端處的電子又被激光橫向場拉入孔內,在有質動力的作用下再次獲得加速,在靶后產生強鞘場來加速質子束。模擬結果顯示,錐孔靶結構靶后鞘層電場的幅值相比其他傳統靶型都要高出很多,這得益于靶后超熱電子溫度和密度的提高。錐孔靶中心孔徑的存在使得超熱電子在被拉入孔內后能夠被激光縱向有質動力的高頻振蕩項持續加速,此外,靶中的回流電子在到達靶前時可以被激光再次加速,如圖10電子相空間分布圖所示。錐孔靶的中心孔內填充有低密度的質子層,激光進入孔內后與低密度質子層相互作用有利于孔內激光能量的吸收,同時可以增大靶后超熱電子的密度。

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4  強場量子電動力學中的真空輻射研究

最近幾年,在世界各國,一批10 PW級別和100 PW級別的下一代超短超強激光裝置正處在建設或計劃階段,包括歐洲的ELI,俄羅斯的XCELS以及日本的GEKKO EXA等。這些裝置將在不遠的未來實現1023~1025 W/cm2的激光功率密度。隨著這些激光裝置在未來陸續建成,超短超強脈沖激光將進入量子電動力學強度的時代。

量子電動力學作為目前描述電磁相互作用的最根本理論,經受住了嚴苛的實驗檢驗。而強場量子電動力學則預言在超高強度的外電磁場中(外場接近或超過Schwinger強度Ecr=m2/e≈1.3×1018V/m,其中m為電子質量,e為電子電量),將出現大量新物理現象。這些新現象包括Schwinger對產生、真空雙折射、Unruh輻射等。我們研究了極端強場中一種全新的物理現象,即在隨時間變化的外電場中,虛正負電子對從外場獲得能量并輻射出一對自旋相互糾纏的光子的物理過程,我們稱這個物理現象為真空輻射(Vacuum Radiation,VR)。

我們首先用一個半經典物理圖像來解釋為什么在隨時間變化的外電場中,虛正負電子對可以從外場獲得能量并輻射出一對光子。在經典電動力學中,一個帶電粒子在外場中獲得的能量為dE= QE?dx,其中E為電場強度,dx為空間微分,Q為帶電粒子的電荷。因此這個電荷如圖11所示,在時空中運動劃過一個封閉路徑后所獲得的凈能量為ΔE=QE?dx。對于一個恒定的電磁場,E?dx只能等于零,真空輻射無法發生。而在一個隨時間變化的外電場中,假設外場中電場沿x方向且強度隨時間變化,那么E?dx這個積分在x-t方向上可以有非零結果,而在這個平面上,電場E的旋度是?tE。因此在一個隨時間變化的外場Ex(t)中,E?dx=?tESxt,其中Sxt為積分路徑Sx-t平面上帶符號的投影面積,其最低階貢獻來自于圖12所示的一圈費曼圖。相對論輻射流體力學問題研究

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除此之外,真空輻射還有一個有意思的特征就是其自旋。因為真空輻射的振幅正比于末態光子偏振向量es1(k1)es2(k2)的乘積,這意味著末態的兩個光子自旋是相互糾纏的。這并非偶然,而是電磁相互作用過程對于宇稱守恒的要求。因為末態自旋這樣糾纏的光子對的量子數正是JPC=0++,而這恰恰是真空的量子數。即是說,末態光子自旋糾纏是電磁相互作用宇稱守恒導致的結果,這對自旋糾纏的光子繼承了真空輻射的初態——真空本身的量子數。

我們將真空輻射現象與已有文獻中其他強場量子電動力學預言的現象進行對比。我們知道,在強場量子電動力學之中,有數種產生光子的新過程,例如光子分裂、高次諧波產、彈性光子散射以及一種變化磁場造成真空極化的變化而導致的光子輻射機制等。真空輻射與這些光子產生過程都完全不同的一點就是它是外場的變化在康普頓尺度上的物理效應所造成的,因此不像上面提到的四種光子產生機制,是無法用Heisenberg-Euler拉氏量來正確描述的。

除了產生機制之外,它們在物理現象上也非常不同。真空輻射機制輻射出的光子,其分布是各向同性的,并沒有朝向特定的方向,而光子分裂末態的兩個光子,其動量都只能指向分裂前光子的動量方向。而與強背景場中的高次諧波產生過程比起來,真空輻射產生的光子有一個連續的能譜;而高次諧波產生過程只能產生原平面波的諧波,光子彈性散射中,其末態光子能量只能取特定的值,所以這兩者的能譜是發散的。最后,與變化磁場造成真空極化的變化而導致的光子輻射機制產生的光子能譜完全平坦相比,真空輻射的末態能譜有特定的峰。

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