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1、四川大学博士学问论文超短超强激光与气体团簇相互作用实验研究原子与分子物理专业研究生王红斌指导教师杨向东最近几年来，超短脉冲激光与团簇相互作用的理论和实验研究一直是一个非常活跃的领域。团簇靶具有体密度大，激光吸收率高( 8 0 ) ，无残骸等特点，激光与其相互作用能产生高能离子( M e V 量级) ，中子以及非常强的X 射线辐射。因此，研究这种相互作用对激光核聚变和X 射线激光研究等有重大意义。论文首先对激光技术的发展以及由此产生的一门崭新学科一超强超短激光与物质相互作用( 或称为强场物理) 的研究进展作了简单介绍，重点介绍了国内外团簇源的制备、诊断和激光与团簇相互作用实验的进展；简单介绍了团
2、簇的定义、特点等基本知识，并用数值方法对团簇源的特性进行了模拟计算；全面地阐述和比较了团簇尺寸、密度的各种诊断方法；叙述了超短超强激光与气体团簇相互作用的基本基础理论；详细地介绍了本实验室的团簇源制备系统和诊断系统的建立过程，分析和讨论了团簇特性诊断实验的结果；最后介绍了本实验室超强超短激光与低温氘团簇相互作用实验的建立过程和实验结果。本文较为系统地研究了超短脉冲激光与气体团簇的相互作用，主要工作包括四个部分：气体团簇形成过程的模拟计算，团簇制备系统的建立，团簇源的特性诊断和超短超强激光与低温氘团簇相互作用实验。首先采用C l a p e y r o n 微分方程和汽液平衡方程，计算得到2 0
3、 K 3 8 K 区域内不同温度下温度的氘气汽化热和熵变，并且绘制出了氘的温熵( T S ) 图。其次，从流体力学角度出发，计算得到气体密度、压强、温度均沿喷嘴轴向的四川大学博士学问论文空间分布，发现这三个物理量沿轴向呈数量级降低。分析气体背景压强、初始温度、喷嘴几何尺寸等因素对气体密度的影响，得到以下结果：气体密度正比于背景压强，反比于初始温度；大直径、小角度的喷嘴易产生高密度气体流；相同条件下双原子分子气体( 例如氘气) 密度大约是单原子分子气体( 氩气、氪气) 的1 2 倍。最后结合汽液平衡方程和气体密度、压强、温度的轴向分布，确定了团簇开始形成的位置。这个位置与气体初始状态( 背景压强
4、、初始温度) 、喷嘴几何形状有关。这些模拟计算为团簇制备系统的设计提供了重要的参考。建立了常温团簇和低温团簇的制备系统：分别可以在常温高压( 7 0 a t m ) ，低温( 一1 7 0 0 c ) 高压( 6 5 a r m ) 的状态下稳定工作。常温团簇制备系统采用超声速喷射法在背景压强6 5 a t r n 、初始温度3 0 0 K 条件下制备出大尺寸高密度的氲团簇和氪团簇，其尺寸和密度分别为1 2 0 0 原子团簇、2 5 0 0 原子团簇，3 , 0 1 0 1 9 c m 3 、2 8 1 0 1 9 e r a 3 。低温团簇制备系统采用超声速喷射法在背景压强4 8 a r m
5、 、初始温度1 0 0 K 条件下制备出大尺寸( 2 3 6 0 原子团簇) 、高密度( 3 51 0 1 9 个气体原子c m 3 ) 的氘团簇源。上述团簇源的成功建立为激光与团簇相互作用实验奠定了基础。搭建了瑞利散射团簇尺寸诊断系统和M z 干涉仪气体密度诊断系统，并与团簇制备系统成功地实现了时间同步和空间同步。( 1 ) 采用瑞利散射法测量了氩、氪、氘团簇的相对尺寸，讨论了影响团簇生长的各种因素，优化了大尺寸团簇生长的实验条件。具体的实验结果如下：测量不同背景压强下氘团簇的尺寸，拟合得到这两者的关系为。只z8 9 改变液氮冷冻时间，比较不同温度下氘团簇尺寸随背景压强、相对延迟时间的变化；
6、发现温度对团簇尺寸影响非常大，甚至决定了低温团簇是否形成；比较两种不同尺寸的锥形喷嘴( 喉口直径和锥角分别为0 6 m m 、6 0 ；O 3 r a m 、1 0 0 ) 制备的团簇尺寸，发现大喉口直径、小锥角喷嘴易形成大尺寸团簇；比较相同实验条件下氩团簇、氪团簇的尺寸，得到氪团簇尺寸是氩团簇尺寸的3 - 4 倍。这些实验结果与H a g e n a 的半经验公 式吻合得较好。( 2 ) 采用M z 干涉仪测量离喷嘴出口0 m m 、l m m 、2 m m 处氩、氪、氘的气体密度，并且测量气体密度随背压、初始温度、喷嘴几何尺寸的变化情况，实验结果与计算结果基本符合。( 3 ) 结合瑞利散射
7、实验和M z干涉仪实验，改变诊断光与阀门的相对延迟时间，分别测量氩、氪、氘团簇尺I I四川大学博士学问论文寸和氩、氪、氘气体密度随相对延迟时间的变化情况，发现尺寸和密度均在3 m s 2 5 m s 区间达到最大值，说明系统处于稳定状态。我们认为此时间演化曲线并不是描述单个团簇的生长过程，而是整个团簇源的形成过程。并且此时间演化曲线主要决定于阀门的机械特性。团簇源的特性诊断确定了激光与团簇相互作用的最佳时间和最佳位置，为激光与团簇相互作用实验提供了重要的参考。在中国工程物理研究院激光聚变研究中心2 0 T W 装置上进行了超强超短激光与低温氘团簇的相互作用实验。这是国内首次实现飞秒激光与氘团簇
8、( 背景压强3 8 a t m ，初始温度1 0 0 K ) 的相互作用，并观测到了l k e V 到1 0 0 k e V 能量的氘离子，平均能量大约是2 0 k e V ，已达到氘一氘聚变的能量要求。在韩国原子能研究所1 0 T W 钛宝石飞秒激光装置上进行了氘团簇的聚变实验。利用我们建立的低温氘团簇源在背景压强为5 5 a r m 、初始温度8 0 K 条件下获得了大尺寸氘团簇，并与飞秒激光相互作用，激光能量吸收率达到6 5 ，并且探测到了聚变中子，产额约为1 0 3 发。关键词团簇团簇尺寸团簇密度瑞利散射M _ Z 干涉仪超短超强激光库仑爆炸聚变t l i四川大学博士学问论文E x p
9、 e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ei n t e r a c t i o no fu l t r a s h o r tu l t r a i n t e n sl a s e rp u l s ew i t hg a sc l u s t e rA t o m i ca n dM o l e c u l a rP h y s i c sD o c t o r ：W a n gH o n g b i nA d v i s o r ：P r o f Y a n gX i a n g d o n gI nr e c e n td e c a d e
10、s ，t h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nt h ei n t e r a c t i o no fu l t r a - s h o r t - p u l s el a s e rw i t hc l u s t e ri sav e r yh o tt o p i c ，a n dh a sd r a w nw o r l d w i d ea t t e n t i o n W i t hh i 曲b u l kd e n s i t y , h i 曲l a s e rd e p o s i t
11、 i o nr a t ea n dn od e b r i s ，c l u s t e rt a r g e td i s p l a y sm a n ya d v a n t a g e si nt h ei n t e r a c t i o nw i t hl a s e r ，w h i c hi sa b l et op r o d u c eh i g h e n e r g yi o n ( M e Vm a g n i t u d e ) ，h i g h - y i e l dn e u t r o na n ds t r o n gX r a yr a d i a t
12、 i o n S ot h ed e t a i l e ds t u d i e so f t h ei n t e r a c t i o nw o u l dc o n t r i b u t et ot h er e s e a r c ha b o u tl a s e rf u s i o na n dX - r a yl a s e rg r e a t l y I nt h et h e s i s ，i tW a sf i r s t l yi l l u s t r a t e dt h a tp r o g r e s so fl a s e rt e c h n o l
13、 o g ya n dt h er e s e a r c ho fi n t e r a c t i o no fu l t r a - s h o r t - p u l s el a s e rw i t hm a t e r i a l P a r t i c u l a r l y , t h ei n t e r a c t i o no fl a s e rw i t hc l u s t e r , t h ed e v e l o p m e n to ft h ec l u s t e rf a b r i c a t i o na n dd i a g n o s i s
14、w e r ee m p h a s i z e d S e c o n d l y , i n t r o d u c e dt h ec o n c e p to fc l u s t e r , a n ds i m u l a t e dt h ec l u s t e rr e s o u r c ec h a r a c t e r i z a t i o n 删l y ，d e s c r i b e da n dc o m p a r e dt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o ri n v e s t i g a t i n
15、 gt h eb e h a v i o ro fc l u s t e rr e s o u r c e F o u r t h l y ,i n t r o d u c e di nd e t a i lt h ea r r a n g e m e n to ft h ef a b r i c a t i o na n dd i a g n o s i ss y s t e mi no u rl a b ，a n dm a d ed i s c u s s i o no n0 1 1 1 “ e x p e r i m e n tr e s u l t s F i n a l l y ,
16、i ti n t r o d u c e dt h ei n t e r a c t i o no f u l t r a s h o r tu l t r a i n t e n s el a s e rw i t hd e u t e r i u mc l u s t e re x p e r i m e n tc a r r i e do u t i n o u r l a b 1 1 1 ep a p e rh a sd e v e l o p e dt h ew o r ki nar e l a t i v es y s t e m i cw a y , i t Sm a i n l yc o n s i s to ff o u rp a r t s ：s i m u l a t i n ga n dc a l c u l a t i n go ft h ec l u s t e rg r o w i n gp r o c e s s ，s e t t i n gu pt h ec l u
