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X射线激光实验研究

作　者: 王琛
导　师: 王世绩；张杰
学　校: 中国工程物理研究院
专　业: 等离子体物理
关键词: X射线激光等离子体诊断摩尔偏折法 M-Z干涉法水窗 X射线激光小型化
分类号: TN249
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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引　用: 3次
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内容摘要

X射线激光的发展和应用是当今激光科学技术发展中的重大前沿课题之一，独特的优点使得X射线激光在物理学、生物学、化学、材料学以及惯性约束聚核变(ICF)等领域有着巨大的应用前景。自从首次在实验室获得X射线激光的演示以来，就获得了广泛的关注和研究，不仅是X射线激光本身的研究，还包括在各方面的应用研究尝试。目前，尽管X射线激光在很大程度上获得了发展，并且也进行了一系列的应用尝试，但需要继续研究和发展的内容还有很多。本论文作者在攻读博士的三年中，主要的工作就是X射线激光的实验研究。结合当前X射线激光发展的潮流和方向，在三个方面进行了一系列的实验研究工作，取得了相对不错的研究结果。三个方面分别是：X射线激光诊断等离子体的应用、水窗附近X射线激光和X射线激光小型化方面的尝试。但三个方面的侧重点不同：X射线激光诊断等离子体的应用方面，经过多年的努力，已经获得了非常适合于应用研究的类镍银13.9nm X射线激光的输出，对光学元件的制作和标定也有了充分的研究，并且已经在实验上分别演示了摩尔偏折法以及马赫-珍德尔(Mach-Zehnder，简称M-Z)干涉法诊断等离子体的实验，实验结果已经能够对校验理论程序起到初步的作用；在水窗附近X射线激光研究中，考虑到应用前景以及实验的难度，我们把目标放在类镍钽4.48nm X射线激光上。目前已经在神光Ⅱ装置上获得了增益长度积5.5的较强X射线激光的输出，随着更深入研究的展开，更强的输出以及在生物方面应用的研究也会随之展开；在小型化方面，起步比较晚，目前已经分别为在高功率激光物理国家实验室的皮秒装置和中科院北京物理所的飞秒装置之上进行长短脉冲联合驱动产生X射线激光的实验研究工作设计出详细的实验方案，并且各项准备工作也基本完成。本论文详细的描述了作者在以上X射线激光三个方面的实验研究内容和结果，下面是各章节的简单介绍。第一章，简单介绍了X射线激光的发展历史。从X射线激光自身和应用研究两个方面阐述了X射线激光发展的历史，并简单介绍了X射线激光的基本原理和各方面的应用前景。第二章，介绍了进行X射线激光实验研究所需要的条件以及一些相关的技术。内容包括驱动条件、诊断方法、实验元件等几方面的内容。第三章，具体介绍了利用类镍银X射线激光以及其诊断等离子体应用方面的研究情况。内容包括类镍银X射线激光的饱和输出以及光束质量的优化、摩尔偏折法和M-Z干涉法诊断等离子体电子密度分布信息的实验演示等。玉探，穿劫找傲龙实脸研宪 {苦第四章，具体介绍了近水窗类镍担X射线激光的实验研究工作。主要内容包括基频倍频联合驱动实验研究、类镍担X射线激光驱动条件优化以及进一步的实验方案等内容。第五章，描述了进行X射线激光小型化方面的一些尝试。主要包括分别利用皮秒和飞秒激光产生X射线激光的具体实验方案等。第六章，全文的简单总结。回顾攻读博士三年来的研究，本人主要进行的工作包括如下几点:以主要成员身份参与多轮X射线激光实验的方案制定和具体实施。包括在神光n装置上进行的类镍银、类镍担出光实验、类镍银诊断等离子体应用实验以及在皮秒和飞秒装置上进行X射线激光实验研究的方案等。己进行了一些实验获得了很好的结果。以主要成员身份参加莫尔偏折仪、M一Z干涉仪等诊断仪器的设计和调试工作;参与非等宽柱面透镜均匀线聚焦系统的设计工作:参与X射线光学元件的参数设计、实验标定等工作。总体来说，本人在攻读博士的三年期间，对X射线激光的发展有了深入的认识，并在X射线激光的实验研究方面进行了一系列的工作，取得了一定的进展，但这还只是初步的。今后，还有更多的内容需要仔细地进行。本论文的完成得到了国家自然科学基金(批准号:69989801)和国家八六三高技术计划X射线激光专题(批准号:863一804一7一3)的资助和指导。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-8
目录  8-11
第1章 X射线激光研究的进展(引言)  11-31
  1.1 什么是X射线激光  11
  1.2 X射线激光的基本原理和发展历史  11-24
    1.2.1 X射线激光的特点  11-12
    1.2.2 电子碰撞激发  12-17
      1.2.2.1 电子碰撞激发机制的原理  12-14
      1.2.2.2 电子碰撞激发X射线激光的发展  14-17
    1.2.3 三体复合  17-19
    1.2.4 毛细管放电  19-20
    1.2.5 光场电离  20-22
    1.2.6 内壳层电离  22-24
    1.2.7 其他可能的一些方案  24
  1.3 X射线激光的应用研究及发展历史  24-29
    1.3.1 诊断等离子体方面  24-27
      1.3.1.1 探针法诊断等离子体电子密度  24-27
      1.3.1.2 X射线激光背影照相用于诊断等离子体  27
      1.3.1.3 X射线激光诊断等离子体的进展  27
    1.3.2 生物方面  27-29
      1.3.2.1 X射线激光显微成像  28
      1.3.2.2 X射线激光全息术  28
      1.3.2.3 X射线激光在生物方面应用的进展  28-29
    1.3.3 其他应用  29
      1.3.3.1 X射线光学以及光刻  29
      1.3.3.2 基础科学方面  29
  1.4 小结  29-31
第2章 X射线激光实验研究的条件  31-47
  2.1 驱动条件  31-38
    2.1.1 驱动源  31
    2.1.2 线聚焦辐照  31-36
      2.1.2.1 横向驱动线聚焦  32-33
      2.1.2.2 纵向驱动线聚焦  33-35
      2.1.2.3 行波驱动和台阶镜  35-36
    2.1.3 预主脉冲  36-37
    2.1.4 双靶对接  37-38
  2.2 实验诊断方法  38-42
    2.2.1 谱线测量方法  38-39
    2.2.2 场图测量方法  39-41
    2.2.3 相关参数计算  41-42
      2.2.3.1 发散角、折射角  41
      2.2.3.2 输出能量  41-42
      2.2.3.3 增益系数以及增益长度积  42
  2.3 相关元件  42-45
    2.3.1 靶  43
    2.3.2 滤片  43
    2.3.3 多层膜元件  43-45
  2.4 小结  45-47
第3章类镍银X射线激光及其应用实验研究  47-69
  3.1 类镍银X射线激光的饱和输出  47-55
    3.1.1 为什么研究类镍银X射线激光  47
    3.1.2 类镍系列X射线激光的基本原理  47-48
    3.1.3 类镍银X射线激光的实验条件  48-49
    3.1.4 类镍银X射线激光的谱线测量  49-51
    3.1.5 类镍银X射线激光的增益曲线测量  51
    3.1.6 类镍银X射线激光场图的测量  51-54
    3.1.7 输出能量的估计  54-55
  3.2 探针偏折法诊断等离子体应用实验研究  55-60
    3.2.1 摩尔光栅诊断偏折角度的原理  55-56
    3.2.2 摩尔条纹偏折法实验的排布  56-57
    3.2.3 摩尔条纹偏折法诊断CH等离子体的实验结果  57-59
    3.2.4 摩尔条纹偏折法实验结论与一些讨论  59-60
  3.3 探针M-Z干涉法诊断等离子体应用实验研究  60-66
    3.3.1 M-Z干涉法用于X射线激光  60-61
    3.3.2 X射线激光M-Z干涉法实验方案  61-62
    3.3.3 X射线激光M-Z静态干涉条纹  62-63
    3.3.4 M-Z干涉法诊断CH等离子体的实验结果  63-65
    3.3.5 M-Z干涉法诊断高Z元素等离子体的尝试  65
    3.3.6 M-Z干涉法的改进与提高  65-66
  3.4 类镍银X射线激光应用研究的进一步考虑  66-67
  3.5 小结  67-69
第4章类镍钽近水窗X射线激光实验研究  69-87
  4.1 水窗附近X射线激光研究的意义以及目前进展  69-70
  4.2 类镍钽近水窗X射线激光实验的特点  70-71
  4.3 基、倍频联合驱动类镍钽X射线激光实验研究  71-78
    4.3.1 基、倍频联合驱动方式  71-72
    4.3.2 基、倍频联合驱动类镍钽X射线激光实验方案  72-73
    4.3.3 类镍钽X射线徽光实验的结果  73-74
    4.3.4 驱动条件的改变对类镍钽X射线激光的影响  74-77
      4.3.4.1 预主脉冲强度比  74-75
      4.3.4.2 预主脉冲时间间隔  75
      4.3.4.3 基、倍频时间匹配的影响  75-76
      4.3.4.4 双靶间时间匹配的影响  76
      4.3.4.5 双靶靶面间距的影响  76-77
    4.3.5 实验结果和讨论  77-78
  4.4 类镍钽X射线激光出光条件的优化实验研究  78-83
    4.4.1 类镍钽X射线激光优化实验的方案  78-79
    4.4.2 类镍钽X射线激光优化实验的简单结果  79-80
    4.4.3 各种条件变化对类镍钽X射线激光输出的影响  80-82
    4.4.4 优化实验对进一步实验的建议  82-83
  4.5 下一轮实验的考虑  83-85
    4.5.1 改进后的实验方案  83-84
    4.5.2 进行类镍钽X射线激光场图测量的尝试  84-85
  4.6 小结  85-87
第5章 X射线激光小型化的实验研究  87-97
  5.1 瞬态X射线激光的基本原理  87-88
  5.2 皮秒长短脉冲联合驱动X射线激光实验研究  88-93
    5.2.1 皮秒长短脉冲联合驱动X射线激光的经典实验方案  88
    5.2.2 二路皮秒激光装置驱动X射线激光的实验方案  88-91
      5.2.2.1 实验条件及内容  88
      5.2.2.2 实验的基本方案  88-90
      5.2.2.3 实验的具体参数  90-91
    5.2.3 光学元件的具体设计  91-93
      5.2.3.1 长脉冲线聚焦系统  91-92
      5.2.3.2 短脉冲线聚焦系统  92
      5.2.3.3 台阶镜的设计  92-93
    5.2.4 实验的实施  93
    5.2.5 进一步实验的考虑  93
  5.3 利用飞秒激光驱动产生X射线激光的尝试  93-96
    5.3.1 实验的条件和基本方案  93-94
    5.3.2 实验的具体参数  94-96
      5.3.2.1 驱动条件  95
      5.3.2.2 诊断系统  95
      5.3.2.3 靶  95
      5.3.2.4 滤片  95-96
    5.3.3 实验的实施与讨论  96
    5.3.4 进一步实验的考虑  96
  5.4 小结  96-97
第6章总结  97-101
致谢  101-103
参考文献  103-105
附录A: 攻读博士期间完成的文章  105-107
附录B: 个人简历  107

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