PDF《神光 -Ⅲ 原型高功率激光装置电磁脉冲辐射》

修回日期:2015-09-17,第一作者姓名:杨为明,E:\TJY\2016 年第

6 期\1 编\杨为明\模板编辑.doc 基金项目:国家自然科学基金资助项目(11105129);

中国工程物理研究院科学技术发展基金资助项目(2014B0102011;

2014B0102012) * 通信作者:易涛email:[email protected]

906 太赫兹科学与电子信息学报 第14 卷 电磁辐射是强激光与固体作用过程中不可忽视的现象,特别是随着大型激光装置的建成,在使用拍瓦甚至功率 更高的大型激光器进行实验时,激光与金属靶作用会产生很强的电磁脉冲,而电磁脉冲对诊断设备的电子学系 统会造成很明显的影响,所以近年来大型激光装置上强激光打靶产生电磁脉冲的研究越来越受到关注.2009 年LLNL 的D. Eder 对ns 量级的长脉冲激光器 NIF 产生的电磁脉冲效应做了研究,测得电磁脉冲峰值强度约

10 kV/m,并经分析认为出射电子的进一步振荡是产生电磁脉冲的主要来源[8] .2010 年C.G. Brown 在ps 量级的短 脉冲激光器 Titan 上的实验中也测到了电场强度约为几十到几百 kV/m 的电磁脉冲信号[9] . 为了测量国内大型激光装置上打靶过程中产生的电磁脉冲强度,研究激光等离子体辐射电磁脉冲的机制, 本文开展了神光-Ⅲ原型装置电磁辐射测量实验,实验探测到了脉冲峰值强度高达

3 kV/m 的电磁脉冲信号,并 分析出偶极辐射是产生电磁脉冲辐射的机制之一.研究结论表明,在更大的激光能量与靶材料相互作用时,将 会产生更强的电磁脉冲,这对神光-Ⅲ原型装置产生的电磁脉冲进行针对性的屏蔽具有重要作用,对神光-Ⅲ主 机装置也有一定的参考价值.

1 激光等离子体电磁辐射模型 脉冲强激光与金属靶作用过程复杂,产生电磁辐射的具体物理机制还在 研究之中[10?14] .本文认为电偶极辐射是实验中辐射电磁脉冲的主要机制之 一.脉冲强激光与金属靶相互作用会在表面迅速形成等离子体,并产生热电 子,形成电子的出射与回流,等离子体中的回流电流将产生偶极辐射,回流 电流的大小为[15] :

1 1

2 2

2 2 π L T d d I U R e a c τ σ τ ? ? ? ? ? ? ≈ + ≈ + ? ? ? ? ? ? ? ? (1) 式中: U 是等离子体柱轴向电压;

R 是等离子体柱等效电阻;

L 是等离子体柱等效电感;

a 为半径;

d 为临界密 度面到靶面的距离;

T 为等离子体电子温度;

e 为电子电荷;

σ是电导率;

c 是光速;

τ 为激光作用的时间. 利用经典电动力学即可求得偶极辐射产生的电磁脉冲强度.回流电流的电偶极矩变化率为 d / d p t Id = ,将等 离 子体看成振 荡时间尺度 为τ的半波单 极子天线, 则其电流周 期为

0 2 T τ = ,对应 辐射频率

0 1/ f T = , 角频率0π/ωτ=,因此电偶极矩为:

0 Id p ω = (2) 偶极辐射的电场强度为: i

2 0

1 e sin 4π kR E p e c R θ θ ε = &

&

(3) 探测点电磁脉冲强度为:

1 2

2 0 | |

1 sin 8π 2π T c E eR a τ θ ε σ ? ? ? = + ? ? ? ? (4) 辐射总功率为:

2 2

2 2

3 2

2 0

0 | | (1 ) 12π 24π 2π p T c c P c e a τ ε ε σ ? = = + &

&

(5) T 为等离子体的电子温度[16] :

2 2/3 (2 /

3 ) i c i c T m v m fΦ ρ = ≈ (6) 式中: i m 为离子质量;

f 为激光能量被吸收用来加热电子的比重;

c ρ 为质量密度;

Φ 为激光功率密度;

R 为探 测点距靶心的距离. 由式(5)可以看出,电磁脉冲辐射功率与激光能量密切相关,实验中使用的激光能量越大,辐射电磁脉冲的 强度越大,势必会对电子学诊断设备造成严重影响.