混合脉冲协同打靶产生电磁脉冲的特性研究

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高功率激光靶耦合会产生强电磁脉冲(Electromagnetic Pulses,EMPs),其最大强度可达MV/m,频率从几百MHz延展到THz。这些强电磁脉冲的强度和分布与激光能量、激光脉宽、靶材料、靶构型、支撑杆材料与构型、靶室形状与内部布置等都有直接关系,之前的研究多集中于单束激光与平面靶相互作用产生的电磁辐射,对其产生机制理解深度不够。本文从实验和理论两方面研究了混合脉冲与靶相互作用辐射电磁脉冲的规律与机制。基于神光Ⅱ系列和星光Ⅲ高功率激光装置,采用超宽带微带电场天线和Bdot磁场天线作为主要诊断设备,对高功率激光装置靶室内外电磁脉冲的辐射规律和混合脉冲打靶产生电磁脉冲的特性进行深入系统地研究。主要研究内容和结论如下:(1)研究和分析了神光II(Shenguang-II,SG-II)系列激光装置打靶过程中产生电磁辐射的时空演变规律。实验结果表明随着天线距离靶室中心距离增大,靶室外电磁脉冲振幅呈指数衰减分布,可能主要与电磁波在靶室外的传播功率损耗有关;(2)研究并分析了星光III激光装置靶室内电磁辐射分布,实验结果表明随着天线与靶室中心距离的增大,靶室内的电磁脉冲振幅呈现先减小后增大的变化趋势,而时域波形的上升时间和半高宽呈现先增大后减小的变化趋势,通过电磁模拟确定电磁脉冲的空间分布受靶室内电磁波的回波振荡的影响;(3)研究了混合脉冲打靶产生电磁脉冲的特性,结果表明皮秒激光单独与靶耦合产生的电磁脉冲最强,混合激光脉冲靶相互作用产生的电磁脉冲被显著抑制。然而,在皮秒靶和飞秒靶后添加一层铝膜削弱了这种抑制效果,电子和质子的诊断结果表明出射的电子与质子的变化与电磁辐射的变化一致。进一步研究表明混合脉冲打靶产生电磁脉冲振幅与纳秒激光到皮秒激光时间延时密切相关。当延时时间增大时,抑制效果呈现减弱的趋势。根据FLASH模拟结果推测这可能与纳秒激光靶耦合产生X射线对皮秒靶和飞秒靶预烧蚀,在皮秒靶和飞秒靶后表面产生预等离子体,预等离子影响皮秒靶和飞秒靶后热电子和质子的产生,间接降低了产生的电磁脉冲振幅。这些强电磁脉冲包含大量激光等离子体相互作用的信息,可以通过调节混合脉冲激光的脉宽和靶参数来调节。此外,电磁脉冲还可广泛应用于信号传输、离子加速和脉冲武器等领域。研究电磁脉冲的规律及其关键影响因素,有助于理解激光等离子体相互作用物理过程,揭示电磁脉冲产生机制。研究结果为电磁屏蔽提供理论支持与实验依据,为我国高功率激光装置的安全运行奠定基础。
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