《电磁学》课程教学资源（课堂拓展）超短超强激光与固体靶作用产生的磁场的估算

超强超短激光与固体靶作用产生磁场的估算

超强超短激光与固体靶作用 产生磁场的估算

引言1九十年代来，脉冲激光改进强度~1019W/cm2，脉冲宽度~1ps2激光固体靶作用与惯性约束，天体物理31999年，Gremi11et拍摄过程图片2000年，Clark测量18Mev质子角偏转表明有强自生磁场4人们猜测该磁场源自超热电子，本文利用简化模型求超热电子与自生磁场的关系

1 九十年代来，脉冲激光改进 强度 ~ 1019W/cm2 ，脉冲宽度 ~ 1ps 2 激光固体靶作用与惯性约束，天体物理 3 1999年，Gremillet拍摄过程图片 2000年，Clark 测量18Mev质子角偏转, 表明有强自生磁场 4 人们猜测该磁场源自超热电子，本文利用简化模型求超热电子与 自生磁场的关系 一 引言

动力学过程定性分析实验jets(a)(b)(c)udooetsilicaAI-→vacuum-5mainbeamFIG.1Shadowgraphic images of the silica target at three times,(a)1.2 ps, (b)2.2ps, and (c)3ps after theinteraction pulseNote that in (a)the fringes inside the.cloud are an artifact of the image subtraction process (the diffraction patterm at the targetedgebeing present only in the reference image).激光脉宽0.35ps,强度~1019W/cm2，焦斑半径~5μm，靶Si0,圆柱，10umAl保护层，h=400um，R=250uma.（a)t=1.2ps,两jets宽20μum，长350μm；估算超热电子v-0.973c,T-1.71Mevb.(b)t=2.2ps,（c)t=3ps,半球形cloud膨胀，v~0.5cc.channel半径~10μm

激光 脉宽0.35ps,强度 ~ 1019W/cm2，焦斑半径 ~5 m,. 靶 SiO2圆柱, 10m Al保护层，h=400m ,R=250m. a. (a) t=1.2ps, 两jets 宽20m ,长350m； 估算超热电子v=0.973c, T=1.71Mev b. (b) t=2.2ps, (c) t=3ps,半球形 cloud 膨胀，v~0.5c c. channel 半径~10m 二 动力学过程定性分析 实验一

mainbeam实验AlAlAlsilicasilica200μmvacuumFIG.2Shadowgraphic images taken 6 ps after interaction ofthenainpulsewith (left)a standard target and (right)atargetcomprisinga200-μmvacuumgap.t=6ps，正常拍照与200um真空隔离拍照对比，右图无电离迹象推测右图大部分超热电子受电场力回流左图超热电子逃逸靶点带正电，形成电荷分离场，但电子有补充源，动态平衡维持中间的超热电子流

实验二 t=6ps,正常拍照与200 m真空隔离拍照对比,右图无电离迹象 推测 右图大部分超热电子受电场力回流.左图超热电子逃逸,靶点带正电，形成电荷 分离场，但电子有补充源，动态平衡维持中间的超热电子流

三物理模型1.匀速模型根据上述实验提出模型如下，假定h-200um10um半径内超热电子沿轴向运动，10-15um电流反向.轴向环向对称分布：径向余弦分布，。-5106um3环柱电荷均匀分布，内外电流大小相等方向相反，V=0.933cFIG.4.是h=0.50,100um.B沿径向变化，反映匀速模型磁场的大致情况BR个(y-R)2+(z-h)2) (3/2)A元x(R-Y)av(x2+(y-R)2+Y(zh)2)~(3/2)OUT

根据上述实验提出模型如下，假定 h=200m,10m半径内超热电子 沿轴向运动,10-15 m电流反向.轴向环向对称分布;径向余弦分布, o=5  106 /m3 ,环柱电荷均匀分布，内外电流大小相等,方向相反. v=0.933c. FIG.4.是h=0,50,100m,B沿径向变化,反映匀速模型磁场的大致情况. 三 物理模型 1. 匀速模型

200radiusradius10405020303045102040(a).h=0μumpeak(10,586)。(b).h=50μm.Peak(10,1286)。(c).h=100um.Peak(10.1244)最大值~1200T，在10um处，与实验量级相符但磁场沿轴向的变化趋势与模拟不符

10 20 30 40 50 radius 100 200 300 400 500 600 B (a). h=0m. peak(10,586)。 10 20 30 40 50 radius 200 400 600 800 1000 1200 B (b).h=50m.Peak(10,1286)。 10 20 30 40 50 radius 200 400 600 800 1000 1200 B (c).h=100m.Peak(10,1244). 最大值~1200T，在10m处，与实验量级相符 但磁场沿轴向的变化趋势与模拟不符

2.匀强电场模型匀强电场模型速修正为h=0.v=0.9724ch-200umv=0动能沿h正比例减小，h=100umv=0.833cme?me20.0002-zme?,meC0.0002V1-o?r2c2V=v (z),X=X(z):Cos(R -Y)1dVB(R,h)uPV4元[(x2+(y-R)2+m(z-h)2)3/2]JIN1(R-Y)aVvYuP24元JOUT[(x2+(y-R)2+y (z-h)2)3/2]

匀强电场模型 匀速修正为h=0,v=0.9724c;h=200m,v=0; 动能沿h正比例减小,h=100m,v=0.833c. 2. 匀强电场模型

300025002500200020001500150010001000500radiusradsusn.102030405050(b).h=100um.Peak(10,3354)。(a).h=0 μm. Peak(11,2897).(c).h=200μm.Peak(10,216)磁场高于匀速模型值沿轴向上先略微升高.后迅速降低（02897）一100,3354）一（200.216）：与模拟大致相符，如下图所示15see101020-105A0060804020100120Distance into target (um)FIG.4.Simulated magneticfield structureinside solid densitytarget (contoursare inMG)fromFokker-Planckcalculation attime Ipsec after peak of laser pulse.Electrons are incidentfromleft

10 20 30 40 50 radius 500 1000 1500 2000 2500 B (a). h=0 m. Peak(11,2897). 10 20 30 40 50 radius 500 1000 1500 2000 2500 3000 B (b).h=100m.Peak(10,3354)。 10 20 30 40 50 radius 50 100 150 200 B (c). h=200m.Peak(10,216). 磁场高于匀速模型值,沿轴向上先略微升高,后迅速降低; (0,2897) →(100,3354) →(200,216);与模拟大致相符,如下图所示

四结论对于超强超短激光与固体靶作用的磁场，匀强电场模型给出了与实验及模拟大致相符的磁场量级和空间分布.这表明，本文的模型在解决这个问题上方向是正确的进一步的研究可考虑强光子群与原子分子的作用机理

对于超强超短激光与固体靶作用的磁场，匀强电场 模型给出了与实验及模拟大致相符的磁场量级和空间分 布.这表明，本文的模型在解决这个问题上方向是正确 的. 进一步的研究可考虑强光子群与原子分子的作用机理. 四 结论