碳薄膜准单能电子束研究最新进展

《欧洲物理期刊D》（THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D）杂志最近刊登了德国马普量光研究所等单位联合发表的一篇题为《第一次观察到强激光作用在碳薄膜上产生的准单能电子束》的文章。

强激光作用在物质上可以通过空泡机制加速电子到GeV的能量，这样的在电子在激光等离子体中运动会发射数KeV不相干的X射线。最近又提出了一种新的概念，通过超强激光与超薄靶相互作用能够产生高密度的相对论带状电子束，此文在实验上利用这种机制获得准单能的电子束。在本实验中，采用的是美国洛斯阿拉莫斯国家实验室（LANL）的Trident激光装置，其传输的能量为90J，脉宽为500fs，中心波长为1.053μm，聚焦光斑为9.4μm，峰值光强为2*1020W/cm2，对比度为5*10-10，线性偏振，用这样的激光正入射到类金刚石结构的碳薄膜（DLC）靶上。DLC是由金刚石和石墨晶体共同组成的准非晶态，具有透明性、强机械张力及高硬度的特点，这样的靶适用与该实验。实验中DLC有两个靶厚，分别为5nm和42nm。实验装置示意图如图一所示，其中电子由永久磁铁电子能谱仪诊断，与激光传播方向的夹角为6.50，并用一个Thomson能谱仪对离子进行探测，置于激光的传播方向。



图一 强激光作用在碳薄膜上产生的准单能电子束实验装置示意图

通过实验得知，5nm的DLC和42nmDLC的结果截然不同。当DLC的厚度为42nm时，电子的能谱呈现类麦克斯韦分布，这和之前用微米靶的情况相同，此时热电子的温度为12MeV。而当DLC的厚度为5nm时，电子的能谱在30MeV处存在一个明显的峰值，能谱宽度的均方根为9MeV，在这个能量范围内电子电量达到7pC。且对于能量为20MeV以上的电子而言，电子总能量在5nm情况下要比42nm情况时大2.5倍以上。与此同时，在两种情形下，离子的截止能量也有很大的区别。42nm情况时，C6+和质子的截止能量分别为160MeV和37MeV；5nm时，C6+和质子的截止能量分别降至为60MeV和19MeV，离子总能量相对于42nm情形降低了至少20倍。电子和离子的能谱分布如图二所示：



图二 电子和C6+的能谱分布

文中认为，42nm和5nm情况下电子和离子能谱分布的差异是由两者的静电分离场造成的。当DLC厚度为5nm时，激光场大于激光靶作用区域的静电分离场，所有的电子在激光有质动力作用下都会逃离离子，从而使纵向电场崩溃，这样的电子在激光有质动力的推动下可以获得比较均匀的速度，从而有一个单能的效果，而离子因为纵向电场的崩溃而不能加速到更高的能量。当DLC厚度为42nm时，激光的电场比静电分离场小一个数量级，此时被激光加速的电子不能逃离分离场，其能量也随着激光的消失而呈现指数衰减的趋势，而离子能在静电分离场中更长时间地加速，从而获得更高的截止能量。