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《THE EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL D》雜志最近刊登了德國(guó)馬普量光研究所等單位聯(lián)合發(fā)表的一篇題為《第一次觀察到強(qiáng)激光作用在碳薄膜上產(chǎn)生的準(zhǔn)單能電子束》的文章。

強(qiáng)激光作用在物質(zhì)上可以通過空泡機(jī)制加速電子到GeV的能量，這樣的在電子在激光等離子體中運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)射數(shù)KeV不相干的X射線。最近又提出了一種新的概念，通過超強(qiáng)激光與超薄靶相互作用能夠產(chǎn)生高密度的相對(duì)論帶狀電子束，此文在實(shí)驗(yàn)上利用這種機(jī)制獲得準(zhǔn)單能的電子束。在本實(shí)驗(yàn)中，采用的是美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LANL）的Trident激光裝置，其傳輸?shù)哪芰繛?0J,脈寬為500fs，中心波長(zhǎng)為1.053μm，聚焦光斑為9.4μm，峰值光強(qiáng)為2*1020W/cm2，對(duì)比度為5*10-10，線性偏振，用這樣的激光正入射到類金剛石結(jié)構(gòu)的碳薄膜（DLC）靶上。DLC是由金剛石和石墨晶體共同組成的準(zhǔn)非晶態(tài)，具有透明性、強(qiáng)機(jī)械張力及高硬度的特點(diǎn)，這樣的靶適用與該實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中DLC有兩個(gè)靶厚，分別為5nm和42nm。實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖一所示，其中電子由永久磁鐵電子能譜儀診斷，與激光傳播方向的夾角為6.50，并用一個(gè)Thomson能譜儀對(duì)離子進(jìn)行探測(cè)，置于激光的傳播方向。

圖7  強(qiáng)激光作用在碳薄膜上產(chǎn)生的準(zhǔn)單能電子束實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

通過實(shí)驗(yàn)得知，5nm的DLC和42nmDLC的結(jié)果截然不同。當(dāng)DLC的厚度為42nm時(shí)，電子的能譜呈現(xiàn)類麥克斯韋分布，這和之前用微米靶的情況相同，此時(shí)熱電子的溫度為12MeV。而當(dāng)DLC的厚度為5nm時(shí)，電子的能譜在30MeV處存在一個(gè)明顯的峰值，能譜寬度的均方根為9MeV，在這個(gè)能量范圍內(nèi)電子電量達(dá)到7pC。且對(duì)于能量為20MeV以上的電子而言，電子總能量在5nm情況下要比42nm情況時(shí)大2.5倍以上。與此同時(shí)，在兩種情形下，離子的截止能量也有很大的區(qū)別。42nm情況時(shí)，C6+和質(zhì)子的截止能量分別為160MeV和37MeV；5nm時(shí)，C6+和質(zhì)子的截止能量分別降至為60MeV和19MeV，離子總能量相對(duì)于42nm情形降低了至少20倍。電子和離子的能譜分布如圖二所示：

圖8 電子和C6+的能譜分布

文中認(rèn)為，42nm和5nm情況下電子和離子能譜分布的差異是由兩者的靜電分離場(chǎng)造成的。當(dāng)DLC厚度為5nm時(shí)，激光場(chǎng)大于激光靶作用區(qū)域的靜電分離場(chǎng)，所有的電子在激光有質(zhì)動(dòng)力作用下都會(huì)逃離離子，從而使縱向電場(chǎng)崩潰，這樣的電子在激光有質(zhì)動(dòng)力的推動(dòng)下可以獲得比較均勻的速度，從而有一個(gè)單能的效果，而離子因?yàn)榭v向電場(chǎng)的崩潰而不能加速到更高的能量。當(dāng)DLC厚度為42nm時(shí)，激光的電場(chǎng)比靜電分離場(chǎng)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，此時(shí)被激光加速的電子不能逃離分離場(chǎng)，其能量也隨著激光的消失而呈現(xiàn)指數(shù)衰減的趨勢(shì)，而離子能在靜電分離場(chǎng)中更長(zhǎng)時(shí)間地加速，從而獲得更高的截止能量。