2-30 毛细管放电复合X光激光机制

蓝 可 张毓泉

　　毛细管放电X光激光与高功率激光泵浦相比，具有高效率、小尺寸、低价格的优点，有着广泛的应用前景，近年来被人们用来研究三体复合和碰撞激发机制。对于碰撞激发机制，Rocca等利用毛细管放电Ar气，已获得类Ne- Ar J=0- 1跃迁的饱和输出^[1]；不过对于复合机制，虽有成功的报道，但增益长度积都很低且难以重复，在理论上进行探讨的文章也很少。复合机制中影响增益饱和的因素很多，且这些因素相互制约，必须从理论上进行深入研究。

　　利用一维磁流体力学与全时间相关速率方程组的耦合程序，研究了毛细管放电泵浦产生的C等离子体中，复合机制产生类H- C离子3d_5/2-2p_3/2跃迁激光线中的物理过程。整个过程分解为三个阶段：第一阶段是C等离子体的箍缩与加热电离，直至停止塌缩，等离子体进入高温、高密度、高度剥离的状态；第二个阶段，等离子体由于热压大于磁压进入膨胀冷却状态；第三个阶段，等离子体进入增益目标区域，复合产生X光激光。

　　为创造一个高温、高密度、等离子体基本处于裸核的高度剥离状态，要求在第一阶段结束时电子温度、电子密度应同时达到峰值N_{e p}、_ep，且10²⁰cm^-3< N_ep<10²¹cm^-3，T_ep>0.2keV。为提高T_ep同时防止等离子体压得过细、电子密度过高，可以采用在C气体中掺入适量的惰性气体的办法。在等离子体的冷却膨胀过程中，为使焦耳加热不严重影响等离子体的冷却，实验上可对电流脉冲后沿进行整形，使达到最大压缩(t=t_p)之后电流迅速下降；更简便的方法是设计实验方案，使t_p>T/4 (T为放电电流周期)，以使等离子体的膨胀发生在电流峰值过去之后。

　　此外，从开始膨胀到进入增益目标区域的时间必须短于220ps，否则等离子体复合过度，逃逸概率太小，从而严重降低增益。取进入增益目标区域时的电子温度、电子密度分别为2´ 10¹⁹cm^-3、0.02keV，并取T_ep=0.2keV, 则要求N_ep=6´10²⁰cm^-3；如果等离子体初始密度r₀=10^-5g/cm³, 就要求毛细管半径R_0»80mm, 如r₀=10^-7g/cm³, R_0»800mm。由于毛细管越细制作越难，因此适当降低初始气体密度，可以增大毛细管半径，使工艺上更容易实现。