拍瓦激光驱动纳米刷靶高品质质子束的产生

超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置,开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度,有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶,采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍,质子束产额增加近一个量级,成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果,并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。

光学成像法和穿孔法测量飞秒激光焦斑特征

超短超强激光焦斑参数的精确测量是深入开展精密物理实验的前提。在SILEX-Ⅰ激光装置上,采用光学成像法和穿孔法测量了μJ级能量下的激光焦斑特性,采用光学成像方法得到了激光主瓣大小及能量集中度信息,通过穿孔法得到了激光能量透过率与不同大小孔径的关系曲线,并对两种方法得到的测量结果进行了比对研究。研究结果表明,光学焦斑测量法和穿孔法都可以比较准确地反映激光焦斑的能量分布情况,得到的能量分布偏差小于10%。

气体靶密度的数值计算与实验研究

采用了1维简单模型来模拟气体靶的空间密度分布情况,并且该计算值得到了实验的验证。使用M-Z干涉仪诊断锥型喷嘴喷射的气体靶密度分布,得到了不同压力和不同延时下的干涉图样。自行编写了实验数据处理程序,得到了不同情况下气体密度的空间分布。在相互作用实验中,由气体分子密度随压力的变化,可以确定合适的压力,以获得预期的气体靶密度;由气体分子密度随时间的变化,可以确定激光与气体的作用时刻。

激光干涉技术在超声速气体喷嘴特性研究中的应用

在激光与物质相互作用的实验中,气体靶通常由超声速喷嘴在高背压下向真空中高速喷射气体产生。激光与气体靶相互作用时确定打靶条件对整个实验有着十分重要的意义。为了得到不同实验条件下气体靶密度的分布特性,采用马赫-曾德尔干涉法测量了气体靶密度分布,获取了干涉图样。使用基于傅里叶变换的条纹处理方法测得的干涉图样,得到不同实验条件下气体分子密度的全空间分布。实验表明:用M-Z干涉仪测量超声速气体喷嘴产生的气体靶密度分布十分有效。基于傅里叶变换的条纹处理方法具有精度高、实时性好的优点,为打靶时气体靶密度的实时测量提供了可能。

单光子计数型CCD的蒙特卡罗模拟

建立了适用于研究PI-LCX:1300型单光子计数型CCD量子效率及多像素事件的蒙特卡罗模拟模型,采用蒙特卡罗程序Geant4对0.5～30.0keV能量区间的X射线在CCD芯片中的输运进行了模拟研究。研究了X射线在CCD芯片中的能量沉积谱,给出了CCD探测X射线的效率曲线,其结果与厂家提供的效率曲线一致。研究了Si片厚度对探测效率的影响,结果表明在有效探测范围内,Si片越厚探测效率越高,而对较高能量的X射线,此趋势不明显。研究了能量沉积分布在多个像素中的问题,结果表明周围像素中的能量沉积主要由中心像素的特征X射线及瑞利散射X射线所贡献,在5～30keV之间X射线能量越高,能量沉积效率越低,多像素污染效果越弱。

基于超短激光脉冲扫描法的超高速分幅相机时间响应特性测定

采用超短激光脉冲对一台四通道超高速分幅相机曝光过程进行时间扫描,测定超高速分幅相机时间响应特性.通过对四个通道的同时测定,给出最短曝光时间下相机所有通道的时间响应特性曲线.由此曲线得到相机各通道的实际曝光时间、开/关门时间、曝光过程中的响应变化以及四个通道不同的响应特性等诸多信息.通过对相机时间响应特性的测定,考核相机的实际工作性能与工作状态,并为实验数据解读提供参考.超短激光脉冲扫描法可以作为高速摄影类设备时间响应特性测定的标准方法.

超短超强激光产生正电子的蒙特卡罗模拟

通过理论分析,建立了超短超强激光与固体靶作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型及Geant4模拟程序。模拟研究了靶材料、靶厚度及超热电子温度等对正电子产额的影响,结果表明:对铝、铜、锡、钽、金、铅6种靶材料,金靶的正电子产额最高,是优秀的正电子产生靶;不同超热电子温度下存在不同的最佳靶厚度,在最佳靶厚度以下,正电子产额随靶厚度增长而增大,靶厚度取3mm较为合适;超热电子温度越高,正电子产额也越高,提高激光强度是增加正电子产额的有效途径。模拟研究给出了正电子角分布及其能谱,结果显示,正电子发射明显前倾,从大于90°方向范围发射的正电子数量极少,且超热电子温度越高前倾特点越明显,能量呈类麦克斯韦分布,靶背法线方向出射的正电子的温度随超热电子温度升高而升高。

超薄靶激光质子加速实验研究

在超短超强飞秒SILEX-Ⅰ激光装置上,开展了薄膜靶激光质子加速的实验研究。实验发现激光预脉冲、靶厚度对质子加速有很大的影响。在激光强度3×10^18-3×10^19W/cm^2条件下,采用前表面厚度为3μm铜、后表面镀4μm厚CH靶,质子的最大能量达到3.15 MeV。而对190 nm厚CH膜靶,质子的最大能量为0.54 MeV。初步研究了激光偏振对质子加速的影响,相同激光功率条件下,圆偏振激光加速产生的质子最大能量略低于P偏振打靶。这些结果与靶后鞘层加速机制相一致。

利用CR39上的径迹鉴别激光加速离子产物

分别利用单能的质子束及碳离子束辐照CR39,并制定了规范的刻蚀条件及流程。通过对处理完成后的数据进行详细处理,得到了质子及碳离子的径迹直径-能量的响应曲线,可用于确定CR39上质子或碳离子的能量。以此为依据,得到了鉴别CR39上质子及碳离子的有效方法。在激光加速离子的实验中,通过测量CR39上的径迹大小及相对灰度,利用本文给出的标定数据,确认了质子径迹,得到了实验的质子能谱。

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。

用于激光尾波场中电子束电荷测量的积分束流仪标定

利用数字信号发生器及示波器对积分束流仪(ICT)的输入输出特性进行了标定,给出了不同脉冲宽度及幅度的输入信号与ICT输出结果的电荷量比值关系、输入脉冲对ICT的输出脉冲宽度的影响以及ICT对连续脉冲信号的输出响应等。标定结果显示:ICT的输入输出满足很好的线性关系;当输入连续脉冲的间隔小于一定程度时,ICT将会视为一个信号输出;ICT的输出脉冲形状及脉冲宽度与输入信号的形状及幅度无关。

激光固体靶相互作用产生正电子的模拟研究

采用Monte Carlo程序Geant4对激光固体靶相互作用正电子产生进行了研究。研究了超热电子能量分布函数对正电子产生的影响,结果表明采用不同的分布函数,最多可致正电子产额约3倍的差异,分布函数的最大截止能量在30 MeV以上时正电子产额趋于饱和。研究了正电子产生与超热电子发散角的关联,结果表明发散角模型对正电子产额影响不大,而正电子角分布对超热电子发散角较为敏感,且靶背鞘场对正电子发散角的减小贡献巨大。模拟结果显示靶厚度的增加可导致正电子发散角的增大,而当靶厚度超过2mm时,发散角基本保持不变。此外,模拟了超热电子发散角、靶厚度及靶背鞘场对正电子电子份额比及正电子γ份额比角分布的影响。

强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术研究

强激光驱动加载已成为冲击波作用下材料动态破碎过程研究的一种有效手段.采用间接驱动方式,设计合适的腔型进行物理实验研究,可实现更大且更均匀的冲击加载一维区.采用数值模拟和物理实验方法,研究强激光间接驱动材料动态破碎过程的实验技术.首先,利用IRAD程序设计适用于开展动态破碎过程研究的半柱腔,其直径为2 mm、腔长为2 mm;进而通过物理实验获得此腔型下多个激光能量点、脉宽2 ns和3 ns条件下辐射峰值温度和波形;最后,利用流体模拟方法给出多种辐射波形下的冲击加载波形.利用高能X射线成像和光子多普勒干涉仪诊断给出间接驱动加载下层裂过程的物理图像和速度历史.经分析发现,间接驱动的加载一维区达到2 mm,平面性优于5%,能有效地开展相关物理实验研究.研究结果为新型柱腔设计、冲击加载技术及动态破碎过程研究提供了重要的研究基础.

氩和氪气体团簇靶的制备及特性研究

采用瑞利散射法和Mach-Zehnder（M-Z）干涉法分别测量氩、氪团簇的尺寸和密度,讨论了影响团簇尺寸和密度的因素,并比较氩团簇和氪团簇特性的异同点。通过改变诊断光和喷嘴阀门的相对延迟时间,获得了团簇尺寸和密度随时间的变化情况,发现氩、氪团簇的尺寸和密度均在3-25ms达到最大值;在气体背景压强1.2-6.0MPa下,测量了喷嘴轴线上的密度分布,发现离喷嘴喉部越远,气体密度越低,并且气体密度随压强呈线性上升。

波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响

为了研究波前像差对超短飞秒激光脉冲聚焦特性的影响,基于瑞利-索末菲标量衍射理论,对比研究了在散焦、像散、慧差、三叶形像差以及球差等各类波前像差下,均匀强度分布和高斯强度分布的超短飞秒激光脉冲的聚焦特性。结果表明,波前像差对均匀强度分布的飞秒脉冲在焦平面处的光强分布具有明显的不利影响,从而降低飞秒脉冲的聚焦峰值功率,而对高斯强度分布的飞秒脉冲影响相对较小,即在高斯强度分布下,在焦平面处仍然有可能获得较好的、近衍射极限的聚焦光斑;在非焦平面处,即使初始脉冲具有高斯强度分布,非焦平面处的光强分布受各类波前像差的影响也较为明显;对于所研究的30fs(1/e 2半宽度)超短脉冲,波前像差对脉冲持续时间的影响几乎可以忽略。此研究结果对超短飞秒激光束的光束质量评估及聚焦特性分析具有实际的指导意义。

皮秒激光驱动的X射线源编码高分辨照相技术

为实现惯性约束聚变(ICF)内爆燃烧停滞阶段过程中最大压缩时刻的冷燃料面密度分布测量,设计了包含字母客体与针孔阵列的照相客体,通过同一发相同视角测量源分布与客体照相技术,首次建立了皮秒激光驱动的高能X射线源编码照相技术。通过星光Ⅲ实验研究,基于W丝阵靶照相的反演图像空间分辨率5.4μm±0.7μm;激光到X射线(50~200 keV)的能量转换效率,W丝阵靶5.4×10^(−4),与传统Au单丝靶的转换效率(4.8×10^(−4))一致。基于源编码照相解决了传统皮秒激光背光照相中空间分辨率与光源亮度不能兼顾的困难,为强背景干扰下提供高信噪比、高分辨率的ICF靶丸压缩背光图像提供了重要照相方式。

激光高能X射线成像中探测器表征与电子影响研究

基于激光尾场加速电子的高能X射线源具有高光子能量与小源尺寸的特点,在高空间分辨无损检测方面发挥着十分重要的作用.在X光机上测量了CsI针状闪烁屏、锗酸铋(BGO)闪烁阵列与DRZ闪烁屏的本征空间分辨率,并模拟了三类探测器对高能X射线的能量沉积响应,其中CsI针状闪烁屏的空间分辨率高达8.7 lp/mm.采用Ta转换靶产生的高能X射线开展透视照相,能够分辨最高面密度33.0 g/cm^2的两层客体结构.开展了X射线照相、X射线与电子混合照相以及电子照相三种情况的比对实验,在X射线产额不足或探测效率不够情况下采用X射线与电子混合透视照相的方案,以牺牲对比度为代价,能较大程度地提高图像信号强度.

康普顿相机的应用现状与发展趋势

对康普顿相机的基本原理进行了介绍,分析了康普顿相机的发展现状,对康普顿相机在核污染处理以及天文物理等方面的应用现状进行了介绍,并指出了康普顿相机的发展趋势与应用前景。为了应对快速发展的核能工业和核医学,建议加强康普顿相机技术的研究。

针对高压物质密度诊断的激光X射线照相优化设计

激光驱动冲击波能提供高压的物质状态,是状态方程研究的重要工具.超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线源,具有短脉冲、微焦点、高产额、能量可调的特点,是高压物质密度测量的首选背光源.本文基于蒙特卡罗程序Geant4建立了X射线照相模型,客体密度分布由流体力学程序Multi-1D模拟激光冲击加载高压物质获得.在一维长方体形密度客体情况下,定义了均方根、峰值偏差与上升沿斜率比三种指标,对照相图像求解的密度结果进行评价,开展了照相结果信噪比、分辨率与对比度等参数优化.并开展了一维圆柱形密度客体的照相模拟,建立了基于Radon逆变换法的Abel反演算法.反演结果与模拟设计密度分布符合良好,要求X射线源半径在5μm以内;反演结果与模拟设计密度分布较为一致,要求X射线源半径在15μm以内.

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20μm的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。