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。

中国散裂中子源伴生质子束实验平台及其应用

基于中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)建设的伴生质子束实验平台(associated proton beam experiment platform,APEP)主要用于宇航器件及设备的辐照损伤研究。质子能量在10~80 MeV之间连续可调,束流能散小于10%,束斑尺寸和束流流强也能够根据实验需求进行调节。自2021年10月投入运行以来,APEP已经开展了电子元器件辐照损伤实验、探测器标定实验、各类材料辐照损伤研究等百余项多学科实验研究,为我国多学科特别是辐照损伤效应领域的科学研究和应用研究提供了一个重要的质子束实验平台。

散裂靶中质子束窗的散射效应(英文)

质子束窗是在高功率靶区中的一个分界窗,它将质子输运线上高真空区域和氦容器中的氦环境分开。在其他散裂中子源中质子束窗的热效应以及机械问题都已经被研究过了,但质子束在该窗中散射效应的研究却很少被报导,然而在靶设计中如果没有处理好质子束窗的散射效应会有很大的问题。报导了质子束窗散射效应的模拟计算结果,包括不同质子束窗的材料和结构选择,并以中国散裂中子源(CSNS)为例,介绍了在CSNS一期和二期中质子束窗采用周边水冷的铝合金单层结构,CSNS三期采用中间水冷的铝合金夹层结构。文中给出了不同结构的质子束窗和不同的与靶距离散射效应对靶上经非线性磁铁均匀化的束流分布的影响的模拟计算结果。模拟结果显示质子窗的散射效应对束流损失和靶上的束流分布有重要的影响。

质子束诱变大豆的能量和剂量效应

用3个能量(3.0、5.0和7.0MeV)和4个注量(1×1081、×109、1×1010和1×1011H+/cm2)的质子束处理大豆品种绥农14的风干种子,以期确定质子束诱变大豆的效果和辐照参数。在本试验条件下,经质子束辐照的大豆种子发芽率未受影响,但M1代株高显著增加;M2代出现早熟、黄化和不育等变异类型,总变异频率为6.81%,总变异频率且有随注量增加而增加的趋势,但随能量变化的规律不明显。在M2代,以3.0MeV1、×1011H+/cm2处理的变异频率最高,为8.26%;在不同能量和注量水平下得到的突变类型不同,其中质子注量为1×1010和1×1011H+/cm2的处理产生了较多早熟突变,注量为1×109和1×1010H+/cm2的处理产生了较多黄化和不育的突变;质子能量为3.0MeV时产生了较多的不育突变,5.0MeV时产生了较多的早熟突变,7.0MeV时产生了较多的黄化突变。结果表明质子束辐照能导致大豆产生丰富的变异,可以作为一种新的育种手段在大豆上应用。

低能质子束产生感生放射性的蒙特卡罗模拟

质子束轰击探测器产生的感生放射性核素,将使探测器成为一个典型的外照射辐射源,针对感生放射性核素种类、活度的计算有利于辐射防护工作的开展。使用FLUKA蒙特卡罗程序,研究了低能质子束(20MeV以内)轰击三种探头材料(铜、钽、钨)产生的感生放射性问题,得到探头材料在一定照射时间下的放射性核素活度及指定冷却时间后的剂量水平。研究结果表明,质子束轰击铜探头产生感生放射性的能量阈值最低(4～5MeV),而钨、钽探头与质子束产生感生放射性的能量阈值较高。相同照射时间下的钨、钽探头产生感生放射性总活度远低于铜探头,在冷却1h后其放射性总活度降至最低。

强流质子束在周期聚焦通道中束晕-混沌运动的物理机制及其非线性控制策略

实践表明矩阵传输理论及定性方法是分析强流质子束在周期聚集磁场通道中束晕-混沌运动的产生机制,通过多粒子数值模拟(PIC)进一步揭示,不仅是质子束空间电荷的非线性效应,而且束核与粒子之间相互作用导致横向能量交换及非线性共振覆盖形成随机区域的扩散,产生了特有的束晕-混沌复杂运动.为此,提出采用非线性反馈控制策略,产生反作用力去抵消粒子的横向散焦效应和扩散.通过PIC研究证实了该法对抑制束晕-混沌的有效性.同时讨论了实验的可能性.

扫描质子微探针质子束刻写

质子束刻写技术利用MeV能量的聚焦质子束对抗蚀剂材料直接刻写μm甚至nm尺度微结构。研究了质子束刻写中抗蚀剂胶层样品厚度与涂层机旋转速度的关系以及曝光对抗蚀剂的影响,解决了质子束刻写中抗蚀剂厚胶层样品的制备、固化、显影等技术问题,利用扫描质子微探针系统,在正型抗蚀剂胶层上刻写出μm尺度的"海宝"图形、双矩形结构,在负型抗蚀剂上刻写出μm尺度的平行线条、"十"字形微结构。

强流脉冲质子束轰击^(19)F靶产生6—7MeV准单能脉冲γ射线初步实验研究

给出了利用PIN半导体探测器和ST401塑料闪烁体配合光电倍增管测量的强流脉冲质子束轰击含F19核素的靶产生的6—7MeV准单能脉冲γ射线的初步实验结果。理论上计算了质子束轰击C2F4靶产生的准单能脉冲γ射线产额和核反应截面随入射质子能量的变化曲线,提出了采用质子束传输法分离和降低轫致辐射干扰的方法,利用ST401配合光电倍增管和PIN半导体探测器测量了质子传输不同距离后轰击C2F4靶产生的6—7MeV准单能脉冲γ射线谱以及相对于轫致辐射的时间延迟数据,并根据飞行时间确定了束流峰值时刻的质子能量,还通过实验验证了Cu、Cr和不锈钢靶及其中所含的杂质不能产生明显的其它能量的γ射线干扰。

强激光质子束透视成像应用于肿瘤细胞异型性分析的探索研究

目的:为了探索强激光质子束透视成像在肿瘤细胞异型性分析的应用研究,在皮秒超强脉冲激光装置上,进行皮秒激光-固体靶相互作用中产生的高能质子束透视生物样品成像的实验研究。方法:实验是在俄罗斯的皮秒超强激光装置上进行的,实验中以小生物蚂蚁作为样品,用皮秒激光脉冲辐照固体靶,在靶背表面产生高能质子束透视生物样品成像。实验所用激光能量为12J、脉宽为1.5ps、焦斑直径(FWHM)为15μm、离轴抛物面透镜的光学f数为1.5。产生质子束的靶为15μm的铜膜后衬1μm的CH膜,质子源(激光光斑)距蚂蚁样品为7mm(又称物距),蚂蚁距辐射变色膜为63mm(又称像距),文中所示记录底片(探测器)是辐射变色膜(RCF)或核固体径迹探测器(CR-39)堆叠。结果:获得了高对比度、空间分辨率为微米量级、视场适中、具有密度分辨能力的二维直观蚂蚁透视图像。结论:蚂蚁透视图像为探索强激光质子束透视成像在肿瘤细胞异型性分析的应用提供了可能性。

高能质子束探测稠密不均匀氘氚等离子体密度的SIRT算法(英文)

应用同时迭代重建算法(SIRT)重建不均匀稠密氘氚等离子体的密度分布.在二维等离子体密度重建的数值模拟中,探测稠密等离子体的高能质子束可以由强激光和等离子体相互作用产生,且质子束经过稠密等离子体后的能量损失是比较重要的.如果已知入射质子束和出射质子束的能量分布,可以在出射质子束能量测量的误差水平未知的情况下用SIRT算法重建等离子体的密度分布.结果显示,SIRT算法的精确度高于以L-曲线为准则的Tikhonov正则化方法,并可以在数据量不完全时重建密度分布.

高能聚焦质子束无掩模刻写方法研究初步

在中国科学院上海应用物理研究所的扫描质子微探针装置上,研制了图形化扫描器,同时研究了适合质子束刻写的光刻胶制备、显影、定影技术。在此基础上,开展高能聚焦质子束无掩模刻写实验,在厚度约11μm的PMMA光刻胶上刻写出高纵横比的任意图案,取得了初步质子刻写结果,为进一步开展质子纳米束刻写奠定基础。

强激光与双锥靶作用加速准单能质子束

提出了一种新型的双锥靶结构用于准单能质子束加速。利用二维PIC粒子模拟程序研究了强激光与双锥靶作用加速产生质子束的物理过程以及质子束品质。双锥靶产生的质子束在峰值能量和发散角度等方面都明显优于相同激光条件下单锥靶和平面靶的结果。尤其与平面靶相比,双锥靶质子束的峰值能量提高了5倍以上,而且很好地保持准单能性。一方面双锥靶的内锥部分是临界密度材料,提高了激光的吸收效率;另一方面双锥靶内形成了更强的准静态磁场,可以约束引导更多的超热电子传输过锥尖,进而增强加速质子束的鞘层电场。

双能量质子束辐照晶闸管的研究

在制造快速晶闸管的过程中电子辐照已被广泛采用 ,但是 ,电子辐照在提高开关速度的同时 ,也会引起正向导通压降的增大。采用高能质子辐照既能提高开关速度又能尽量降低正向导通压降。由于一定能量的质子在物质中的射程是一定的 ,质子辐照造成缺陷或复合中心分布在一定的狭窄区域 ,在那里 ,缺陷可以有效地增加开关速度又不显著增加导通压降。本文介绍用HI- 13串列加速器产生的质子束辐照晶闸管的工作。实验表明 ,双能量质子束的辐照效果是非常优越的。

CSNS伴生质子束实验平台控制系统研制

中国散裂中子源(CSNS)伴生质子束实验平台是利用直线加速器伴生的弱流中能质子建设的质子辐照应用平台。使用国产PLC和控制器,研制了基于EPICS软件架构的控制系统。该控制系统主要由运动控制系统和真空控制系统两部分组成,实现了对伴生质子束实验平台主要设备的监测和控制,现场运行稳定可靠,很好地满足了伴生质子束实验平台的需要。

质子束技术在瓜类育种中的应用研究进展

介绍了国内外质子辐射育种研究的现状,重点阐述了质子束技术在黄瓜、西瓜、甜瓜等瓜类作物上研究进展,质子束瓜类育种特点等。

快点火中质子的能量沉积和神光Ⅱ升级装置上的质子束的产生

基于神光Ⅱ升级装置激光条件,利用流体程序、粒子模拟程序和Fokker-Placnck程序,模拟研究质子快点火中所需质子束的品质以及产生所需质子束的激光条件.首先根据快点火靶的条件,利用Fokker-Planck方程模拟快点火所需的质子束的能量范围,模拟表明当背景等离子密度为300 g/cm^(3)时,能量为7—12 MeV的质子束适合点火;当背景等离子体密度为400 g/cm^(3)时,能量为8—18 MeV的质子束适合点火.再根据神光Ⅱ升级装置实验条件研究质子束所需的激光参数,通过利用粒子模拟程序,结合流体程序给出的预等离子体,分别模拟研究了加预等离子体和不加预等离子体两种情况下的质子加速,在有预等离子体时得到的质子束最大能量约为22 MeV,没有预等离子体时得到的质子束最大能量为17.5 MeV,具体分析了两种情况下质子加速的物理机制,其结果跟等离子体自由膨胀模型结果符合得很好.

CSNS-Ⅱ靶站质子束窗结构设计与优化分析

中国散裂中子源(CSNS)靶站质子束窗位于环到靶站输运线(RTBT)与靶站交接面,起到隔离加速器高真空和靶站氦气环境的作用。随着束流功率提高,目前质子束窗单层膜结构形式已无法满足CSNS-Ⅱ500 kW的高功率需求,因此开展CSNS-Ⅱ质子束窗研制,设计出双层膜中间通水的冷却结构,完成质子束窗双层膜的薄膜半径、薄膜厚度、水冷槽长度与宽度、对流换热系数等各参数对质子束窗温升与热应力的影响分析。通过冷却水需求分析得出,冷却水流速需大于15 L/min。通过质子束窗主体的流固耦合分析,消除箱体内部死水区域。最终优化后质子束窗薄膜位置最高温度47.8℃,薄膜位置最高热应力30.758 MPa。通过FLUKA软件对质子束窗材料的辐照损伤性能进行分析,在每年5000 h工作时长、500 kW高功率束流的辐照下,辐照损伤DPA计算值为1.285 DPA,质子束窗的安全使用寿命在7年以上。

质子束轰击下MWCNTs无定形结构的转变

在室温下用70keV质子束多壁碳纳米管(MWCNTs),研究了多壁碳纳米管从石墨结构向无定形结构的转变过程。轰击后,MWCNTs外围的石墨结构变成均匀的无定形结构包覆着内部的石墨结构。增大照射量,这种无定形化的过程继续向MWCNTs内层推进,直至形成一个中空的无定形纳米线结构。质子束轰击引入的MWCNTs的结构转变,是从外层向内层逐步推进的石墨结构向无定形结构的转变过程。本文对这种结构演化的机理进行了讨论。

强流质子束辐照形成的冲击波

对强流质子束在铝材料中引起的冲击波进行了数值模拟 ,其中强流质子束在铝中的能量沉积行为采用蒙特卡罗方法模拟 ,而能量的非均匀沉积后引起的力学效应采用一维流体弹塑性模型进行计算。

质子束布拉格峰测量

基于100MeV回旋加速器质子束流,参考IAEATRS-398号报告,开展质子束布拉格峰测量。基于水吸收剂量测量原理及影响因素,选择合适水箱尺寸及电离室型号。基于空腔理论,及质子与物质相互作用原理,利用PTW-30013指型电离室、MP3-P三维扫描水箱配合MEPHYSTONavigator软件测量经石墨降能器扩展后的布拉格峰。测量同一实验条件下质子束百分深度剂量曲线,并利用软件对测量数据进行分析,将最高剂量作为归一点,得到该质子束流布拉格峰位、峰宽、实际射程、剩余射程及坪区高度等辐射质参数。该质子束布拉格峰宽约为1.21 mm,参考深度约为43.63mm。