弱相对论涡旋光在等离子体中传播的波前畸变及补偿

涡旋光与等离子体相互作用近年来在激光等离子体领域引起了广泛的关注.深入研究涡旋光在等离子体中的传播对粒子加速和辐射源产生等工作具有重要意义.本文着重探讨了弱相对论涡旋光在等离子中传播时,传播过程对电磁波结构的影响.基于三维粒子模拟,发现弱相对论涡旋光在等离子体中传播时会产生波前畸变.在给定等离子体密度时,畸变程度与电磁波强度及传播距离密切相关.基于相位修正模型,通过考虑电子相对论质量修正,在理论上对该现象进行了解释.此外,研究还发现可以通过设置适当的初始密度调制对波前畸变进行补偿抑制,并通过三维粒子模拟进行了验证.本工作加强了对涡旋光在等离子体中传播过程的理解,并为设计应用于相对论涡旋光的等离子体器件提供了参考.

等容预压缩等离子体中的快点火热斑形成与燃烧波传播

研究热斑点火物理过程对于实现聚变点火和高增益聚变放能具有重要意义,但是,迄今为止的大部分相关研究都是针对等压构型预压缩等离子体进行的,对等容构型预压缩等离子体中的热斑点火过程研究尚不充分.本文针对双锥对撞点火方案产生的等容预压缩高密度等离子体,建立了描述热斑边界演化和核聚变燃烧的半解析模型.该模型表明,在等容预压缩高密度等离子体中的热斑边界,可以用对热斑产生的α粒子具有强烈吸收作用的激波波峰的位置来定义,且等容预压缩等离子体中的热斑点火过程也存在α粒子射程主导的自调节现象.通过考虑α粒子的空间不均匀沉积效应,可以利用该模型描述等容预压缩等离子体中热斑内部的温度和密度演化.使用该模型分析热斑在点火初期时刻的劳森参数和平均热斑温度发现,在快电子总能量相同情况下,能量较低的快电子束更有利于实现点火.辐射流体模拟程序O-SUKI-N的验证计算表明,本文提出的半解析模型的计算结果具有较强的合理性.

间接驱动相关条件下的大空间尺度对流受激拉曼侧向散射

利用基于光线追踪和对流放大模型的模拟程序PHANTAM,对神光Ⅲ原型装置间接驱动相关条件下的大空间尺度受激拉曼散射进行了研究.模拟结果表明,在该参数条件下,真空腔和充气腔中均会发生较强的对流受激拉曼侧向散射过程.入射光的焦斑大小是影响对流受激拉曼侧向散射的关键因素:在光强保持不变的条件下,真空腔和充气腔中受激拉曼侧向散射的对流增益会随焦斑增大而增大,而在功率保持不变的条件下,会随焦斑增大而减小.因此改变焦斑尺寸是调控受激拉曼侧向散射对流增益的有效途径.

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.

掺Er^(3+)氟化物光纤振荡器中红外超短脉冲的产生

基于非线性薛定谔方程建立了氟化物(ZrF_4-BaF_2-LaF_3-AlF_3-NaF,ZBLAN)光纤振荡器中产生中红外超短脉冲的理论模型,在此基础上研究了中红外超短脉冲在氟化物光纤振荡器中形成的物理机理,数值模拟了氟化物光纤振荡器中中红外超短脉冲的演化过程.分析了腔内净色散和小信号增益系数对振荡器中锁模脉冲产生的影响,并给出了参数设置范围.研究发现:当掺Er^(3+)氟化物光纤长度,小信号增益系数,不饱和损耗为一定值时,腔内净色散在一定范围内才会出现稳定的锁模脉冲,且随着腔内净色散增加脉冲宽度变宽,光谱变窄,峰值功率降低;当掺Er^(3+)氟化物光纤长度及不饱和损耗一定,腔内净色散量为合理值,小信号增益系数在合理的范围时可以得到稳定的锁模脉冲,且随着小信号增益系数的增加脉冲宽度变宽,光谱变宽,峰值功率增加.

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.

基于6Li+CdTe的新型中子探测器的优化设计研究

面对3He气体资源严重短缺的国际形势,2018年基于6Li+CdTe新型中子探测器方案被提了出来,其具备热中子探测效率高、γ灵敏度低及可与3He气体中子探测器相比拟的特点,有很好的应用前景。本文分析6Li+CdTe中子探测器的结构和工作原理,采用MCNP6软件对6Li+CdTe中子探测器进行物理建模并且对其物理性能、结构参数、中子慢化体设计等进行模拟计算,并就该探测器在特殊核材料监测系统中的应用开展了探索研究。结果显示:CdTe吸收层的最佳厚度为10μm;当6层6Li+CdTe的中子探测单元叠加时,6Li转化层的最佳厚度为60μm,此时热中子探测效率超过50%;探测系统的尺寸达到4 m×32 cm时,可以满足特殊核物质监测的要求。整个模拟研究获得了探测器最佳工作参数以及辐射监测系统设计方案,对特殊核材料在线中子监测装置的实验研究具有指导意义。

基于狭缝法的成像板空间分辨特性

成像板是强激光物理实验中用于记录X射线及粒子信号的重要工具。采用狭缝法和栅条法对Fuji BAS-SR型成像板的空间分辨特性进行了实验研究,测定了该型成像板的调制传递函数,并对极限空间分辨进行了验证。结果显示该型成像板所能响应的空间截止频率约为17 lp/mm。借助蒙特卡罗程序,对成像板自身对X射线响应的空间弥散特性进行了模拟计算,发现成像板自身产生的空间弥散远小于经过扫描仪扫描之后的空间弥散,表明目前成像板空间分辨能力主要受限于其专用的扫描仪。

超短超强激光与固体靶相互作用所致X射线剂量实验研究

超短超强激光与固体靶相互作用可产生显著的X射线剂量,其辐射防护问题是辐射防护和激光等离子体物理的学科交叉问题,对超短超强激光装置安全运行至关重要。为验证清华大学所提出的剂量评估公式,对超短超强激光与固体靶作用所产生的X射线剂量开展了实验研究。设计了用于屏蔽靶室内超热电子和散射光子的屏蔽结构,仅测量超热电子和固体靶作用所产生的X射线剂量,并开展蒙特卡罗模拟评估其屏蔽效果。基于星光-Ⅲ激光装置对不同激光功率密度(7×10^18~4×10^19W/cm^2)下不同角度上的X射线剂量开展了实验测量,并与不同的剂量评估公式结果进行了比较分析,实验中还对不同剂量测量探测器的响应进行了比较。计算结果表明,所设计的屏蔽结构能很好地屏蔽超热电子和散射光子。实验结果表明,清华大学所提出的剂量评估公式较文献公式能更好地与实验结果吻合。随激光功率密度的增加,前向的X射线剂量较侧向增加得更快。

二维材料力学行为的压痕测试

准确了解二维材料的力学性能对于推动其应用具有重要意义,无基底压痕技术是目前最广泛采用的二维材料力学性能测试方法之一,本文综述了二维材料压痕研究的最新进展以及所面临的问题,并对将来的研究工作进行了展望.无基底压痕技术是将二维材料转移到带有沟槽或柱形孔的基底上,制备二维材料"梁"和"鼓"模型,然后利用原子力显微镜测量其在压针作用下的载荷–位移关系,最后通过基于连续介质薄膜导出的压痕响应分析模型拟合实验结果,估算出二维材料的弹性模量和本征强度.由于二维材料的厚度远小于连续介质薄膜,来自于压头以及基底孔侧壁的范德华力对二维材料的压痕响应具有显著影响,造成二维材料与传统压痕分析模型中的基本假设不符,导致不能准确预测二维材料的弹性模量;另外,由于传统压痕模型无法准确描述二维材料在大变形下的非线性行为,以及由缺陷等引起的应力集中,导致由压痕测试表征的二维材料(特别是多晶二维材料)本征强度具有较大的偏差.因此,一方面需要正确了解由压痕技术获得的二维材料力学性能,另一方面还需对目前的研究方法做进一步的改进和完善.

超音速高密度喷流对撞过程中的高效能量转移

在双锥对撞点火激光核聚变方案中,两个锥口相距约100μm放置的金锥内氘氚球冠靶在高功率纳秒激光烧蚀驱动下,获得沿金锥的球对称压缩和加速,形成沿着金锥轴向的超音速高密度喷流,出射喷流在两个金锥的几何中心发生对撞减速并形成聚变密度等离子体.在对撞过程中,高速运动喷流的动能转化为内能,实现对等离子体的预加热,与此同时,皮秒拍瓦激光产生的高能快电子从垂直方向入射并加热高密度等离子体,使其快速升温达到聚变温度,实现聚变点火.2020年在中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光联合实验室神光Ⅱ升级激光装置上,我们利用总能量为10 kJ的八路纳秒激光进行了两轮实验.实验利用包括X射线汤姆逊散射、硬X射线单色背光成像、X射线条纹和分幅成像等多种主动、被动诊断方法对超音速高密度喷流对撞过程进行了高时空分辨研究,实验测量发现,在单锥口形成的超音速等离子体喷流密度为5.5—8 g/cm^(3);在对撞过程中形成了阻滞时间约200 ps的高密度等离子体,中心密度达到了(46±24)g/cm3.通过对等离子的温度、速度的分析发现,对撞过程中动能到内能的转换效率高达89.5%.

基于基函数展开方法处理具有陡峭界面的Abel反演问题

在激光聚变研究中,存在大量具有陡峭不连续界面特性的靶丸等离子体诊断问题,需要借助Abel反演方法对结果进行分析。提出了一种基于基函数展开处理不连续径向分布的Abel反演方法,采用带约束的Landweber迭代法求得优化结果。利用该算法可以对不连续阶跃分布进行比较准确的反演,获得阶跃结构特征。在理想情况下,针对不连续阶跃分布的反演方差好于10-4,即使在存在一定噪声的情况下也仍然可以获得较好的结果。该方法可用于对激光聚变研究中压缩过程中球壳的背光照相、自发光成像、光谱测量等诊断结果的数据分析。

基于紧聚焦方式的阵列光束相干合成特性分析

为获得高功率、波长量级尺寸的聚焦光斑,提出利用紧聚焦方式实现阵列光束相干合成的新方案.通过建立阵列光束经紧聚焦方式相干合成的物理模型,分析了阵列光束的排布方式、偏振态、束宽、间距和紧聚焦系统数值孔径等参数对合成光束特性的影响及规律.结果表明,阵列光束经紧聚焦方式合束时,线偏振及圆偏振阵列光束均能获得较好的合成效果,径向偏振阵列光束次之,而角向偏振阵列光束则不能有效地合成.通过优化阵列光束的排布方式、束宽和间距,以及合理选择紧聚焦系统的数值孔径,能在保持较好光束质量和较高合成效率的前提下获得能量集中度高的焦斑.

高功率激光辐照平面靶后辐射冷却效应对等离子体成丝的影响

基于辐射流体力学程序开展了高功率激光与平面靶相互作用的研究,当激光与钨平面靶相互作用时,由于热成丝不稳定性等原因引起激光能量沉积不均匀,等离子体前沿会出现密度涨落,后期会产生明显的等离子体成丝现象.研究发现,辐射冷却对成丝现象至关重要,在等离子体的辐射流体动力学演化中,辐射冷却效应会导致等离子体压强分布不均匀,影响流体横向运动,进而加强等离子体密度涨落,在激光结束后密度涨落逐渐演变成为成丝现象.通过对铝、铜、钨和金4种材料的研究,发现高Z材料钨和金中,由于辐射冷却效应较强,导致明显的成丝现象.研究结果将对激光聚变、实验室天体物理及强激光驱动的应用等研究具有借鉴意义.

激光等离子体尾波加速器的发展和展望

超强激光在气体等离子体中传输时可以激发出大振幅的电子等离子体尾波。激光等离子体尾波加速器是利用该尾波对带电粒子(特别是电子和正电子)进行加速的一种新型装置。由于其加速梯度相较于现有的常规加速器可以提升1000倍,为建造超紧凑型的加速器和辐射源奠定了基础,也为将来建造基于等离子体的超高能正负电子对撞机和自由电子激光装置提供了可能。对该新型加速器的原理、特点、发展历程,尤其是近十年来的主要进展和未来发展趋势及面临的主要挑战进行简要梳理和介绍。

激光等离子体不稳定性及其抑制方案研究

受激拉曼散射、受激布里渊散射等激光等离子体不稳定性(LPI)是激光等离子体物理领域最重要的研究课题之一。特别是在激光驱动的惯性约束聚变中,LPI会造成相当份额的激光能量损失,破坏辐射对称性,产生的超热电子还会预热靶丸,进而影响压缩效率和聚变能量增益。近期,在美国国家点火装置上开展的实验表明对LPI物理过程的充分理解和有效控制对成功实现ICF点火至关重要。我们对近期LPI方面的一系列研究进展进行了简单介绍与讨论。首先,回顾了描述LPI过程的三波耦合理论,由此得出了LPI在线性阶段的增长率。接着讨论了一些复杂情景下的LPI物理过程,譬如LPI的非线性发展阶段、级联LPI、多光束LPI以及LPI间的非线性耦合。最后,着重介绍了一系列抑制LPI的技术方案,包括束匀滑技术、光束时域整形、宽带激光、偏振旋转激光以及外加磁场等。

用于激光产生的高能X射线源能谱诊断的滤片堆栈谱仪的研制

为了诊断基于激光的短脉冲、高强度的高能X射线源能谱特性,本文利用不同材料和厚度的金属滤片和记录介质研制了一套滤片堆栈谱仪。基于Greval算法发展了能谱反解程序,并使用蒙特卡罗程序Geant4模拟得到了谱仪的响应函数。在星光Ⅲ激光装置上验证了谱仪的可靠性,获得了ps激光与固体靶相互作用产生的10 keV^3 MeV轫致辐射能谱,从而验证了谱仪的可靠性。

Weibel不稳定性自生电磁场对探针质子束的偏转作用研究

Weibel不稳定性的自生电磁场对于等离子体能量输运、无碰撞冲击波形成等物理过程具有关键的影响.实验上往往采用质子束照相来诊断其电磁场结构.一般认为,探针质子束的轨迹偏转主要来自于磁场,而自生电场的作用被认为可忽略不计.本文利用三维粒子模拟程序研究了典型参数下的Weibel不稳定性发展过程,并使用径迹追踪法评估了Weibel不稳定性的质子束照相过程中电场和磁场对探针质子束的偏转作用.对比分析发现,引起探针质子束偏转的主要因素并不是磁场,而是过去研究中常被忽略的电场.主要原因为:Weibel不稳定性的自生磁场往往成管状结构,在使用探针质子束对其进行侧向照相时,磁场的作用会被自身中和并抵消.该认识将有助于深入理解Weibel不稳定性质子照相的实验结果.