中国原子能科学研究院核物理基础研究最新进展与展望

核物理是物质科学研究的基础研究前沿和重大应用领域之一,对人类探索物质结构的微观层次、国家的地位与安全发挥了重大作用。中国原子能科学研究院(简称原子能院)核物理基础研究团队依托北京放射性核束装置、HI-13串列加速器、锦屏深地核天体物理加速器等实验设施,开展了核物理基础相关实验与理论研究,在质子晕核破裂机制、不稳定核衰变新模式、核天体反应深地高精度测量、激光驱动核反应等方面取得了多项创新研究成果。本文评述了“十四五”期间原子能院在核物理基础研究方面取得的一些最新进展,并展望了原子能院未来在核物理大科学装置、特色中小型装置、核理论、新型实验技术、学科交叉融合等方面的发展思路。

一款紧凑型磁谱仪的特性参数分析与实验刻度研究

超短脉冲激光与靶相互作用可产生高能电子以及质子、离子、X/γ射线等次级粒子和射线,这些粒子和射线在惯性约束聚变、激光核物理、实验室天体物理、生物、医学以及材料科学等领域具有广泛的应用前景。高能电子的特征参数测量对理清激光等离子体相互作用过程、优化粒子参数和拓展其应用具有重要意义。本文研究设计了一款紧凑型矩形结构磁谱仪,在永磁铁均匀场中采用前、侧、后三面IP板布局,满足了几十keV到10 MeV的电子能谱测量需求,并对磁谱仪的特征参数如能量色散、能量色散梯度、能量分辨率、斜入射效应等进行详细分析。基于北京大学DC-SRF-Ⅱ射频超导光阴极电子枪开展了磁谱仪能量刻度实验,在真空条件下实验测量了0.7~1.8 MeV区间内多个能量的电子能谱,结果显示,磁谱仪的能量测量与监测系统结果基本符合。电子能谱的能量分辨率主要决定于磁谱仪自身分辨能力,为提高能量分辨率,需通过准直系统进一步减小入射孔径和电子发散角。

天光一号MOPA光学角多路系统的研制

光学角多路系统是主振功放 (MOPA)装置的重要组成部分。它不仅连接着主振荡器、预放大器及主放大器三个KrF激光系统 ,而且起着压缩激光脉宽的作用。光学角多路能使主振激光脉冲在能量上得到足够的放大 ,并使泵浦预放、主放激光腔的电子束能量及其脉宽得到充分的利用。介绍了天光一号装置上MOPA光学角多路系统的结构 ,并结合多年来运行的实践 。

强流电子束泵浦百焦耳级氟化氪激光

本文介绍中国原子能科学研究院建造的强流电子束泵浦的百焦耳级氟化氪激光装置的主要性能,重点介绍脉冲功率技术和激光振荡器的一些关键技术。

高功率KrF准分子激光光束平滑技术实验研究

均匀辐照是束靶相互作用实验的首要条件。采用无阶梯诱导空间非相干(EFISI)光束平滑技术对KrF准分子激光光束进行平滑实验研究,初步得到了带宽Δλ为4×10-10m、相干时间tc为0.5ps、不均匀性小于12%的光束空间分布。

高功率紫外超短脉冲激光

建立了国内第一台桌面高功率紫外超短脉冲激光系统。采用放电泵浦KrF准分子激光器、离轴放大技术 ,将能量 1mJ的 2 48nm紫外超短脉冲激光放大到 5 0mJ,利用棱镜对进行群速度色散补偿 ,将激光脉冲宽度由 42 0fs压缩到 2 2 0fs,用焦距为 40cm的透镜将放大后的超短脉冲激光聚焦到焦斑 5 μm ,功率密度达到 1 0 17W/cm2 。

紫外超短脉冲激光辐照固体靶产生硬X射线研究

实验研究了紫外高强度超短脉冲激光 (2 4 8nm,4 4 0 fs,5 0 m J)辐照固体靶时产生的硬 X-射线 (大于 30 ke V)能量连续谱 ,靶上强度达到 10 1 7W/ cm2 。 P极化光 4 5°照射 5 mm铜片 ,实验探测到了能量大于 2 0 0 ke V的 X射线信号 ,利用 Maxwellian分布拟合能谱得到了的超热电子温度为 6 7ke V。

离子注入诱变微生物应用与研究进展

离子注入微生物诱变选育是核技术应用于生物研究,进行物理科学与生命科学交叉学科研究的典型范例.自该技术应用以来,我国在微生物的离子注入诱变选育及机制研究方面取得了丰硕的成果.北京师范大学核科学与技术学院是国内较早开展相关研究的单位之一,通过10多年的学科发展与研究积累,学院在离子注入微生物研究的条件建设和科研方面都取得了良好的发展.

电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲的单束放大实验研究

电子束泵浦KrF激光器口径大、泵浦率高 ,可直接用于进行超短脉冲激光的放大。用天光一号电子束泵浦KrF激光器进行超短脉冲激光放大 ,将超短脉冲激光放大到 2～ 3J、1.2 ps,激光功率达到 2TW。

有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响

通过测量由等离子体临界面移动造成的反射激光的频移 ,研究了有质动力对超短脉冲激光与固体等离子体相互作用的影响。实验表明 ,当激光强度达到 10 17W/cm2 时 ,有质动力将明显地降低等离子体热膨胀速度 ,造成极陡的密度分布 ,使得等离子体中的主导吸收机制 。

单光子入射方法测量超快硬X射线能谱

利用单光子入射方法测量了高强度超短脉冲激光 (1 3 0fs,1 0 16 W cm2 ,744nm)与固体等离子体相互作用产生的超快 (ps)硬X射线 (>3 0keV)能量连续谱。采用铅屏蔽、激光脉冲和线性门同步符合技术将HPGeX射线谱仪的本底计数率降低到 1 0 -4 炮 ,满足了单光子计数时的低本底要求。用该谱仪实际测量了激光等离子体产生的超快硬X射线能谱 ,所得结果与理论预期符合。

变阻抗线及预脉冲开关的设计与调整

本文介绍了变阻抗线的传输特性,电场分布及预脉冲开关的工作特性。给出了在电阻负载及二极管负载下变阻抗线及预脉冲开关性能的测试结果。

超短脉冲激光辐照固体靶产生超热电子研究

实验研究了超短脉冲激光辐照固体靶产生的超热电子温度 ,所用方法是测量超热电子在固体中韧致辐射产生的硬X射线 ( >30keV)能量连续谱。中等强度 ( 1 0 16W /cm2 )、无预脉冲、红外超短脉冲( 74 4nm ,1 30fs,6mJ)、P极化激光 4 5°照射 5mm铜靶 ,产生了能量为 4 0 0keV的X射线信号 ,利用Maxwellian分布拟合能谱得到的超热电子温度为 85keV ,产生高能电子的主导吸收机制为真空加热。

用光声法测定光学膜的破坏阈值

利用光声法研究光学膜在５５ｎｓ脉冲ＫｒＦ激光照射下的破坏现象，实验结果表明光学膜在受损后其膜层内的光声波的波形发生变形、波幅急剧增大，由ＺｒＯ＿２／ＳｉＯ＿２构成的四分之一波长膜堆其破坏阈值小于１Ｊ／ｃｍ￣２，光学膜发生破坏的主要原因是膜系中ＺｒＯ＿２膜层的吸收系数太大。为了提高光学膜的破坏阈值不仅要选择消光系数小的材料，而且还要考虑光的极化效应。

百焦耳KrF激光用二极管的实验

描述了脉宽１００ｎｓ强流脉冲电子束单向泵浦百焦耳级ＫｒＦ准分子激光用大面积二极管的实验研究。采用１２ｃｍ×７５ｃｍ长方形碳毡阴极，３０μｍ厚铝膜或九根间距１３ｍｍ，直径１．３ｍｍ的金属丝组成的阳极。当阴阳极间距为２０～２２ｍｍ，Ｍａｒｘ发生器电压１．１～１．２ＭＶ时，二极管峰值电压为６２０～６７０ｋＶ，峰值电流１５０～１７０ｋＡ，电子束总能量大于８ＫＪ，使电子束泵浦ＫｒＦ激光器最大输出能量达１０６Ｊ。

电子束泵浦KrF激光MOPA系统的同步控制

介绍研究出的ＭＯＰＡ系统完整的同步控制时间关联逻辑、各单元启动方式及同步系统的硬件。由Ｆｅ－Ｎｂ－Ｃｕ超微晶薄膜材料做成的同轴单匝磁开关及脉冲变压器产生大约１５０ｋＶ、上升时小于２００ｎｓ的高压，触发ＭＯＰＡ系统中的Ｍａｒｘ发生器。当火花隙欠压比为９０％时，Ｍａｒｘ发生器中电压建立的时间抖动分别小于１３ｎｓ和２３ｎｓ。采用激光触发主开关时，泵浦功率系统总体抖动时间小于１０ｎｓ，保证了整个电子束泵浦ＫｒＦ激光ＭＯＰＡ系统的正常运行。

快响应压力传感器的动态标定

用压缩空气驱动的压强脉冲对快响应压力传感器进行动态标定，在激波管中产生压强脉冲，压强为０．０３—０．１１ＭＰａ，脉宽为４ｍｓ。用该方法进行电子束在激光腔中能量沉积的模拟实验，检验了屏蔽措施带来的误差。

天光一号预放大器电子束产生和传输

论述了天光一号电子束泵浦 Kr F准分子激光预放大器电子束产生和传输系统的研制。针对低电压 ( 40 0 k V)和高电流密度 ( 1 4 3 Acm-2 ) ,重点考虑了二极管真空绝缘界面、电极结构、漂移区长度和主膜支撑等问题并介绍了实验结果 :二极管电压在 4 50 k V以上仍能稳定工作 ,电流上升前沿约2 0 ns,电子束总束能 4 .2 k J以上。只要开关导通时间选在 PFL电压峰值附近 ,Marx建立时间抖动小于2 0 ns,对总束能的影响将小于 5%。

离子注入选育莲的矿质元素与重金属元素的吸收分析

为探索离子注入技术新的应用,采用原子荧光光谱法、原子吸收光谱法和电感耦合等离子发射光谱法对离子注入选育莲的重金属元素和矿质元素吸收量进行了分析.结果表明,尽管同种重金属或者矿质元素吸收量在两个品种"京广1号"和"京广2号"间的变化并不一致,但是部分重金属元素与矿质元素的吸收量得到提高.这说明离子注入诱变能够通过提高植物的重金属吸收量而用于重金属污染的植物修复,离子注入诱变也能改善植物的矿质元素吸收而提高其营养价值.该研究为拓展离子注入技术的应用进行了有益的探索.

用压强法测量激光腔中能量沉积

用快响应压力传感器测量了激光腔中能量沉积，实验气体为氩、氪及氟化氪激光介质。实验中测到了在各种气体中由于能量沉积而产生的压强变化及压强随泵浦束能的变化情况，得到了激光腔中相应的能量沉积。测量结果与模拟计算结果基本一致。