神龙一号直线感应加速器X光转换靶破坏诊断北大核心CSCD

利用能量约450 keV、焦斑直径1~4 mm的低能X光对神龙一号直线感应加速器束靶作用后钽靶的破坏进行诊断,利用增强型电荷耦合器件（ICCD）对诊断过程记录,得到束靶作用后数μs时间内钽靶材料密度的变化。结果表明：在束靶作用后约1μs内靶材料密度基本没有变化,且该时间段内ICCD相机没有观察到有靶前钽靶材料的微粒喷射。     

强流脉冲电子束作用下钽金属靶膨胀的轴向约束

研究了强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材流体动力学膨胀的轴向约束问题。由于电子束在金属钛和钽内的能量沉积存在差异,未完全气化的钛箔对气化膨胀的钽材能够起到约束作用,并且可以通过吸收钽的能量来降低钽的膨胀速度。通过分析比较电子束在靶上形成孔洞的形貌以及高速相机拍摄得到的不同时刻靶材喷射的图像,证实了钛箔能够对钽金属靶的轴向膨胀起到一定的约束作用。尤其是电子束打靶过后1μs内的初始阶段,约束效果比较明显。     

强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

 叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象，得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明，钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下，回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

对4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶参数进行了设计和模拟计算。利用蒙特卡罗程序,计算得到当轫致辐射靶的有效钽靶材厚度约为0.6 mm时,靶正前方1 m处产生的单脉冲X光的照射量值最大,可以达到约2.86×10－3 C/kg,满足4 MeV闪光X光机对其单脉冲X光的设计要求。对不同能量下的单脉冲电子束加载在轫致辐射靶上的能量沉积密度进行了计算和比较,分析研究了不同结构下的靶破坏,结果表明:轫致辐射靶采用叠靶结构的钽靶能够满足4 MeV闪光机的实验需求。     

用于温密物质研究的强流电子束加载技术

能量20 MeV、流强2.5 kA的电子束脉冲可以在数十ns的时间内将靶材料加载至温密物质状态，进而可以开展材料状态方程、电导率以及不透明度等的实验研究工作。介绍了在神龙一号加速器上开展温密物质实验研究的束靶作用方式以及相应的测试技术。对电子束在直径0.3 mm、长1 mm的金属靶丝内的能量沉积和流体动力学响应进行了数值模拟。结果表明:靶丝的温度随着靶材料原子序数的增加而上升，而靶丝内温度分布的均匀性随着原子序数的增加而降低；在电子束加载后40 ns时刻Ta丝内的最高温度可以达到约1.6 eV。     

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。     

30 MeV电子束轰击旋转钽靶产生轫致辐射分析

提出了一种基于射频直线加速器的多脉冲X光照相系统,有望用于材料动态性能诊断等流体物理动力学研究。基于射频加速器的特点,该套照相系统能够产生时间跨度10 s以上、数个脉冲间隔可调、脉宽为几十至一百ns的脉冲电子束,产生电子束束斑半高宽尺寸小于1 mm。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4,分析计算了特定的几何布局以及不同厚度及电子束束斑条件下,电子束打靶后在靶中的能量沉积,靶中的电子束散射对X光焦斑的影响,以及1 m处的照射量,探讨了这套X光照相系统的应用可行性。结果表明,在30 MeV,400 nC电子束轰击厚度为1 mm的靶条件下,1 m处照射量约为9.1 R,靶厚在1~2 mm范围内并未引起X光焦斑的明显增大。较小横向尺寸的电子束会引起靶体局部升温严重,将会制约脉冲数量;采用旋转靶能够提升脉冲数量,通过分析二维旋转靶的应力,分析了靶材升温以及钽/钽合金屈服强度对脉冲间隔的限制作用。     

利用质子能损检测气体靶区有效靶原子密度的实验研究

准确测量气态靶区的有效靶原子密度能够提升离子与气体和离子与等离子体靶相互作用实验结果的精度和对物理过程的认识.实验中利用离子加速器引出的100 ke V质子束穿过一定长度的氢气靶,对质子的剩余能量进行了精确测量,获得了在气体靶内的质子能损数据,结合已有的能损研究结果,重新标定了气体靶区内的有效靶原子密度.分别比较了能损、电离型真空计IonIVac ITR 90和薄膜电容型真空计Varian CDG-500的实验测量结果,对比了修正后的电离型真空计有效气压曲线,结果发现质子束能损的测量方式具有原位、高准确性、在线监测等突出优势,为诊断气态靶有效原子密度提供了新的方法.     

强流激光离子源中的等离子体参数诊断

强流激光离子源是最有希望为重离子聚变直线感应加速器提供离子的离子源之一。离子源内等离子体决定了离子源性能和引出品质,为了了解强流激光离子源内等离子体参数,采用发射光谱和ICCD成像的方法对该离子源中的等离子体进行了诊断。该离子源由一台四倍频的266 nm Nd:YAG激光器和Cu靶组成,激光束经过透镜聚焦后照射在Cu靶上产生等离子体,激光打靶能量密度约为108 W/cm2,持续时间15 ns。ICCD相机拍摄了激光照射后等离子体的膨胀过程,初始时刻等离子体垂直表面喷射,膨胀速度约为1 cm/s。光谱仪测量了离子发射光谱,谱线主要由Cu原子的Cu Ⅰ谱线和Cu+离子的Cu Ⅱ谱线组成。采用Boltzmann图法得到膨胀等离子体电子激发温度约为1 eV,采用Stark展宽法得到电子密度约为1016 cm-3。     

HIRFL-CSR团簇靶的优化

为HIRFL-CSR团簇内靶设计加工了新的供气系统, 拆换了原有的喷嘴, 对氢气和氩气进行了新的实验, 获得了氢气和氩气的稳定团簇束, 解决了困扰团簇靶稳定运行的喷嘴堵塞问题. 获得的氢团簇束密度为1.75×10¹³ atoms/cm³, 好于德国GSI内靶对氢束所达到的1×10¹³atoms/cm³. 研究了团簇束的衰减, 测量了氢束和氩束的有效靶厚, 研究了团簇靶系统对这两种工作气体的长期运行稳定性. 对氢和氩两种工作气体, 各级气压呈现了良好的稳定性, 说明在实验的时间范围内, 团簇靶运行稳定.     

“闪光二号”电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究

 热击波是电子束辐照靶材料时在其内产生材料响应的一个重要力学现象。论述了近两年来我们在“闪光二号”装置上进行电子束辐照平板靶产生热击波的实验研究。使用的靶厚为2.8~6.5 nm,靶材为LY-12铝,靶上能通量为87~152 J/cm²。实验结果表明,实测热击波应力峰值为0.35~2.0 GPa,热击波平均作用时间约为0.29 μs,均半高宽约为0.14 μs,平均上升时间约为0.10 μs。     

BRISOL靶源的远控操作系统北大核心CSCD

北京放射性核束装置在线同位素分离器(Beijing Radioactive Ion-beam Facilities Isotope Separator On-line)利用回旋加速器提供的100 Me V高能质子束轰击靶材料产生放射性核束。高能质子束轰击靶材料产生的最高10^(14)n/s的中子及很强的γ射线会对靶附件的设备造成严重的活化。为了解决靶源系统设备的维护问题,靶源系统采用模块化设计。靶源系统共分为3个模块,每个模块具有独立的水冷、供电及电信号馈入。真空、水、电、气等可以伴随模块的插拔自动接通或者断开。各模块可以通过特制的吊钩远程抓取或者释放,借助监控系统,实现各个模块从靶源间到热室的远程转运。该系统已完成了安装和调试,并已投入使用。     

低能质子束在氢等离子体中的能损研究

实验测量了100 keV的质子束穿过部分电离氢等离子体靶后的能量损失. 等离子体靶由气体放电方式产生, 其自由电子密度在10¹⁶ cm^-3量级, 电子温度约1–2 eV, 维持时间在微秒量级. 研究结果表明: 质子束在等离子体靶中的能量损失与自由电子密度密切相关且明显大于在同密度条件下中性气体靶中的能量损失; 在自由电子密度达到峰值处, 通过实验结果计算得到此时的自由电子库仑对数约为10.8, 与理论计算结果符合较好, 该值比Bethe公式给出的中性气体靶中束缚电子库仑对数高4.3倍,相应的能损增强因子为2.9.     

轫致辐射转换靶破坏过程诊断

直线感应加速器能够产生一个高功率、强流脉冲电子束,该电子束与轫致辐射转换靶作用可以产生一个脉冲的、强剂量的X光,同时会对轫致辐射靶本身也造成烧蚀破坏,甚至洞穿。设计研制了一套激光探测系统,对神龙一号加速器上的轫致辐射靶进行了诊断,得到了0.4 mm钽靶的破坏穿孔开始时刻在电子束打靶后约240μs处,整个靶穿孔过程持续时间可达1.5 ms。     

闪光机回流离子效应及抑制方法

 采用束包络方程分析了单脉冲和多脉冲情况下回流离子对强流相对论电子束聚焦的影响。分析结果表明,单脉冲情况下通过缩短焦距,仍可以获得较小的积分焦斑,而在多脉冲情况下回流离子将导致电子束完全散焦。通过数值模拟和实验研究了利用薄膜阻挡回流离子的可行性,对不同薄膜在电子束作用下的温升及动力学行为的模拟结果表明,在1.06 μs的时间尺度内,薄膜虽然发生了不同程度的膨胀,但是仍然有足够的材料可以阻挡离子回流。在神龙一号加速器上,通过法拉第筒测量了靶前放置和不放置薄膜情况下的离子信号,实验证实了薄膜至少能够将离子约束在薄膜和转换靶之间长达数十μs。     

应用于低密度等离子体产生的气体靶模拟

 利用流体力学计算软件对两种结构气体靶进行了数值模拟和分析。对于充气型毛细管气体靶,在充气达到稳定状态后,形成稳定的层流。气体密度的空间分布均匀,两进气口之间的密度不均匀性仅约1%。毛细管的结构参数如进气口的位置和宽度对气体密度分布的边缘有较大影响,但是对管内气体密度分布影响很小。采用锥形喷气靶可使气体密度分布的边缘更陡些,但是这种靶的超声流动可出现湍流,导致不稳定的气体流动以及更不均匀的气体密度分布。     

采用超薄双层靶提高质子束的单能性

利用1维粒子模拟程序,研究了超短超强激光脉冲与超薄双层靶(基底层和加速层厚度均为nm量级)相互作用产生准单能质子束的过程。研究表明,基底层厚度及加速层厚度对质子能谱的影响至关重要。减小基底层厚度,靶后静电场增强,质子的最大能量显著增大;减小加速层厚度,靶后静电场分布变得更加均匀,质子能谱中心能量变化不大,单能性变好。通过优化参数,获得了能散度为7%的准单能质子束。     

黑腔靶辐射温度实验研究

研究腔靶辐射温度与靶型及激光辐照条件的关系.实验利用神光Ⅱ基频光,激光能量为3—5kJ8束,脉宽为0.6—0.9ns打Au腔靶.采用滤片x射线二极管(XRD)阵列谱仪及平响应x射线二极管(PXRD)分别测量腔靶诊断口辐射软x射线强度谱及其角分布,给出了等效辐射温度为140—180eV.同时,利用多针孔时、空分辨成像技术,观测诊断口发射软x射线时空特性,实验现象表明两种诊断口(衬Be环与无Be环)在160—170eV辐射温度条件下,辐射烧蚀产生的等离子体云均对腔内发射x射线流形成一定程度的阻挡作用,数据处理     

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。     

一种基于多普勒频移光谱的中性束注入器气体靶厚度诊断的新方法

中性束注入是等离子体加热和电流驱动的最有效方法之一。中性束注入的三个基本过程为：离子束的产生,离子束的中性化和中性束的传输,其中,离子束的中性化是关键环节之一。对于EAST-NBI气体中性化室而言,中性化室内气体靶厚度会直接影响离子束的中性化效率,而且还会进一步影响到中性束的传输效率。基于多普勒频移效应,提出了一种新的诊断气体靶厚度的方法,并且已经被应用于EASTNBI测试平台上。该方法主要是基于中性束的束成分随气体靶厚度的演化过程,利用中性束发射Dα光谱线强度完成计算。因此,它被应用于中国科学院等离子体物理研究所EASTNBI装置上。在中性化室出口处的观测窗口上进行测量,在束能量为40~65 keV时,气体靶厚度值为(0.16~0.22)×1016 cm-2,随着引出束流的变化,气体靶厚度随之改变。根据质量守恒定律,对中性化室内的气体靶厚度进行一个粗略的估算,估算的结果与测量的结果基本保持一致,从而证明了该诊断方法的合理性。综上,实验结果表明,该种基于多普勒频移效应的光谱诊断法可以被用于测量中性化室内的气体靶厚度。