基于带电粒子活化法开展的SGⅡ-U皮秒激光质子加速实验研究

基于带电粒子活化测谱方法在SGⅡ-U装置上开展了皮秒激光靶背鞘场机制质子加速实验研究,对靶参数进行了优化.利用带电粒子活化测谱方法测量了相同激光条件、不同Cu薄膜靶厚度情况下靶背鞘场加速质子的最高截止能量、角分布、总产额以及激光能量到质子的转化效率等关键参数.实验发现,SGⅡ-U皮秒激光靶背鞘场加速机制的最佳Cu薄膜靶厚度为10 μm,对应质子最高能量接近40 MeV,质子（>4 MeV）总产额约4×10¹²个,激光能量到质子的转化效率约2%.薄膜靶更厚或者更薄都会降低加速质子的最高截止能量;当靶厚减薄至1 μm时,皮秒激光的预脉冲开始对靶背鞘场产生显著影响,质子最高截止能量急剧下降,高能质子束斑呈现空心结构;而当靶厚增加至35 μm时,虽然质子束的能量有所降低,但是质子束斑的均匀性更好.     

100 TW激光与等离子体相互作用中质子背向发射的能谱测量

 用100 TW激光器产生的超短超强激光与5 μm薄膜Cu靶的进行打靶实验，测量了靶背法线方向产生质子的角分布和能谱。实验中采用辐射变色膜片HD810测量质子的角分布，用CR39和Thomson磁谱仪结合测量质子能量分布。测量结果表明：质子发射张角为10°左右，质子沿着靶背法线方向发射，在能量为570 keV处出现截断。通过测量质子能量分布验证了超短超强激光等离子体相互作用过程中靶背法线鞘层质子加速机制。     

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18 MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20 m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。     

超短超强激光与固体靶相互作用中发射质子的截止能量估算

 根据超短超强激光与固体靶相互作用中质子靶前表面加速和靶后表面加速两种机制,对在SILEX-I激光器上进行的质子加速实验中获得的质子最大截止能量进行了估算,认为实验中质子产生的主要机制是靶后表面加速。同时结果表明：对该装置的实验条件,靶前表面加速机制可以产生质子的最大能量约为2 MeV;靶后表面加速机制可以产生的质子的最大能量约11 MeV。另外用Multi2005程序计算了激光器信噪比对靶后表面加速机制的影响。计算表明：SILEX-I激光器信噪比达到108∶1时,预脉冲对用5 μm靶时鞘层加速电场的影响可以忽略。     

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3×1018~3×1019W/cm2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。     

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/cm³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/cm³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.     

D-T中子与平板型聚乙烯材料作用的次级中子角度谱实验研究

基于反冲质子法建立了一种测量D-T中子与平板型宏观样品作用的次级中子角度谱的实验方法.为保证探测器的能量线性并在较低的中子有效测量下阈(0.5 MeV)情况下获得好的中子-伽马射线甄别性能,采用高、低能段分别测量的方法.采用事件记录法,同时记录了次级中子和伴随伽马射线的脉冲形状甄别和脉冲幅度二维信息,利用基于ROOT数据分析平台编写的离线数据分析程序,完成了伴随伽马射线的挑选和扣除,以及高、低两能段反冲质子谱的拼接,并成功的将神经网络技术应用于中子能谱的解谱,获得了D-T中子与9和18 cm厚平板型聚乙烯材料作用的0.5-15 MeV的次级中子角度谱实验结果.实验模型的MC模拟由MCNP5完成,数据库采用ENDF-VI,实验结果和MC计算结果在实验不确定度范围内一致. 关键词： D-T中子 积分中子学 反冲质子法 次级中子能谱     

质子与~(52)Cr反应数据理论计算与分析

在质子与48Ti,51V和52Cr反应的去弹截面、弹性散射角分布实验数据的基础上,获得了一组入射质子能量在150 MeV以下的质子与52Cr反应的光学势参数。应用光学模型、扭曲波玻恩近似理论、核内级联模型、蒸发模型、带宽度涨落修正的Hauser-Feshbach理论以及激子模型(含改进的Iwamoto–Harada模型)计算得到了质子与52Cr反应的所有截面、角分布、能谱和双微分截面。对理论计算结果与实验数据以及TENDL中的数据进行了比较分析,结果显示,理论计算结果与实验数据符合较好,且反应道截面优于TENDL的结果。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

飞秒激光中高能质子的产生与加速的研究

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能质子的产生和加速机制,在超短超强激光装置“SILEX-I”上进行了飞秒激光与平面固体薄膜Cu靶的相互作用中高能质子空间分布、能谱和产额的实验研究。实验采用固体核径迹探测器CR39和Thomson离子谱仪相结合的方式,在固体靶背表面法线方向测量了质子空间分布、能谱和产额。实验结果表明：质子沿着靶背法线方向发射,质子空间分布呈圆环状,存在一定的立体角;质子在一定能量处出现截断;截断能量的大小与靶厚度有关。经分析,高能离子的产生和加速是多种作用机制共同作用的结果,其中静电场中的TNSA加速机制则占主导地位。     

A high energy component of the intense laser-accelerated proton beams detected by stacked CR-39

A precise measurement has been made utilizing a stacked CR-39 detectors unit for laser-accelerated high intensity protons. The proton beams are derived from a thin polyimide target exposed to an high intense Ti:sapphire laser 8 J energy and 40 fs duration. The sample sets, stacked radiochromic film and CR-39 detectors covered with 13 μm aluminum filter, are irradiated under vacuum condition. By analyzing the etch pits on the last layer of CR-39 which recorded etchable tracks, the energies of each proton in high-energy region are evaluated more precisely than in the past. The residual ranges for each particle in the last layer has been obtained from etch pit growth curves with multi-step etching technique. The maximum energy of proton is 14.39 ± 0.05 MeV. This method allows us to measure the maximum energy of proton precisely, which can obtain high energy resolution with uncertainty ΔE = 0.1 MeV in the laser-driven particle acceleration experiment.     

超强激光与固体气体复合靶作用产生高能氦离子

激光氦离子源产生的MeV能量的氦离子因有望用于聚变反应堆材料辐照损伤的模拟研究而得到关注.目前激光驱动氦离子源的主要方案是采用相对论激光与氦气射流作用加速高能氦离子,但这种方案在实验上难以产生具有前向性和准单能性、数MeV能量、高产额的氦离子束,而这些氦离子束特性是材料辐照损伤研究中十分关注的.不同于上述激光氦离子产生方法,我们提出了一种利用超强激光与固体-气体复合靶作用产生氦离子的新方法.利用这种方法,在实验上,采用功率密度5×10~(18)W/cm~2的皮秒脉宽的激光脉冲与铜-氦气复合靶作用,产生了前向发射的2.7 MeV的准单能氦离子束,能量超过0.5 MeV的氦离子产额约为10~(13)/sr.二维粒子模拟显示,氦离子在靶背鞘场加速和类无碰撞冲击波加速两种加速机理共同作用下得到加速.同时粒子模拟还显示氦离子截止能量与超热电子温度成正比.     

Bismuth-fission detectors for high energy nucleons: II. Proton and neutron responses

A critical requirement for the ²⁰⁹Bi-fission detector is the knowledge of its response as a function of energy for both neutrons and protons. For this reason, stacks of ²⁰⁹Bi-fission detectors have been exposed to proton beams of 100 and 150 MeV at the Paul Sherrer Institute. Similar stacks have been exposed to neutron beams of 100 and 160 MeV at the Svedberg Laboratory from Uppsala University. The calibrations data with neutrons have been compared with those obtained with protons of the same energies. This comparison has proved that the response of ²⁰⁹Bi-fission detector for neutrons is two to three times smaller than that for protons at least in the range of nucleon energy up to 150 MeV.     

Track etch rates along the trajectories of nitrogen and oxygen ions in CR-39

Experimental studies on track etch rates in CR-39 performed with protons, deuterons and alpha particles as well as ⁷Li, ¹¹B and ¹²C ions were extended to ¹⁴N and ¹⁶O ions. The results are compatible with the general systematics found for the dependence on the kind of ion and its initial energy. Analysing the etch rate ratios as function of the restricted energy loss (REL), the non-existence of a unique relationship has been confirmed. However, assuming a dependence of the etch rate ratio not only on REL, but also on the depth within the detector where a given REL value occurs, all experimental data could be adjusted. The experiments with ¹⁴N and ¹⁶O ions allow extension of the REL range studied up to about 14 000 MeV/cm. The whole area relevant to neutron-induced charged particles generated within the CR-39 detectors is covered thereby. Having added the data for ¹⁴N and ¹⁶O ions, the array of curves for the etch rate ratio could be expanded up to 14 000 MeV/cm without inconsistencies, demonstrating the compatibility of the new data set also quantitatively.     

Heavy-ion particle spectrometry by track pattern in muscovite detectors

Muscovite mica detectors were irradiated with the ions: ¹⁹F of 47.5 MeV, ²⁴Mg of 57 MeV, ²⁸Si of 28 and 74 MeV, ³²S of 32 and 74 MeV, ⁶³Cu of 78.75 MeV and with neutron induced uranium fission fragments. Using optical microscopy, after an appropriate chemical etching, two characteristic etched track structure patterns were observed: a rhombic pyramid terrace structure for the Mg, Si and S ions, and a rhombic prism structure for the Cu ions and fission fragments. The use of these etched track patterns to discriminate two groups of ions between them, for the energy range covered in this work, is proposed.     

Laser-driven generation of fast particles

The great progress in high-peak-power laser technology has resulted recently in the production of ps and subps laser pulses of PW powers and relativistic intensities (up to 10²¹ W/cm²) and has laid the basis for the construction of multi-PW lasers generating ultrarelativistic laser intensities (above 10²³ W/cm²). The laser pulses of such extreme parameters make it possible to produce highly collimated beams of electrons or ions of MeV to GeV energies, of short time durations (down to subps) and of enormous currents and current densities, unattainable with conventional accelerators. Such particle beams have a potential to be applied in numerous fields of scientific research as well as in medicine and technology development. This paper is focused on laser-driven generation of fast ion beams and reviews recent progress in this field. The basic concepts and achievements in the generation of intense beams of protons, light ions, and multiply charged heavy ions are presented. Prospects for applications of laser-driven ion beams are briefly discussed.     

激光加速高能质子实验研究进展及新加速方案

利用超强激光与等离子体相互作用来加速高能离子是激光等离子体物理及加速器物理领域的研究热点.经过了近20年的发展,激光离子加速已取得丰硕成果,催生了一批新的应用.本文概述了国内外激光离子加速所取得的标志性实验研究进展,围绕高能质子的产生这一关键问题进行了深入的探讨,介绍了近几年来发展的有潜力的新加速方案.     

飞秒激光作用下质子产额及空间分布

在超短超强激光装置SILEX-Ⅰ上,利用HD810辐射变色膜在靶背法线方向测量了质子产额及空间分布。测量结果显示:光学密度与质子流量密切相关,光学密度越大,质子流量就越大;当C8H8厚度相同,Cu厚度增加时,质子产额随辐射变色膜的光学密度平均值减小而减小;当靶相同,激光功率密度越小时,光学密度平均值就越小,则质子产额也越小;实验中还得到了质子呈环状、成丝和圆盘状结构的空间分布,该空间分布的大小与激光焦斑大小无关。     

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实验研究了超强激光与平面薄膜Cu靶的相互作用中,在靶背法线方向产生的离子能量分布.实验中采用固体核径迹探测器CR39和Thomson谱仪相结合测量离子能谱.实验中同时测量到了质子和C4+、C3+、C2+和C1+离子.实验结果表明:离子沿着靶背法线方向发射,离子在一定能量处出现截断;在固体核径迹探测器CR39上可以看出碳离子信号比质子信号弱,质子的产额远高于碳离子,质子对碳离子有屏蔽作用;在相同发次中C4+、C3+、C2+和C1+离子随着荷质比的增大,相应离子的截止能增加.