“闪光二号”加速器HPIB的产生及应用初步结果

主要给出了“闪光二号”加速器高功率离子束(HPIB)产生及应用研究的初步结果.介绍了强箍缩反射离子束二极管的结构及工作原理，给出了考虑阴阳极产生的等离子体运动对二极管间隙影响的饱和顺位流修正公式.实验得到的离子束峰值能量约500keV，峰值电流约160kA.介绍了利用高功率离子束(质子束)轰击¹⁹F靶产生6—7MeV准单能脉冲γ射线的初步实验结果，给出了利用高功率脉冲离子束模拟1keV黑体辐射x射线对材料的热-力学效应初步研究结果. 关键词： 高功率离子束 箍缩二极管 准单能脉冲γ射线 热-力学效应     

利用CR39上的径迹鉴别激光加速离子产物

分别利用单能的质子束及碳离子束辐照CR39,并制定了规范的刻蚀条件及流程。通过对处理完成后的数据进行详细处理,得到了质子及碳离子的径迹直径-能量的响应曲线,可用于确定CR39上质子或碳离子的能量。以此为依据,得到了鉴别CR39上质子及碳离子的有效方法。在激光加速离子的实验中,通过测量CR39上的径迹大小及相对灰度,利用本文给出的标定数据,确认了质子径迹,得到了实验的质子能谱。     

MeV能量离子在生物样品中的能量损失与能量离散

为了研究 MeV能量离子在生物样品中的能量损失与能量离散, 分别使用1.0, 1.8和2.8 MeV质子和4.5 MeV氦离子分别辐照不同质量厚度的洋葱内表皮膜。 当质子穿过该生物样品后, 可以利用透射能谱测量透射离子的能量损失和能量离散。 实验结果显示, 在以上的生物样品中, MeV能量离子的能量损失值和TRIM程序模拟的结果相吻合, 但是透射离子的能量离散值却与TRIM程序模拟结果有很大的不同。 结合生物样品的结构不均匀的特性, 对Bohr能量离散理论进行了修正, 并发现修正后的Bohr能量离散理论计算结果与实验值符合得很好。     

MeV氢微团簇离子与固体介质的电荷交换

利用静电加速器提供的0.6—1.8MeV的H⁺，H⁺₂，H⁺₃离子，轰击不同厚度的碳膜，分别测量这些离子通过碳膜后各种产物的产额. 得到了不同能量的H⁺通过碳膜后中性原子H和负离子H^-的产额随入射质子速度的变化关系；分别得到能量为1.2MeV,1.8MeV的H⁺₂，H⁺₃团簇离子通过不同厚度碳膜的透射产额及其与团簇离子在碳膜中驻留时间的关系；对结果进行了理论分析与讨论. 关键词： 团簇离子 电荷交换     

高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运模拟

利用2.5维KARAT软件对高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运过程进行PIC数值模拟，模拟结果表明在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和。在模拟中考虑了收集器的几何尺寸和离子束密度，因此模拟结果比一维数值计算的结果更为可靠。同时还模拟了偏置电压与电荷收集器离子收集效率之间的关系，对于峰值能量为500keV的高功率离子束，偏压为－800V即可满足测量要求，这一结果与实验吻合较好。     

高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运模拟

 利用2.5维KARAT软件对高功率离子束在偏压电荷收集器内部的电荷输运过程进行PIC数值模拟，模拟结果表明在偏压电荷收集器内部电荷中和而电流不中和。在模拟中考虑了收集器的几何尺寸和离子束密度，因此模拟结果比一维数值计算的结果更为可靠。同时还模拟了偏置电压与电荷收集器离子收集效率之间的关系，对于峰值能量为500keV的高功率离子束，偏压为－800V即可满足测量要求，这一结果与实验吻合较好。     

近玻尔速度能区高电荷态离子与激光等离子体相互作用实验研究装置

近玻尔速度能区高电荷态离子在稠密等离子体中的能量损失是强流重离子束驱动的高能量密度物理等前沿研究中的核心物理问题之一.基于中国科学院近代物理研究所的320 kV实验平台,新建立了一套近玻尔速度能区离子束与激光等离子体相互作用的实验研究装置,用于开展高精度的离子能量损失和电荷态研究.本文将详细介绍该装置的特点,包括脉冲离子束(≥200 ns)的产生与调控、高密度(10¹⁷—10²¹ cm^–3)激光等离子体靶的制备、等离子体参数诊断与离子的高精度测量(<1%)等.基于该装置已开展了百keV的质子束和4 MeV的Xe¹⁵⁺离子束与激光Al等离子体靶相互作用的实验,并取得了相应的结果.本实验装置能够为中国在近玻尔速度能区高电荷离子与稠密激光等离子体相互作用研究提供高精度的实验数据,以促进理论工作的发展.     

用偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束

 分析了偏压法拉第筒测量强流脉冲离子束的原理和影响测量准确度的主要因素,研制了一种结构简单的偏压离子法拉第筒阵列,利用该装置测量了200kV小型强流脉冲离子束源的束流密度分布,束流中心密度最大值约为170A/cm²。     

生物厚靶的He+离子透射能谱

测量了500keV—1MeV的He⁺离子穿过50—90μm厚度的玉米种皮、葡萄果皮和西红柿果皮的透射能谱．结果表明这些生物厚靶是不均匀的,存在着类似于“沟道”的开放通道,沿着这些通道入射离子可以容易地透过靶材料．虽然大多数离子停留在靶中,但一部分透射离子只损失很少的能量．透射能谱显示出一种纯粹的电子阻止特征．30μm厚度样品的透射电子显微镜图谱(TEM)显示150keV的电子可以穿过这些样品得到很清晰的图象．β-1,4葡聚糖是生物种皮或果皮细胞壁的重要的组成部分,计算了该分子链的电子     

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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.     

Energy spectra of protons driven by ultra-short laser interaction with thin gold foils

在能量11 mJ、波长744 nm、脉宽120 fs、功率密度6×1016 W/cm2的超短脉冲装置上,开展了超短脉冲激光与2.1 μm和5.0μm金薄膜靶相互作用产生质子束的实验研究.利用Thomson谱仪测量了产生的质子能谱,发现利用2.1 μm金薄膜靶时,质子能谱由于质子源数量不足而在74 keV附近出现单能峰,5.0 μm的金薄膜靶产生的质子计数和能谱均比2.1 μm的金薄膜靶产生的低,主要原因是超热电子穿过薄膜靶时出现的能量损失和几何倾斜降低了电子回流所致.     

二次电子发射对质子束流测量精度的影响

二次电子发射直接影响法拉第探测器测量质子束流的精度,减小或消除二次电子发射的影响是提高束流测量精度的关键。根据二次电子补偿原理设计了二次电子补偿型同轴法拉第探测器,实验发现探测器测量质子束流强度时不能完全实现二次电子补偿。为改进和完善探测器的设计,从理论上分析了补偿片未能完全消除二次电子对束流测量影响的原因,是由于补偿片前向发射二次电子数目大于收集极后向发射二次电子数目所致。为此设计了质子束穿过金属箔发射二次电子测量装置,测量得到能量为5~10MeV质子穿过10μm厚铜箔时前向与后向发射二次电子产额,验证了理论分析的正确性。     

质子在碳化硅中不同深度的非电离能量损失

利用蒙特卡罗方法,应用Geant4程序,模拟计算了1—500 MeV质子在碳化硅材料中的非电离能量损失,并研究了不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献.模拟结果表明:在相同质子辐照下,碳化硅材料中的非电离能量损失要比硅、镓等半导体材料更小,说明碳化硅器件的稳定性更好,抗位移损伤能力更强;当靶材料足够厚时,在不同能量质子辐照下,材料损伤最严重的区域会随着质子入射能量的增加从质子射程末端逐渐前移到材料表面;不同种类的初级反冲原子对非电离能量损失的贡献表明,在低能质子辐照下,28Si和~(12)C是位移损伤的主要原因,而随着质子能量的增加,通过核反应等过程产生的次级离子迅速增多,并对材料浅层造成严重的位移损伤.     

单晶Si表面离子束溅射沉积Co纳米薄膜的研究

采用离子束溅射沉积法，在单晶Si基片上制备了不同厚度(1—100nm)的Co纳米薄膜.利用原子力显微镜、X射线光电子能谱(XPS)仪和X射线衍射仪对不同厚度的Co纳米薄膜进行了分析和研究.结果表明：当薄膜厚度为1—10nm时，沉积颗粒形态随薄膜厚度增加将由二维生长的细长胞状过渡到多个颗粒聚集成的球状.当膜厚大于10nm时，小颗粒球聚集成大颗粒球，颗粒球呈现三维生长状态.表面粗糙度随膜厚的增加呈现先增加后减小的趋势，在膜厚为3nm时出现极值.XPS全程宽扫描和窄扫描显示：薄膜表面的元素成分为Co，化学态分别 关键词： 离子束沉积 纳米薄膜 X射线光电子能谱 X射线衍射     

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实验研究了超短超强激光与7μm薄膜Cu靶的相互作用中靶背法线方向产生的质子和碳离子的能量分布。实验中采用CR39和Thomson磁谱仪相结合测量质子和碳离子能谱。实验中观察到了质子和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;质子的产额远远高于碳离子产额;C4+、C3+、C2+和C1+最大截止能之比约为4:3:2:1。     

碳离子束射程快速验证方法的蒙特卡罗模拟研究

可通过楔形装置把离子束(质子和重离子)纵向上的的深度剂量分布转换成横向上的剂量分布，进行离子束射程的快速测量及验证。本工作通过基于GEANT4内核的GATE蒙特卡罗模拟平台，模拟计算了不同能量碳离子束在用于制作楔形装置的铜、铝、铁和有机玻璃等材料中的深度剂量分布，得到不同能量碳离子束在不同材料中Bragg峰位所处深度与能量之间的关系；模拟计算了不同能量碳离子束穿越单楔板、双楔板和大小组合楔板等楔形装置后横向上的剂量分布，得到了横向剂量峰值出现位置与碳离子束射程之间的关系。本文蒙特卡罗模拟研究为进一步开发重离子治疗当中的射程快速验证方法与设备奠定了坚实的基础。     

均匀磁场下碳离子笔形束的剂量变化分析及位置修正方法

分析外加均匀磁场对于碳离子笔形束剂量分布的影响,并考虑修正这种影响,为磁共振成像引导碳离子放射治疗的临床应用提供指导。本文利用蒙特卡罗方法模拟计算了不同能量碳离子笔形束在不同强度磁场下的剂量分布情况,发现垂直于碳离子束入射方向的均匀磁场对于碳离子笔形束射程缩短的影响很小,磁场对碳离子束的主要影响是引起束流横向偏转,特别是碳离子束布拉格峰位置的横向侧移。横向侧移程度与碳离子束的能量和磁场强度相关,根据模拟结果,得到了一个计算碳离子束布拉格峰在磁场中相对横向偏转的方程,并提出一种校正外加磁场引起的碳离子束布拉格峰横移的角度修正方法。这些结果可用于指导磁共振图像引导碳离子放射治疗计划系统的研发。     

带状真空电弧磁过滤器等离子体分布特性及制备类金刚石膜研究

采用大尺寸矩形石墨靶作为真空阴极电弧源, 研制了带状真空电弧磁过滤器. 使用法拉第杯和朗缪尔探针对90 ℃弯曲磁过滤器中的带状等离子体出口所在平面的15个区域的离子能量和密度进行了测试; 用该带状真空电弧磁过滤器制备了类金刚石膜(diamond-like carbon, DLC); 对相应位置上的类金刚石膜进行了Raman分析和膜厚测量. 结果表明: 磁过滤器出口所在平面的15个划分区域中离子能量分布接近麦克斯韦分布, 离子能量分布与类金刚石膜的结构具有明显的对应特征, 离子密度分布与DLC膜膜厚分布相互之间具有相关性.     

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。     

单、双电荷离子与原子碰撞中的激发态和发射截面比较

本文给出了单、双电荷离子和He,Ne,Ar,碰撞过程中产生的激发态的实验结果。He^q+,Ar^q+(q=1,2)离子束实验室能量为(70—170)×q keV。光学测量由光学多道分析系统(OMA)完成,波长范围为200—800nm。观察到单、双电荷离子和原子碰撞中各种不同的激发过程,讨论了发射截面和入射离子电荷数、势能亏损的依赖关系。 关键词：