激光加速电子束放射照相的模拟研究

激光加速产生高能量电子束具有源尺寸小、准单能、脉宽窄等特征.通过蒙特卡罗程序模拟研究了高能电子束的放射照相.模拟了200 MeV准直电子束照射台阶靶、厚铁靶,11 MeV点源电子束照射惯性约束聚变模型靶,以及70 MeV点源电子束在激光等离子体磁场下的偏转.结果表明激光加速电子束在探伤厚材料内部、确认薄材料界面、测量电磁场等诊断中具有高时空分辨、灵敏等能力.     

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。     

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.     

强激光与锥型结构靶相互作用准直电子束粒子模拟研究

利用PIC(particle-in-cell)方法模拟研究了超短强激光与锥型三明治结构靶相互作用快电子束的产生和传输,并与锥通道靶、锥丝靶和锥靶在相同激光参数下的作用结果进行了比较.研究发现强激光与锥三明治靶作用产生的快电子能被不同密度材料产生的准静态界面强磁场有效地准直传输.相对其他三种锥型结构靶,锥三明治靶能产生更多数目及更高能量的快电子,提高了激光到快电子的能量转换效率和快电子束的品质,这对快点火能量沉积是有利的.     

12MeV强流脉冲电子束对钽靶的破坏研究

强流高能电子束由于具有很强穿透能力,在材料内的能量沉积具有体分布特点,因此其对材料的辐照破坏体现出和低能电子以及X光等不同的特点.本文分析了金相显微镜和扫描电镜下的被12MeV的强流电子束轰击后的1.2mm厚度钽靶的破坏点形貌,其破坏断面体现为力学韧性撕裂,且关于靶中心基本对称.为了解释这种现象,文中用蒙特卡罗的数值模拟方法给出了电子束在钽靶内的沉积能量分布:能量沉积呈现靶中心吸能高,两侧低,且关于中心基本对称的特点.针对破坏断面特点和靶的吸热情况,我们给出高能电子束对靶材破坏初步的定性解释:认为高能电子束的强穿透能力使得靶材各部分几乎同时加热.靶材在极短时间里吸收大量能量,发生剧烈膨胀.由于能量沉积特点,中心部分材料膨胀最厉害,受到两侧边界的强烈约束,将产生两大小相近的热激波相对传播.激波在两侧自由界面反射,产生向内传播稀疏波.当两个稀疏波在靶中心区域相遇,就造成了靶对称撕裂的破坏形态.     

利用轫致辐射谱回推超热电子温度

超短超强激光打靶产生的超热电子与固体靶相互作用时会产生轫致辐射X射线。利用蒙特卡罗方法,对电子在固体靶中传输产生的轫致辐射X射线进行了模拟。1 MeV电子束与固体靶作用产生的轫致辐射谱模拟结果表明,轫致辐射谱高能段斜率受靶厚度及靶材料的影响不明显。麦克斯韦分布的电子束及单能电子束与30 m铜靶作用的模拟结果显示,两种电子源产生的轫致辐射谱在电子束能量或温度较高时基本一致。给出了一种利用轫致辐射谱斜率反推超热电子温度的定标方法。模拟了不同温度下超热电子产生的轫致辐射光子的能量角分布及光子数角分布,结果显示辐射光子能量通量和光子数随着电子温度的提高越来越向前倾,并给出了另外一种由轫致辐射能量角分布反推超热电子温度的定标关系。     

电子照相技术成像模拟研究

针对高能电子照相的关键物理过程开展蒙特卡罗照相模拟研究,采用Geant4围绕2.5 GeV电子在四极透镜组内的输运、电子与物质相互作用衰减等照相基本过程展开研究。通过设计不同材料、不同厚度的含缺陷平板作为模拟照相客体,开展放大型电子照相系统缺陷分辨能力模拟。此外,采用不同材料、不同厚度的台阶样品,模拟获得了电子束流穿过相应面密度材料后的线扩展函数,进一步评估电子照相对实心客体的探测分辨能力。     

不同入射角度下强流脉冲电子束能量沉积剖面和束流传输系数模拟计算

 强流脉冲电子束在材料中的能量沉积剖面、能量沉积系数和束流传输系数受其入射角的影响很大，理论计算了0.5~2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数，并且还计算了0.4~1.4MeV电子束以不同入射角穿透不同厚度C靶的束流传输系数。计算结果表明，随着入射角的增大，靶材表面层单位质量中沉积的能量增大，电子在靶材料中穿透深度减小，能量沉积系数减小，相应的束流传输系数也减小；能量为0.5~2.0MeV的电子束当入射角在60°~70°时在材料表面层单位质量中沉积的能量较大。     

电子束曝光中的蒙特卡罗方法

本文用蒙特卡罗方法模拟了散射电子束在PMMA电子束胶层中的能量沉积分布。为兼顾节约计算机CPU运行机时和物理概念的严谨性而提出了混合式步长的模拟方法。在处理电子穿越胶-衬底的边界时,本文采用宁一种几率确定法,用以判断电子是否在界面处发生一次弹性散射。得出了电子在胶层中的前散射和背散射的能量沉积分布图。     

利用切伦科夫进行电子束发散角测量的模拟研究北大核心CSCD

利用切伦科夫辐射方向性极好的特性进行电子束发散角的测量是一个比较有希望的方法,但转换靶材料对电子的库伦作用力等因素又使得电子束散角展宽,对发散角的测量产生影响。在将转换靶划分成多重薄片并以串联的形式构建了靶模型,考虑了库仑力、多重散射、轫致辐射、电离等全物理过程作用效果的情况下,利用蒙特卡罗模拟软件相关程序对电子在靶材料中的发散过程进行了仿真。基于电子束散角分布与切伦科夫辐射光子分布相对应的原理,完成了对电子束发散角测量技术的模拟,获得了转换靶材料及其厚度、电子束能散、测量系统光学带宽等对电子束发散角测量的影响规律,为测量系统的设计及数据反演处理工作提供了指导性的建议。模拟结果显示,基于切伦科夫辐射进行电子束发散角测量的方法具有可行性,具有一定的对电子束发散角分布进行测量的能力。     

CSRm内靶实验中的轻离子束流寿命模拟研究

 建立了内靶对兰州冷却储存环主环束流影响的单粒子跟踪模拟程序,对pellet小丸靶和碳靶对束流带来的负面影响进行了模拟研究,主要讨论CSRm内靶实验中的束流存活率和束流寿命状态。结果显示利用厚度为1×10¹⁶ atoms×cm^-2小丸内靶时,2.6 GeV质子束流寿命在100 s量级,而对于目前技术水平下的碳膜靶 (厚度为 5×10¹⁷ atoms×cm^-2),质子束流寿命为s量级;束流寿命和束流能量基本成正比关系,束流寿命和内靶厚度近似成反比关系。     

微结构X射线源中电子与阳极作用的蒙特卡罗模拟

根据电子多重散射理论,基于蒙特卡罗方法研究不同能量电子垂直入射不同材料的阳极靶后,电子在阳极靶内的沉积能量分布,及X射线发射位置的能量分布.结果表明：电子在靶内的轨迹扩展和入射电子能量、靶材料有关,99%电子能量沉积在近似圆柱形区域内.且电子在入射方向上的沉积能量分布不是直接递减,而是先递增到一定深度后再递减,符合电子背散射理论.说明X射线产生区域是在距表面一定深度区域内.另外,通过对比分析发现金刚石膜作为电子吸收光栅是不可行的,但作为热沉材料有很大的潜力.这些结论可为微结构X射线源研究及高亮度高相干X射线源设计提供参考.     

质子散射角分布的蒙特卡罗模拟

利用Monte Carlo模拟软件Fluka2006.3b.2,模拟计算质子经单膜散射后粒子角分布及能量分布.讨论质子束能量、散射体材料及厚度对散射角分布的影响.结果表明：薄的高原子序数材料适合做散射体. 关键词： 质子治疗 束流扩展 单膜散射法 散射角     

Enhancement of proton acceleration by hot-electron recirculation in thin foils irradiated by ultraintense laser pulses

MeV-proton production from solid targets irradiated by 100-fs laser pulses at intensities above 1x10(20) W cm(-2) has been studied as a function of initial target thickness. For foils 100 microm thick the proton beam was characterized by an energy spectrum of temperature 1.4 MeV with a cutoff at 6.5 MeV. When the target thickness was reduced to 3 microm the temperature was 3.2+/-0.3 MeV with a cutoff at 24 MeV. These observations are consistent with modeling showing an enhanced density of MeV electrons at the rear surface for the thinnest targets, which predicts an increased acceleration and higher proton energies.     

Mega-Electron-Volt Electron Scattering and Radiography of Plasma

A Monte Carlo code is developed to study mega-electron-volt(MeV) electron scattering and transport in plasma based on multiple scattering.A scaling law relating the angular width of a scattered beam to the incident electron energy and the areal density of plasma is found,which may provide a method of MeV electron radiography for diagnosing the areal density of high-temperature,dense plasma under fusion conditions.The study on the MeV electron beam radiography also shows that plasma density interfaces could be discriminated by electron scattering.     

Determination of the thickness of a gold layer deposited onto silicon via reflected electron spectroscopy

The energy spectra of electrons reflected from a gold layer deposited onto a silicon substrate have been measured when the energy losses are comparable with the energy of a probe electron beam (5 keV) and the elastic energy losses correspond to an electron-beam energy of 14 keV. A subsequent theory for calculating the energy spectra of electrons and light ions reflected from a multilayer target, which is used to interpret the energy spectra measured in the wide range of energy losses, has been developed. It is found that the elastic scattering processes in the gold layer (the thickness of which is tens of monolayers) substantially affect formation of the energy spectra. The Au layer thicknesses calculated by means of the developed theory are compared with those determined from the spectra of elastically reflected electrons. The errors of the Au layer thickness measurements via the proposed method are discussed.     

Proton Beam Generated by Multi-Lasers Interaction with Rear-Holed Target

Multi-lasers are proposed to enhance the proton acceleration in laser plasma interaction. A rear-holed target is illuminated by three lasers from different directions. The scheme is demonstrated by two-dimensional particlein-cell simulations. The electron cloud shape is controlled well and the electron density is improved significantly. The electrons accelerated by the three lasers induce an enhanced target normal sheath acceleration(TNSA) which suppresses the proton beam divergence and improves the maximum proton energy. The maximum proton energy is 22.9 Me V, which increased significantly than that of a single-laser target interaction. Meanwhile, the average divergence angle(22.3?) is reduced. The dependence of the proton beam on the length of sidewall is investigated in detail and the optimal length is obtained.     

Spectra of electrons and X-ray photons in a diffusive nanosecond discharge in air under atmospheric pressure

The spectra of electrons and X-ray photons generated in nanosecond discharges in air under atmospheric pressure are investigated theoretically and experimentally. Data for the discharge formation dynamics in a nonuniform electric field are gathered. It is confirmed that voltage pulses with an amplitude of more than 100 kV and a rise time of 1 ns or less causing breakdown of an electrode gap with a small-radius cathode generate runaway electrons, which can be divided into three groups in energy (their energy varies from several kiloelectronvolts to several hundreds of kiloelectronvolts). It is also borne out that the formation of the space charge is due to electrons appearing in the gap at the cathode and a major contribution to the electron beam behind the foil comes from electrons of the second group, the maximal energy of which roughly corresponds to the voltage across the gap during electron beam generation. X-ray radiation from the gas-filled diode results from beam electron slowdown both in the anode and in the gap. It is shown that the amount of group-3 electrons with an energy above the energy gained by runaway electrons (in the absence of losses) at a maximal voltage across the gap is much smaller than the amount of group-2 electrons.