基于多反应通道的高产额激光中子源实验研究

基于超短超强激光的短脉冲中子源是实现超快中子探测的理想中子源。如何提升中子产额是目前短脉冲激光中子源实现应用需求亟需解决的关键问题。提出基于靶背鞘场加速机制和束靶反应方案,采用LiD复合组分靶作为中子转换体,可以有效提升激光中子产额。与常规的LiF转换体相比,除了p-Li和d-Li两个反应道之外,LiD转换体可以多出p-D和d-D两个反应道,因此可充分利用激光加速的质子和氘离子的多反应通道优势来提升中子产生概率。实验结果表明,相比于LiF转换体,LiD转换体可带来中子产额2～3倍的提升,达到5.2×108 n/sr的最高中子产额,并具备更好的前冲性。实验还区分了多反应通道的贡献,证明中子产额提升主要来自于p-D反应。     

厚靶D（d,n）^3He反应加速器中子源的产额、能谱和角分布

给出一种计算氘钛厚靶D(d,n)3He反应加速器中子源的产额、能谱和角分布的方法,并发展了一个计算机模拟程序,程序能够计算氘束流能量小于1.0 MeV的中子源的产额、能谱和角分布.计算时使用推荐的D(d,n)3He反应截面数据和来自SRIM-2003程序的氘在氘钛靶中的阻止本领数据.给出一些典型计算结果,包括中子积分产额、中子能谱和角分布.     

SILEX-I装置上激光-团簇聚变实验中子产额测量

 超短超强脉冲激光与CD4团簇相互作用可以产生高能量的氘离子,从而产生DD聚变中子,这种团簇聚变中子源有着非常广阔的应用前景。在SILEX-I 100 TW飞秒激光装置上,超短超强脉冲激光与CD₄团簇相互作用实现了DD核聚变。团簇聚变的中子产额是实验中最为重要的物理量,在实验中采用高灵敏的中子探测器对团簇聚变产生的中子进行了测量,在现有实验条件下测得中子产额为10³。     

超强激光与等离子体相互作用产生中子的计算

对超强激光与等离子体相互作用过程中发生的氘-氘反应的中子能谱进行了计算.并将计算结 果与实验结果相比较.采用麦克斯韦能量分布和高斯形式的角分布对实验结果进行拟合，从 而确定了入射氘离子的温度和角分布，为研究离子的加速机制提供了依据. 关键词： 中子能谱 激光与等离子体相互作用     

拍瓦激光与铜靶作用产生光核中子的数值模拟研究

激光驱动中子源由于中子通量高、短脉冲等特点受到广泛关注。通过辐射流体动力学、粒子动力学和蒙特卡罗三种数值模拟程序的组合使用,对超短强激光与铜靶作用产生光核中子进行了全物理过程模拟。首先使用辐射流体动力学程序获得激光预脉冲产生的预等离子体密度分布,然后将预等离子体输入粒子动力学程序获得超短强激光主脉冲产生的超热电子信息,最后将超热电子输入蒙特卡罗程序得到光核中子。模拟获得了光核中子的产额、能谱和角分布信息,发现采用强度1022 W/cm2激光、直径和厚度均为4 cm的Cu圆柱靶,可以获得产额为1.2108/J的光核中子。     

利用整形激光脉冲压缩薄膜靶得到中子源

研究了整形激光脉冲对冰冻氘氚靶的压缩。通过数值分析,发现利用分步激光产生的系列激波压缩氘氚靶可以获得较高密度和较低温度的等离子体靶。初始激光强度的选取将影响到压缩后的等离子体密度,继而影响到产生中子的数量。通过调节初始激光强度可以使压缩后的氘氚靶温度处在反应率比较高的范围内,从而得到优化结果。当初始归一化激光振幅为0.5,最终为32时,压缩后的氘氚靶密度可达到18416倍的临界密度,温度达到16 keV,每焦耳入射激光能量可得到109个中子,这个中子产额比现有其他方法所得到的中子产额大4个数量级。     

基于纯冲击波聚心的准一维氘氘内爆物理实验

在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400J/1ns激光注入1100μm×1850μm的黑腔内产生210eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆。     

氘代乙烷团簇库仑爆炸产生高能氘核和中子的研究

采用简化库仑爆炸模型对强激光脉冲照射氘代乙烷团簇发生的库仑爆炸过程进行数值模拟,研究了氘代乙烷团簇爆炸产生的氘核动能、中子产额与团簇尺寸的关系,且与氘代甲烷团簇产生的氘核动能及中子产额进行了比较.研究表明,尺寸为5 nm的氘代乙烷团簇在发生库仑爆炸后氘核的最大动能为20.96 keV,获得的中子产额为6.31×105,比同尺寸氘代甲烷团簇产生的氘核最大动能及中子产额更大.因此相对于氘代甲烷团簇,大尺寸的氘代乙烷团簇更适合作为激光驱动团簇库仑爆炸获得高额中子的靶材,这与报道的实验推论相一致.     

我国首次间接驱动内爆出中子实验成功

1990年10月中旬到11月底,中国工程物理研究院激光惯性约束聚变实验作业队在我国“神光”装置上,进行了以研究间接驱动内爆为主要目标的激光打靶实验。以可靠的诊断设备和重复的实验数据确认,两种间接驱动方式(辐射驱动和混合驱动)内爆出中子的实验均获得成功,其最高聚变中子产额分别达到:5×10~3中子/脉冲和3×10~5中子/脉冲。 实验采用中国工程物理研究院核物理与化学研究所研制的空腔靶,靶腔由金(Au)材料制成,腔内悬挂内充一定压力的氘氚气体玻璃微球,其氘氚含量比为1:1。     

厚靶低中能9Be(d,xn)反应加速器中子源特性研究

利用PHITS程序评价计算了厚靶9Be(d, xn)反应加速器中子源的能谱和角分布数据，重点讨论了JQMD、INCL和INCL/DWBA三种核反应物理模型计算厚靶9Be(d, xn)反应中子辐射场分布的适用性。研究结果显示，基于INCL/DWBA耦合模型的PHITS程序计算所得到的厚靶9Be(d, xn)反应中子能谱和角分布数据能够较好地与实验数据符合，可以为厚靶9Be(d, xn)反应中子源特性研究及应用提供较为准确的中子辐射场数据。此外，设计了水冷大面积旋转铍靶的方案，并在5~25 MeV/5 mA入射氘能量下条件下，开展了靶面温度模拟研究，结果显示，靶面最高温度可控制在100 oC以下。     

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.     

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.     

康普顿γ光源SLEGS对长寿命裂变产物126Sn的嬗变潜力

结合激光康普顿散射模拟程序4D-MCLCSS和Geant4软件包, 模拟上海激光电子γ源(SLEGS)的γ光产生及其对长寿命裂变产物¹²⁶Sn的光核嬗变过程, 研究嬗变率与嬗变靶几何参数的依赖关系, 并初步诊断基于SLEGS的光核嬗变产物分布, 获得¹²⁶Sn嬗变靶的最佳靶厚和半径分别为16cm和0.4cm, 对应的嬗变率为1.89×10⁶/s。研究结果表明:基于SLEGS的光核嬗变率比强激光驱动的轫致辐射法要高2倍, 而且升级潜力巨大。     

Comparison of nanosecond laser ablation at 1064 and 308 nm wavelength

To study the solid Cu ablation in vacuum, two different laser sources operating at 1064 and 308 nm wavelength are employed at similar values of laser fluences. The infrared laser is a Q-switched Nd:Yag having 9 ns pulse width (INFN-LNS, Catania), while the ultraviolet one is a XeCl excimer having 20 ns pulse width (INFN-LEA, Lecce). Both experiments produced a narrow angular distribution of the ejected material along the normal to the target surface. The ablation showed a threshold laser power density, of about 7 and 3 J/cm² at 1064 and 308 nm, respectively, below which the ablation effect was negligible. The laser interaction produces a plasma at the target surface, which expands very fast in the vacuum chamber. Time-of-flight (TOF) measurements of the ion emission indicated an average ion velocity of the order of 4.7×10⁴ and 2.3×10⁴ m/s for the infrared and ultraviolet radiation, respectively. We also estimated approximately the corresponding temperature of the plasma from which ions originated, i.e. about 10⁶ and 10⁵ K for IR and UV wavelength, respectively. A discussion of the analysis of the ablation mechanism is presented. At the used laser power densities the produced Cu ions showed ionisation states between 1+ and 5+ in both cases.     

A short history of heavy ion beam probing

The author describes some aspects of research on controlled thermonuclear fusion as an energy source, starting in the late 1950s. There was a need for new diagnostic techniques for studying high temperature plasmas. The author proposed a diagnostic for measuring plasma density by probing a deuterium plasma with a deuterium beam and measuring the proton production from the D-D nuclear reaction. By the mid 1960s, it was possible to do so. After carrying out a D-D measurement, the author suggested switching over to an H₂⁺ beam and looking for an H⁺ signal. The H+ was loud and clear and that was the last of the nuclear measurements. One of the first things done using the molecular break-up of the H₂⁺ to measure the density of the hollow cathode arc plasma was a study of a coherent instability. The frequency response wasn't sufficient to measure the instability directly, so a Langmuir probe was used to detect the instability. The Langmuir probe gave a signal from a fixed spatial location but the beam probe signal was swept across the plasma giving 2D spatial resolution. This was the first detailed mapping of a plasma instability. Attempts to apply the ion beam probe to measuring the plasma current density in the ST Tokamak are described. Heavy ion beam probing measurements using hollow cathode arcs as target plasmas made it possible to measure T_e at low temperatures and to identify space potential fluctuations. Installation of a beam probe on the Laser Initiated Target Experiment are described, along with work on the ELMO Bumpy Torus, the VERSATOR Tokamak, TMX, TEXT, ISX-B, the Ergodic Magnetic Limiter and ATF     

High-intensity laser induced ion acceleration from heavy-water droplets

Fusion neutrons from a heavy water droplet target irradiated with laser pulses of 3 x 10(19) W/cm(2) and from a deuterated secondary target are observed by a time-of-flight (TOF) neutron spectrometer. The observed TOF spectrum can be explained by fusion of deuterium ions simultaneously originating from two different sources: ion acceleration in the laser focus by ponderomotively induced charge separation and target-normal sheath acceleration off the target rear surface. The experimental findings agree well with 3D particle-in-cell simulations.     

Gd靶激光等离子体6.7nm光源的实验研究

本文对Gd靶激光等离子体极紫外光源进行了实验研究, 在 6.7 nm附近获得了较强的辐射, 并研究了6.7 nm 附近光辐射随打靶激光功率密度变化的规律以及收集角度对极紫外辐射的影响. 同时, 对平面Gd靶激光等离子光源的离子碎屑角分布进行了测量, 发现从靶面的法线到沿着靶面平行方向上Gd离子数量依次减少. 进一步研究结果表明采用0.9 T外加磁场的条件下可取得较好的Gd 离子碎屑阻挡效果.     

Intermediate energy proton scattering and nuclear transition densities in nickel isotopes

Using the high-resolution spectrometer SPES-I, the angular distribution of 1.047 GeV protons scattered from ⁵⁸Ni, ⁶⁰Ni, ⁶²Ni, ⁶⁴Ni have been measured in the angular range 4–18°, up to 4.8 MeV excitation energy. The data are analyzed within the framework of Glauber multiple scattering theory using a spin-dependent NN scattering amplitude. The parameters of the neutron density distributions have been determined by a χ² analysis of elastic scattering. The inelastic data corresponding to the first 2⁺ and 3⁻ states are analyzed with the collective model and an attempt has been made to extract information about the corresponding neutron transition densities.     

基于3.5 MeV射频四极质子加速器硼中子俘获治疗装置的束流整形体设计

在硼中子俘获治疗(BNCT)装置中,束流整形体(BSA)的作用是将中子源产生的快中子束流慢化至超热中子能区(0.5 eVE10 keV),并尽可能减弱快中子、热中子和γ射线的成分,同时保证中子的方向性,其设计与优化是BNCT装置设计工作的核心内容之一.本文采用3.5 MeV,10 mA的质子束轰击锂靶,由核反应~7Li(p,n)~7Be产生的中子为源项,针对BSA的慢化体材料和结构、γ屏蔽层和热中子吸收层的厚度等参数进行蒙特卡罗模拟设计与优化.研究发现,采用Fluental和LiF两种慢化材料间隔2 cm层状堆叠的三明治BSA构型,在保证快中子剂量成分(D_f/φ_(epi)),γ剂量成分(D_γ/φ_(epi))和热中子比例φ_(th)/φ_(epi)满足IAEA-TECDOC-1223报告推荐要求的同时,在BSA出口处超热中子注量率优于单独使用Fluental和单独使用LiF的BSA设计.BSA出口处修正的Synder人头几何模型中的剂量分布计算结果显示:上述三明治构型的深度剂量分布与单独使用Fluental材料构型的结果基本相当,优于单独使用LiF构型,表明Fluental和LiF层状堆叠的三明治BSA构型是一种可行的BSA结构.