用于激光加速质子参数表征的带电粒子活化测谱技术

基于传统带电粒子活化分析技术,发展了一种用于激光加速质子参数表征的带电粒子活化测谱方法.激光加速质子轰击不同厚度铜薄膜组成的诊断滤片堆栈,使铜片活化,通过测量各铜片活度及活性区的大小,获得加速质子的空间积分能谱、角分布等参数.详细讨论了活化测谱的滤片堆栈诊断排布、符合测量及解谱方法,并对该方法的可靠性进行了自洽检验;在XG-III皮秒激光装置上开展了带电粒子活化测谱实验,利用该诊断方法,得到了加速质子的角分布、空间积分能谱等参数,实验获得的质子最高截止能量18 MeV,激光能量到质子(4 MeV)的转换效率为1.07%.     

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。     

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。     

飞秒激光与薄膜Cu靶作用时质子能谱实验

采用飞秒激光辐照固体薄膜Cu靶的方式对质子束的产生及质子束能谱开展了实验研究。在SILEX-Ⅰ飞秒激光装置上,保持脉宽为30 fs不变,测量了不同激光能量和功率密度下辐照7 m Cu靶时的质子能谱。研究结果表明:质子沿着靶背法线方向发射,质子在一定能量处出现截断;随着质子束能量的增加,质子束流减小;轰击厚为7 m的Cu靶时,激光能量越大则质子束流越强;随着激光功率密度的增加,质子截止能也随之增加。     

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。     

利用汤姆逊离子谱仪测量超短超强激光质子能谱

本文给出了利用汤姆逊(Thomson)离子谱仪测量超短超强激光与等离子体相互作用中产生的高能质子能谱的一种方法.该方法是利用Thomson离子谱仪(平均磁场强度为0.167 T,电场加高压为3000 V,电场强度约为0.429 MV/m)和固体核径迹探测器CR39相结合,在固体靶背表面测量了激光的高能质子能谱.结果显示:质子沿着靶背法线方向发射,质子在一定能量处出现截止,截止能量与靶厚度和靶材料密切相关.分析认为,靶法线鞘层加速(TNSA)机制是质子能谱分布及能量截止的主要原因.     

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.     

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。     

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.     

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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。     

超短超强激光与Cu靶相互作用中质子背向发射的实验测量

 在20TW激光器上进行了超短超强激光与金属Cu膜靶的相互作用实验，当靶厚度不同时，采用CR39核径迹探测器测量了质子发射的空间分布和产额；使用Thomson磁谱仪测量了靶背法线方向质子束的能量分布。测量结果表明：质子产额为10 ⁵～10 ⁶每发；质子束沿靶背法线方向发射，与入射激光方向无关，并且存在较小的发射立体角，在一定能量处出现截止，截止能量的大小与靶厚度有关。     

采用双层靶提高激光薄膜相互作用中加速质子的产额

 在激光等离子体相互作用实验中测量到的加速质子,来源于薄膜靶表面的碳氢沾染物。为了提供稳定充足的质子源,设计一种新的复合靶,在2.5 μm塑料溅射200 nm 金薄层形成双层靶,并在中等强度激光功率密度下开展研究,采用磁谱仪和CR-39探测器测量得到其能谱,结果表明：双层靶结构能够有效地增加质子的产额,并可能改善加速质子束的单能性。     

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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.     

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。     

激光固体靶相互作用产生正电子的模拟研究

采用Monte Carlo程序Geant4对激光固体靶相互作用正电子产生进行了研究。研究了超热电子能量分布函数对正电子产生的影响,结果表明采用不同的分布函数,最多可致正电子产额约3倍的差异,分布函数的最大截止能量在30 MeV以上时正电子产额趋于饱和。研究了正电子产生与超热电子发散角的关联,结果表明发散角模型对正电子产额影响不大,而正电子角分布对超热电子发散角较为敏感,且靶背鞘场对正电子发散角的减小贡献巨大。模拟结果显示靶厚度的增加可导致正电子发散角的增大,而当靶厚度超过2mm时,发散角基本保持不变。此外,模拟了超热电子发散角、靶厚度及靶背鞘场对正电子电子份额比及正电子γ份额比角分布的影响。     

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。     

超短激光与金薄膜靶相互作用产生的质子能谱

在能量11 mJ、波长744 nm、脉宽120 fs、功率密度61016 W/cm2的超短脉冲装置上,开展了超短脉冲激光与2.1 m和5.0 m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 m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 m的金薄膜靶产生的质子计数和能谱均比2.1 m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。     

相对论强激光与近临界密度等离子体相互作用的质子成像

近临界密度是激光等离子体相互作用中能量吸收和高能电子产生的重要等离子体参数区间.利用激光加速产生的质子束作为电磁场探针,研究了超强激光与近临界密度等离子体相互作用产生的等离子体结构及其时间演化.实验发现,初始均匀分布的质子束穿过近临界密度等离子体后分裂为两个斑.两个质子束斑的间距随着作用时间先增大后减小.并且两个束斑呈不对称分布.分析认为,幅度约为10~9 V/m的不对称分布瞬变电场是产生质子束偏折和分裂的主要原因.粒子模拟的结果也验证了这一解释.该研究对激光尾场电子加速、离子加速、惯性约束聚变快点火方案研究等有一定的参考价值.     

拍瓦激光驱动纳米刷靶高品质质子束的产生

超强激光加速产生的高能质子束源在基础物理研究、材料科学、生物医疗等领域具有广泛应用前景。基于激光聚变研究中心的SILEX-II装置,开展了高对比度飞秒激光驱动纳米刷靶质子加速实验研究。采用等离子体镜技术进一步提升激光对比度,有效降低了预脉冲对纳米刷靶结构的影响。相比于平面靶,采用纳米刷靶质子截止能量提高到1.5倍,质子束产额增加近一个量级,成功验证了超高功率密度下纳米刷靶对激光离子加速的增强效果,并且有效提升了质子束空间分布的均匀性。研究结果为高品质质子束源的产生和应用提供了技术途径。