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.     

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%.     

强激光与柱腔靶作用下准直高能电子束的产生

利用二维PIC粒子模拟程序研究了超短超强激光脉冲与柱腔靶相互作用产生的表面超热电子加速现象。采用光强为1021 W/cm2量级的超高斯激光脉冲掠入射进入柱腔靶,在靶的内壁上观察到了GeV量级的表面超热电子。超热电子束被准静态的电场和磁场约束在内壁表面附近,保证了电子束的准直性,发散角仅为1.6°;并且由于超热电子束在纵向激光电场中加速了mm级的距离,激光到高能电子(100 MeV)的转换效率达到了26.6%。另外,通过多参数模拟和理论解析讨论了激光的光强以及横向空间分布对这种表面超热电子加速的影响。     

浅谈工程物理

为了继承发扬王淦昌先生“以身许国”的精神，浙江大学物理学系2018年起开设“工程物理导论”课程，将涉及核武器的公开物理原理和我国研制核武器的历史特别是老一辈科学家科学报国的精神有机融合在课堂教学中。工程物理是一门典型的交叉学科，一方面核结合能的释放是一个微观核物理过程，而要得到宏观效应则是一个典型的非平衡态统计物理的输运问题，因此，涵盖了核物理、原子物理、中子输运、等离子体物理等一大批学科方向。课程以培养物理学专业的学生对大科学工程和工程科学的理解为目标。为纪念王淦昌先生诞辰115周年，我们将课程讲义的导论部分整理修改形成了此文。     

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。     

Generation of Ultrahigh-Velocity Collisionless Electrostatic Shocks Using an Ultra-Intense Laser Pulse Interacting with Foil-Gas Target

Ultra high-velocity collisionless shocks are generated using an ultra-intense laser interacting with foil-gas target,which consists of copper foil and helium gas.The energy of helium ions accelerated by shock and the proton probing image of the shock electrostatic field show that the shock velocity is 0.02c,where c is the light speed.The numerical and theory studies indicate that the collisionless shock velocity exceeding 0.1 c can be generated by a laser pulse with picosecond duration and an intensity of 10~(20) W/cm~2.This system may be relevant to the study of mildly relativistic velocity collisionless shocks in astrophysics.     

通道靶对超强激光加速质子束的聚焦效应

发散角过大是制约超强激光与固体靶相互作用加速产生高能质子束应用的一个重大物理难题.本文提出了一种结构化的通道靶型,与超强激光相互作用可提高质子束的发散特性,通道壁上产生的横向电荷分离静电场可对质子有效聚焦.采用二维particle-in-cell粒子模拟程序对激光通道靶相互作用过程进行了研究,分析了加速质子束的性能特点.模拟结果表明,与传统平面靶相比,通道靶可以在不过多损失能量的情况下产生具有更好准直性的质子束,尤其当通道靶的直径与激光焦斑尺寸和质子源尺寸相当时,横向静电场能够有效聚焦质子束,并且可保证相对较高的激光能量利用率.     

基于半解析自洽理论研究相对论激光脉冲驱动下阿秒X射线源的产生

发展了一种描述相对论激光脉冲与稠密等离子体相互作用产生阿秒X射线源的半解析自洽理论.该理论模型不仅可以获得等离子体界面的振荡轨迹、振荡面电场和磁场等物理参数,而且能够精确计算出激光脉冲驱动下阿秒X射线源的频谱,结果与粒子模拟程序一致.理论计算结果表明阿秒X射线源的辐射特性与等离子体界面随时演化过程相关,在周期量级激光场驱动下等离子体界面振荡振幅呈现中心不对称,通过改变激光场的载波包络相位实现对等离子体界面振荡的控制,获得准单阿秒X射线源.