叠靶研究

 直线感应加速器（LIA）产生的高能、强流电子束与轫致辐射靶作用能够产生具有高剂量、小焦斑的X光，但伴随产生的回流离子会导致电子束束斑变大与X光分辨率降低，在多脉冲情况下更会影响到后续电子束的束靶作用等。叠靶结构能够增大束靶作用的立体空间，降低在靶面的能量沉积，可有效抑制回流离子的产生。对叠靶结构模型进行了理论计算与实验研究，并与单靶情况相比较，证实了在两种靶结构下所得到的X光照射量大小与角分布基本相同，但对于叠靶情况下靶面没有出现烧蚀现象，从而从根本上抑制了由靶面产生回流离子而对束流产生的过聚焦效应。     

12MeV LIA轫致辐射靶面回流离子测量

 强流高功率脉冲电子束聚焦成mm量级的束斑后，打击到轫致辐射靶的过程中会产生回流离子，它会导致电子束被提前聚焦，在预定的靶面形成散焦。描述了法拉第筒对12MeV 直线感应加速器的轫致辐射靶面可能产生的离子及其参数进行的实验测量，并对实验结果进行了分析讨论。结果表明在靶前60°~70°方向未发现回流离子。     

神龙一号轫致辐射靶靶区回流离子测量

神龙一号直线感应加速器(LIA)产生的强流高功率的脉冲电子束与X光转换靶作用后可以产生高剂量的X光,同时由于转换靶的被烧蚀破坏在靶面产生回流离子,该回流离子的存在影响到电子束的聚焦。设计了4套法拉第筒及其对应的偏压电路,法拉第筒被放置在神龙一号X光转换靶上游不同位置,分布在电子束轴线两侧,电路设计最高偏压为1 kV;对神龙一号LIA的X光转换靶面产生的回流离子进行了实验测量,分别得到回流正离子密度约在1021/m3,离子运动速度可达2～3 mm/s。计算比较表明,该离子流强度与神龙一号靶前电子束流相差很大,只有电子束流强的0.27%,对神龙一号电子束聚焦不会造成影响。     

回流离子源特征分析

强流电子束轰击在辐射转换靶上可产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下回流，对电子束聚焦会有影响，从而可能改变焦斑大小，影响X光机的照相分辨率. 离子种类、离子流的大小是很关注的参量. 本文分析了回流离子来源及其特征，认为回流离子以靶表面杂质热释放后被电子束直接电离生成的离子为主，离子发射受空间电荷限制而非受源限制.     

用集团运动的观点来研究回流离子问题

建立在单粒子运动学基础上的回流离子理论预测: 强流电子束轰击在 辐射转换靶上可能产生正离子. 这些离子在电子束空间电荷场作用下 回流, 会造成电子束过聚焦, 改变焦斑大小, 从而影响X光机的照相分辨率. 然而大量的实验没有发现相关的现象. 本文分析认为, 电子束 打靶时, 在靶表面可能会形成离子鞘层过渡区. 该区域可以抵消束流空间 电荷场对回流离子的驱动作用, 因此, 回流离子可能以等离子体集团扩散的 方式运动. 这种物理图像得到的结论是离子对聚焦的影响可忽略, 和已有的 实验结果相吻合.     

回流离子对强流相对论电子束传输的影响

 介绍了采用双膜法测量神龙一号直线感应加速器靶区回流离子效应的实验工作,通过一片厚度数十μm的靶膜产生回流离子,并采用基于光学渡越辐射的电子束剖面测量系统记录时间分辨的束斑,首次证实了神龙一号加速器靶区存在回流离子。通过采用不同材料的靶膜,实验观测到了不同离子发射情况下回流离子对强流相对论电子束传输的影响,结果发现采用金属靶膜时,回流离子导致电子束部分汇聚、部分发散,而采用聚合物薄膜时,回流离子会导致电子束剖面出现剧烈的变化。     

轫致辐射转换靶靶面回流离子对电子束聚焦的影响

 分析了轫致辐射转换靶靶面回流离子产生的机制及其对电子束聚焦的影响,并提出了相应的解决方法。结果表明,H⁺和C⁺轻离子回流约60ns后,将对束聚焦产生严重影响;Ta⁺或W⁺的回流,就短脉冲而言,对束聚焦的影响很小,对长脉冲而言(如脉冲宽度大于200ns),则影响很大。     

离化靶中多脉冲强流电子束的不稳定性

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶,在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发,利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下,当等离子体与电子束的密度比小于1时,能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性,但相对靶面焦点区而言,束流稳定;当密度比在1~100时,箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦;当密度比在100~1000时,扭曲不稳定性起主导作用,靶面焦点区电子束流仍然稳定;当密度比大于1000后,成丝不稳定性破坏束流,电子束无法在靶面聚焦。     

闪光机回流离子效应及抑制方法

 采用束包络方程分析了单脉冲和多脉冲情况下回流离子对强流相对论电子束聚焦的影响。分析结果表明,单脉冲情况下通过缩短焦距,仍可以获得较小的积分焦斑,而在多脉冲情况下回流离子将导致电子束完全散焦。通过数值模拟和实验研究了利用薄膜阻挡回流离子的可行性,对不同薄膜在电子束作用下的温升及动力学行为的模拟结果表明,在1.06 μs的时间尺度内,薄膜虽然发生了不同程度的膨胀,但是仍然有足够的材料可以阻挡离子回流。在神龙一号加速器上,通过法拉第筒测量了靶前放置和不放置薄膜情况下的离子信号,实验证实了薄膜至少能够将离子约束在薄膜和转换靶之间长达数十μs。     

回流离子动力学行为研究

 建立了强流电子束撞击轫致辐射转换靶而使靶面产生回流离子的物理模型,得到了具有回流离子作用的轫致辐射转换靶前的空间电荷势分布,对可能产生的几种回流离子的运动尺度、回流离子对电子束束斑的影响和利用磁场补偿来消除回流离子的影响的方法进行了计算研究。     

神龙1号加速器束流输运系统研制

神龙1号直线感应加速器由注入器输运段、加速段、聚焦段等3个部分组成。整个束传输线从阴极发射面算起到轫致辐射靶结束，全长约48m，其间数千安培的强流脉冲电子束经过约170mm的二极管加速区，电子能量达到约3．6MeV，再经过4．5m的无加速场漂移区到达注入器出口，随后进入到长38．5m的加速段，在加速段出口时电子能量不低于18MeV；然后进入到长约3．8m的无加速漂移段，经过调整后通过两级磁透镜的聚焦将电子束聚焦到轫致辐射靶上产生X射线。整个束传输线使用了100多个螺线管线圈（包括两个磁透镜）约束电子束的横向发散，     

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.     

强流脉冲电子束作用下钽金属靶膨胀的轴向约束

研究了强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材流体动力学膨胀的轴向约束问题。由于电子束在金属钛和钽内的能量沉积存在差异,未完全气化的钛箔对气化膨胀的钽材能够起到约束作用,并且可以通过吸收钽的能量来降低钽的膨胀速度。通过分析比较电子束在靶上形成孔洞的形貌以及高速相机拍摄得到的不同时刻靶材喷射的图像,证实了钛箔能够对钽金属靶的轴向膨胀起到一定的约束作用。尤其是电子束打靶过后1μs内的初始阶段,约束效果比较明显。     

超强激光与泡沫微结构靶相互作用提高强流电子束产额模拟研究

利用二维粒子模拟方法,本文研究了超强激光与泡沫微结构镀层靶相互作用产生强流电子束问题.研究发现泡沫区域产生了百兆高斯级准静态磁场,形成具有选能作用的"磁势垒",强流电子束中的低能端电子在"磁势垒"的作用下返回激光作用区域,在鞘场和激光场的共同作用下发生多次加速过程,从而显著提升高能电子产额.还应用单粒子模型,分析了电子在激光场作用下的运动行为,验证了多次加速的物理机理.     

一种小尺寸轫致辐射转换靶设计

以减小直线感应加速器X射线光源横向尺寸为目标,开展轫致辐射转换靶的设计。对聚焦打靶过程中电子束运动轨迹进行分析,指出同一个电子束轨迹分布,既可以描述为电子束在某纵向位置处具有一定的横向展宽,也可以描述为电子束保持较小横向尺寸时的轴向分布展宽,由此提出在束腰附近放置多个小靶片实现聚焦电子束有效阻挡的小尺寸多层靶概念设计。采用EGS4程序对X射线产额进行计算,发现靶厚度在一定范围内改变时X射线产额变化较小,基于这一规律完成了小尺寸多层靶的结构设计。进一步考察了一个设计应用实例,当聚焦电子束最小包络直径3 mm、会聚角100 mrad时,对比大尺寸靶,采用小尺寸多层靶可以获得等效直径减小约50%、产额减小约10%的X射线光源。该设计方法有望在相同的电子束品质和聚焦条件下,获得横向尺寸小于电子束最小束包络直径的X射线光源,具有一定的应用价值。     

聚焦慢速高荷态重离子束微束斑X射线源

利用电子束离子源(EBIS)或者电子束离子陷阱(EBIT)产生的慢速高电荷态重离子束轰击金属靶面,离子束与靶面作用并复合辐射特征X射线;并将高荷态离子束采用离子光学系统会聚为微细束后再与靶面作用,能够辐射出微米甚至亚微米级、纳米级的微束斑X射线.本文介绍这一新型微束斑X射线源的结构、机理及其特性等.     

强流电子束聚焦数值模拟

采用粒子模拟（PIC）方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型,模拟了神龙一号加速器某次实验的结果,得到的模拟结果非常接近实验值,证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数（入射半径、发射度、能散度、相位角等）对焦斑直径的影响, 结果表明:在模拟条件下,电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm;发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好;只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。     

激光驱动强流电子束产生和控制

在惯性约束聚变(ICF)电子束快点火物理方案中,需要超强拍瓦激光脉冲驱动MeV能量的强流电子束,并沉积数十kJ能量到压缩氘氚芯区。强流电子束的束流品质是影响点火成功的关键因素之一,为深入了解强流电子束产生物理过程,研制成了三维高性能、适应上万CPU核规模的并行粒子模拟程序,并开展了大规模数值模拟研究,探索了强流电子束的产生机制和输运规律。回顾了近几年来快点火研究团队围绕强流电子束产生和控制开展的研究,介绍了导致束流品质差的两大物理原因:预等离子体效应和束流不稳定性磁场的随机散射。针对这两个物理原因,提出了四种提高强流电子束品质的方法:(1)双层金锥靶减弱预等离子体的负面效应;(2)输运丝产生环向磁场准直强流电子束;(3)外加磁场导引强流电子束提高耦合效率;(4)抑制束流不稳定性以降低随机磁场对电子束流的散射。     

激光-纳米丝靶相互作用过程中超热电子的加热机理研究

超热电子的产生及其转化效率是快点火中的重要研究内容，也是优化快点火中的激光等离子体参数、降低对点火脉冲能量需求等方面的重要依据．纳米丝靶是提高激光一超热电子转化效率的一种有效途径，为了进一步理解激光．纳米丝靶相互作用中超热电子的产生过程以及加热方式，本文应用二维PIC（Flips2D）程序进行了相关的数值模拟．通过研究电子在丝靶中的运动轨迹发现了远离互作用面的冷电子通过回流的方式向互作用面运动，然后在互作用面附近与激光场相互作用被加热；研究了单个激光周期内电子密度和电子能量密度的变化，确定了反向运动的电子的能量要远小于前向运动的电子能量，确定了反向运动的电子大部分是冷电子的回流；通过研究场与电子空间位置随时间变化的关系，确定了丝靶中超热电子的加热机理为J×B机理．     

旋转靶强流中子源及其应用

 一、旋转靶强流中子源的现状一般讲,强流中子源是指中子注量在4π空间中一秒钟内具有近于或等于或大于1×10¹²个中子的辐射场。它可以利用反应堆得到平均能量为1MeV的中子;利用高能电子或质子加速器可得能量为数MeV的中子。国内外最近一、二十年来,在强流中子源方面做了大量的研究实验工作,除了利用加速器的（d-Be）,（p-Be）和（d-D）反应产生中子外,大量的工作集中在用（d-T）反应并使用高速旋转的氚靶以产生强流中子场。