飞秒激光诱发的医用质子束特性的实验研究

为了探索飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中医用质子束特性,在超短超强激光装置"SILEX-I"上进行了医用高能质子束特性实验研究.实验利用HD810辐射变色膜片(RCF)、CR39核径迹探测器和Thomson离子谱仪分别在固体靶背表面法线方向测量了质子束的空间分布、束密度、产额和能谱.实验结果表明:质子束沿着靶背法线方向发...     

飞秒激光作用下高能离子的产生与加速

为了探索飞秒激光与固体靶相互作用中高能离子的 产生和加速机制,在超短超强激光装置 “SILEX-I”上进行了超强激光与平面薄膜Cu靶的相互作用中高能离子能谱分布的实验研究 。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 子和C离子能 量分布和产额。实验结果表明,实验观察到了质子和C4＋、C3＋、C2＋ 和C¹⁺离子信号;离子沿着靶背法线方 向发射,离子在一定能量处出现截断;质子和C4＋、C3＋、C2＋及C 1+离子的截止能分别是1221941keV、 1899、624、422keV;随着C离子电荷数增加, 产额也随着增加;质子的产额远远高于C离子。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,其中静电场中的靶后鞘层加速 (TNSA)机制则占主导地位。     

激光等离子体中的自生磁场和质子加速

选用不同类型的等离子体薄靶,用二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟方法系统研究了超强激光脉冲与等离子体薄靶相互作用中产生的自生磁场和质子加速行为,结果发现:当功率密度为1020W/cm2的超强激光与等离子体薄靶相互作用时,由于等离子靶面所产生的自生磁场作用使产生的质子分布呈现空间定向发射,发射的方向和高能质子能量与等离子体靶面密切相关,能量越高发散角越小,而质子加速越好。在圆形薄靶中质子最大能量达到41.1 Me V。研究结果对惯性纳米聚变快点火和肿瘤治疗等方面具有重要的应用价值。     

靶后鞘层机制加速离子的研究进展

在超短强激光与固体薄膜靶相互作用产生高能离子的研究领域内,由于靶后静电场持续时间较长、离子具有较好的准直性及单能性,靶后鞘层加速(TNSA)机制一直都是研究重点。介绍了TNSA机制的理论模型、近期的实验结果以及模拟验证,并系统讨论了通过结构优化得到高质量离子束的方案,最后综述了近期国内外利用TNSA机制加速离子的研究进展。     

强激光等离子体中质子加速的新机制

为了研究等离子体中Compton散射对靶背法向方向加速质子的影响,采用多光子非线性Compton散射模型和等离子体模拟方法,对Compton散射下等离子体中的质子加速进行了理论分析和数值模拟,提出了将入射光和Compton散射光作为在等离子体靶表面处形成的静电场加速质子的新机制,得到了质子加速的一些重要数据。结果表明,Compton散射使等离子体内产生的高能电子数增加,高能电子靶表面上所产生的静电场增强,从而使质子获得更高的加速能量;散射使静电场增强效应,有效地补偿了因激光调制不稳定性增强而造成电子在向等离子体输运过程中的能量损失,从而使质子从平缓密度标长等离子体中获得的加速能量高于从陡峭密度标长等离子体中获得的加速能量。因此,采用Compton散射下的平缓密度标长等离子体加速质子较为理想。     

强激光驱动的运动电场加速质子的研究

为了研究激光辐射压驱动的运动电场中加速质子的相关问题,对强激光与等离子体相互作用过程进行了理论分析,并采用2维粒子模拟方法,对理论分析结果进行了数值模拟验证。结果表明,当超短超强激光脉冲与处在背景等离子体前方的薄固体平靶相互作用时,在固体靶后部形成一个由电子层-离子层组成的双层结构,在激光辐射压的不断推进下,双层结构在背景等离子体里以一定速度传播形成一个运动电场;在背景等离子体中的质子被这个运动电场捕获并能加速到很高的能量,质子的最大能量达到20GeV。理论分析结果与2维粒子模拟结果符合得很好。     

高功率激光产生质子流

1999年 1 1月美国物理学会等离子体部会议上 ,有三个小组独立宣布 ,他们可用超短激光脉冲照射固体箔靶的小点 ,产生高能离子束流。劳仑斯·里弗莫尔国家实验室报道 ,用“拍瓦激光器”单脉冲产生 3× 1 0 1 3个质子 ,其能量高达 50 Me V。密西根大学的一个小组报道 ,用一台面太瓦激光器 ,输出功率为“拍瓦激光器”的千分之一 ,产生 1 0 9个质子 ,局限于约 40°的输出锥体 ,其能量高达约 1 .5Me V。英国帝国学院的研究人员透露 ,使用卢瑟福·阿普尔顿实验室的“火神”激光器 ,已将铅离子加速至 42 0 Me V,质子加速至 30Me V。三家演示的物…     

Compton散射下等离子体初温对质子产生的影响

应用多光子非线性Compton散射模型和二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟程序,研究了Compton散射下等离子体初始温度对质子产生的影响,并进行了数值模拟。结果表明:与Compton散射前相比,随着等离子体初始温度的增加,产生的质子数有更显著的增加,靶前和靶后质子能谱曲线趋于平滑,加速质子数量的差别减小。当入射激光强度增强时,随着等离子体初始温度的增加,质子增加的相对幅度有明显减小。当入射激光强度减弱时,随着等离子体初始温度的增加,质子能谱曲线仍有清晰的区别,质子数量和速度都有明显的增加。     

螺线管传输并聚焦高能质子束的数值模拟

采用3Dparticle-in-cell(PIC)数值模拟方法,研究高品质高能质子束经由脉冲电流螺线管传输并聚焦于远端的情况。模拟结果表明:初始时刻中心能量为250MeV,能散度为10%,空间发散角小于15mrad的质子束,通过长度为760mm、中心磁感应强度为10.87T的通电螺线管,可以被聚焦于距离质子源约2.5m的远端,焦斑横截面直径约为1.2mm,小于模拟初始时刻的1.8mm,质子数目的损失小于3%。研究结果表明利用通电螺线管来传输和调控高能质子束流的方案是可行的。该方案可用于优化质子束流品质,促进激光驱动质子加速在癌症治疗等对质子束单能性和发散角要求较高的领域得到早日应用。     

激光技术能缩小加速器尺寸

美国桑迪亚国家实验室里发展出一种紧凑高能带电粒子加速器新概念，它主要依靠激光光电离作用产生极陡的加速器电磁场梯度。该室已经试验了两种不同的电离正面加速器。较大的一个具有30厘米的加速长度。它能把质子加速到500 MeV，把氘离子加速到10 MeV，把氦离子加速到20 MeV。桑迪亚发言人说，这一概念可用于产生能量高达10亿eV的离子。潜在的应用包括军事系统、核物理研究或用以获得惯性压缩聚变所需的重离子。     

激光驱动离子加速的研究进展及其重要应用综述

随着激光技术的不断发展,特别是啁啾脉冲放大技术被提出以来,超强激光脉冲驱动的离子加速研究逐渐吸引了国内外科学家们的广泛关注,在离子能量提升、发散角控制和单能性提高等方面相继取得一系列重要进展。由激光与等离子体相互作用产生的离子束具有能量高、脉宽窄和方向性好等特点,具有许多潜在应用。本文通过回顾激光驱动离子加速的研究历程,对离子加速的主要作用机制、基本理论模型、数值模拟和实验研究等进行详细的阐述,同时对激光驱动离子加速的重要应用进行归纳总结。最后根据当前国内外大型激光装置的发展趋势,对极端光场中的离子加速进行展望。     

纳秒/皮秒双束激光联合驱动双层靶的γ辐射特性

基于神光Ⅱ升级装置,研究了纳秒/皮秒双束激光联合驱动双层靶的伽马(γ)辐射特征。利用ns束激光与CH薄膜靶相互作用,产生大尺度近临界密度等离子体,然后将ps束激光作用在该等离子体上,产生高能电子,高能电子穿过2 mm厚的Au靶,通过轫致辐射产生γ射线。对不同方向的γ辐射能谱和靶室外的γ辐射剂量分布进行实验测量,发现γ辐射集中在激光前冲方向,具有较小的发散角,而且在该方向上高能段的γ辐射较强。这说明双层靶的设计可以提高ps束激光与等离子体的能量耦合效率,提高高能电子温度,增加高能电子数目,有利于高能段γ辐射在ps束激光的前冲方向集中。另外,在靶室外距离靶点1.25 m处测到的50 keV以上γ辐射的单发次最大剂量为277 μGy。本研究结果对γ辐射的防护和应用具有参考价值。     

飞秒激光作用下高能离子产生的实验研究

为了探索飞秒脉冲激光与固体靶相互作用中高能 离子的能量分布特性,在超短超 强激光装置“SILEX-I”上进行了超强激光与平面薄膜Cu靶的相互作用中高能离子能谱分布 的实验研究。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和C离子能量分布和产额。结果显示,同时测量到了 H⁺质子和C1＋、C2＋、C3＋和C4＋信号,离子沿靶背法线 方向发射,离子出现能量截断, 离子的截止能量之比为1∶2∶3∶4。在CR39上 质子信号比C离子信号强,质子产额远高于C 离子产额;在同一发打靶中,C1＋、C2＋、C3＋和C⁴⁺随着 荷质比的减小,相应的离子的截 止能量也在减小。这一结果将为惯性约束聚变(ICF)“快点火”方案的可行性分析提供参 考依据。     

模拟离子源注入型IH加速器研制进展

离子源注入型交叉手指型横电模(IH)加速器有望发展成为一种紧凑的、低功耗的离子加速器.中国工程物理研究院流体物理研究所研制了一台将质子束从0.04 MeV加速到2.0 MeV的离子源注入型IH加速器,目前已经完成了该加速器的设计加工和束测平台搭建,并进行了初步的束流测试试验.实测束流传输效率为32.77％.束流实验结果...     

靶形状及等离子体性质对激光驱动离子加速的影响

随着固体激光技术发展以及啁啾脉冲放大技术加持,激光峰值功率得到极大的提高,促进了激光物质相互作用领域的研究并衍生出若干具有很好前景的应用。激光驱动的台面级离子加速器便是其中重要的应用领域之一。激光加速的质子具有源体积小、脉冲时间短和时间分辨高等特点,可以广泛应用于成像、医疗及科研领域,并能有效降低这些领域的相关成本,促进其高效发展。影响获得优质离子束的条件很多,文中从靶形状及与激光作用后形成的等离子体性质角度对近期该研究方向的一些进展进行了总结及展望。     

等离子体初始温度对强激光与等离子体相互作用中的高能质子产生的影响

用二维particle-in-cell(PIC)粒子模拟程序研究了等离子体初始温度对强激光与物质相互作用过程中高能质子产生的影响.观察到不同的等离子体初始温度会影响靶前激波的形成时间,进而影响质子产额.数值模拟显示当等离子体初始温度适度增大时可以得到更高的质子产额.     

激光预脉冲对双层靶LPX辐射特性的影响

以激光产生的等离子体作为短波激光的激活介质,是目前实现X射线激光最有希望的方案之一,早在1985年,美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的D.L.Matthaws等人首次观察到了硒等离子体介质中类氖离子的20.9nm和20.6nm跃迁的短波激光输出,这给许多实验室X射线激光研究带来了新的生机。继后许多实验报道了他们利用各种机制所取得的结果,目前认为最有希望的泵浦机制是电子碰撞激发和碰撞复合,相应地它们对激光条件和靶的结构要求是不同的。为此,我们在文献[3]中已较系统地研究了激光与高、中和低Z元素靶相互作用的辐射特性,在文献[4]中研究了激光产生的等离子体基本参数和分布特性,在文献[1]中研究了不同结构靶对短波域粒子数反转的影响。本文是在上述工作的基础上,进一步深入地研     

准分子激光靶面焦斑合束研究分析

靶面焦斑合束数值模拟研究可为准分子激光角多路系统建设提供重要参考。首先介绍了靶面激光焦斑合束的计算方法,进而基于单束激光焦斑形态和光束指向稳定性开展了18束准分子激光靶面合束计算,给出了合束焦斑的形态及评价参数。最后,基于准等熵压缩实验的要求,研究了不同系统成像质量对激光指向稳定性的要求。研究表明:多束激光焦斑合束有利于提高焦斑均匀性;高系统成像质量需要较高的光束指向稳定性来保证合束焦斑的均匀性,否则高系统成像质量的优势得不到体现;系统成像质量较差时,光束指向稳定性处于一定范围内即可,更高的激光指向稳定性对焦斑的均匀性改善不显著。     

专利

美国Principia Optics公司的V.I.Ko-zlovsky等人发明的激光阴极射线管是一个半导体激光器,它是由一个激光靶组成。通过位置和时间控制系统,使电子束扫描到激光靶上,被电子束扫的靶产生一束激光。激光靶通过一对反射镜(至少有一个是部分透射电子束)。以光束的波长形成谐振腔。在反射镜之间的半导体     

脉冲激光烧蚀金属Cu产生电子和离子发射研究

通过对脉冲Ｎｄ：ＹＡＧ激光烧蚀金属Ｃｕ过程中的烧蚀靶和收集板上电压信号的时间分辨测量,研究了激光烧蚀金属Ｃｕ产生电子和离子发射过程及其受缓冲气压的影响。实验结果表明：在激光烧蚀过程中,烧蚀靶上产生离子和高能电子,高能电子较离子率先从靶面出射;随着烧蚀环境气压的升高,烧蚀靶与收集板上的电荷量迅速减少。