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《西北师范大学》 2019年
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激光等离子体加速电子轰击固体靶产生正电子的模拟研究

袁肖肖  
【摘要】:自20世纪30年代正电子被预言并发现以来,已经将其广泛应用于核物理、原子分子物理、固体物理、表面界面物理、材料科学、高能物理和医学成像等众多科研领域。在众多的领域中,如何获得高品质的正电子源是当下的焦点课题。起初将放射性同位素衰变体作为实验采用的正电子源,近年来随着实验技术的发展,将放射性同位素作为正电子源已无法满足相关实验要求。基于此,科学家提出了通过高能电子轰击金属靶来产生正电子,但是该方法需要很高的电子能量。随着激光技术的发展以及高强度、大功率的激光器相继出现,利用高能激光轰击固体靶产生正电子束成为相关领域的研究重点。基于以上的研究价值和应用需求,本文利用蒙特卡罗模拟软件Geant4,通过编写基于Geant4的激光等离子体加速电子轰击固体靶以及正电子探测器的模拟程序,系统模拟了激光等离子体加速电子轰击固体靶产生正电子的过程。主要讨论了超热电子束能量、靶材料、靶厚等与正电子产额的关系,正电子以及其他次级粒子的角分布、能谱等。此外,还讨论了激光加速电离的气体靶离子轰击固体靶产物的能量、溅射离子的电荷量等。论文主要包括以下两个方面的内容:第一,利用蒙特卡罗模拟软件Geant4,通过编写超热电子与固体靶作用模型以及探测器模型的模拟代码(附录II中第一部分),对激光等离子体加速电子轰击固体靶产生正电子进行了系统的模拟研究。首先模拟了不同靶材料对正电子产额的影响,选用Al、Ti、Fe、Sn、Ta、Cu、Au以及Pb等靶材料进行模拟,模拟结果显示Au是相对正电子产额最高的靶材料,同时与文献中的理论计算进行比较,模拟与计算结果符合较好。其次在模拟中讨论了金属靶的厚度对出射正电子产额的影响,根据Geant4建立的探测器计数可以得出,1cm为最优靶厚,在此厚度之外产额随着靶厚度的增加而减少。模拟中还讨论了正电子产额与电子束的能量的关系,经过拟合符合二次函数关系,由函数拟合结果可得最高的正电子产额为2.98?10~7。模拟中得出正电子出射角度集中分布在0-30~o范围内,出射正电子能量主要在0-30MeV以内。而在上述相关的物理过程中产生穿透能力很强的X射线,用X射线携带的信息来反推固体靶的信息是一个比较容易的方法。为此设计了基于Geant4的高纯锗探测器的模型,为了验证模型可靠性,用虚拟~(60)Co的放射源测试了高纯锗X射线探测器,将数据结果与GEM-C5060高纯锗探测器提供的标准数据进行对比,测得全能峰的半高全宽为1.9keV,探测效率为15%,基本符合厂家提供的数据。第二,由于超强激光与气体靶的作用使得气体靶原子电离成为离子,并且由于超强激光的加速作用,使得离子具有很高的能量。在以上工作的基础上,设定离子能量,并通过编写气体靶离子与固体靶作用的模拟代码(附录II中第二部分)。模拟了离子轰击固体靶产生的正电子的能谱、角分布等的信息。模拟结果表明,能量在50MeV/u的Xe~(54+)离子与固体靶作用时,正电子的能量主要集中在100MeV。而且次级粒子的种类很多,其中包括由于核反应产生的粒子。由于靶后出射的重离子携带有很多的信息,因此在模拟中记录了靶离子的不同离化离子的相对数额。模拟结果表明,Si~(1+)所占的比例最大,横动量分布在0.2-1.2GeV/C,为相关实验的开展提供了参考。
【学位授予单位】:西北师范大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O53;TN24

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