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超强超短激光与等离子体相互作用中质子背向发射的实验研究

唐翠明  
【摘要】: 超短超强激光脉冲与等离子体相互作用过程中,会以脉冲形式向外发射高能质子束。尤其是在靶背法线方向以较小锥角发射质子束,质子束具有束源空间尺度小、脉宽窄、方向性好且花费较少等特点。这些特点使得超短超强激光等离子体相互作用中产生的质子束在粒子加速、质子成象、“快点火”和治疗癌症等方面具有极为广泛的应用前景。因此,为了解超短超强激光等离子体相互作用中产生的高能质子的性质,并为未来可能的应用作预研,本论文开展了对超短超强激光等离子体相互作用中靶背质子发射的实验研究,重点研究了靶背法线方向发射质子束的空间分布、能量分布与靶物质和激光功率密度的关系。 文章首先从惯性约束聚变入手,简单介绍了快点火模型及其意义,以及对超短超强激光等离子体相互作用中质子束的研究现状和进展。在理论基础部分,就超短超强激光等离子体相互作用过程,以及质子加速机制作了较为详细的阐述。文章的重点是对实验研究介绍和对实验结果分析与讨论。 实验是在中国工程物理研究院聚变研究中心的SILEX-I超短脉冲激光装置上进行的。利用辐射变色膜片HD810探测质子束的空间分布;CR39和Thomson离子谱仪测量了质子的能谱。通过靶后发射质子束的空间分布的测量,发现质子束发散张角为51°左右,与焦斑大小没有联系。当采用双层平面靶时观察到了质子束的中空分布、中心圆盘分布以及成丝现象。当激光功率密度比较接近时随着靶厚度增加,质子束流减弱。在探测质子能谱时CR39中心处有一个直径为1.2mm圆斑,由于它们经过了电磁场后未发生偏转,故它们是由高能光子和中性离子共同构成。高能质子经过Thomson谱仪电磁场后,在CR39上形成了一条抛物线。在显微镜下以中心圆斑中心为圆点,读出质子的坐标和相应的质子数。由坐标计算出质子能量,得到质子能谱图。随着质子能量增加,质子数量减小,通过指数衰减拟和与实验结果吻合度很好,故得出质子能谱呈指数衰减。质子有一个明显的截止能量。在用7μm的Cu平面靶时,从能谱图中我们可以看出随着激光功率密度增加,质子的截止能增加,激光能量增加束流增大。激光功率密度相近时,7μm的Cu平面靶得到质子的截止能为1.385MeV明显高于5μm的Cu靶得到质子的截止能663keV。采用双层靶时,质子数量增加,但是能量没有显著的提高。这些实验结果均与质子加速理论和国外实验结果吻合得很好。


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