激光质子加速研究

论文摘要

超短超强激光脉冲与固体靶相互作用可以产生几个到几十个MeV高能质子束,具有良好的定向性、很窄的脉宽和比较好的方向性等特点,在粒子加速、质子成像、“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特性,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质子加速的研究,重点研究了靶背法线方向发射质子束的最大截止能量和质子产额,并对质子成像进行了初步实验研究。本文首先从惯性约束聚变入手,简单介绍了“快点火”物理和强场物理,以及超短超强激光等离子体相互作用中质子束发射的研究现状和进展。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。论文的重点是对质子加速和质子成像实验研究及结果分析。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。通过对实验所得CR39上质子径迹抛物线进行测量得到了准指数分布的质子能谱;根据激光质子加速理论计算了实验条件下产生质子束的最大截止能量,结果显示质子主要是来源于靶背法向鞘层加速机制,同时利用multi2005程序计算了激光器信噪比对靶背鞘层电场的影响,计算表明:在实验条件下,当激光器信噪比达到108:1时,预脉冲对鞘层电场（5μm铜靶）的影响基本可以忽略;根据辐射变色膜片吸收剂量与光密度变化的关系计算得到质子产额约1010量级,这与由CR39得到的结果是相符的,计算还表明在激光质子加速实验中采用镀CH靶可以显著提高质子产额。在质子成像实验中,对金属网格和空心聚苯乙烯小球进行静态成像,分析实验结果,由点投影成像模型得到等效质子源约在靶背表面前250±100μm,在像的边界区域看到了明显的质子数量跃变;初步对等离子体进行了动态成像,实验结果尚需进一步处理。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性约束聚变物理
• 1.2 强场物理与“快点火”
• 1.2.1 强场物理
• 1.2.2 “快点火”物理
• 1.3 激光质子加速的研究进展
• 1.4 本文研究的主要内容及目的
• 第二章 超短超强激光等离子体相互作用及超热电子的产生机制
• 2.1 强激光与等离子体相互作用
• 2.1.1 强激光与单电子相互作用
• 2.1.2 超强激光与等离子体相互作用
• 2.2 超热电子的产生机制
• 2.2.1 逆韧致吸收
• 2.2.2 共振吸收
• 2.2.3 真空加热
• 2.2.4 J×B加热机制
• 2.2.5 反常趋肤效应
• 2.3 本章小结
• 第三章 激光质子加速机制
• 3.1 靶前表面加速
• 3.2 靶背法向鞘层加速
• 3.3 质子加速机制的解析理论
• 3.4 本章小结
• 第四章 质子诊断系统简介
• 4.1 辐射变色膜片
• 4.1.1 辐射变色膜结构及剂量响应
• 4.1.2 辐射变色膜的基本性质
• 4.2 固体核径迹探测器CR39
• 4.3 Thomson离子谱仪
• 4.3.1 Thomson谱仪工作原理
• 4.3.2 Thomson谱仪参数
• 4.4 本章小结
• 第五章 激光质子加速质子束特性研究
• 5.1 质子束能谱
• 5.2 质子束的截止能量
• 5.2.1 质子加速实验的估算结果及对比
• 5.2.2 激光器信噪比对质子截止能量的影响
• 5.3 质子产额计算
• 5.3.1 质子产额的计算方法
• 5.3.2 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 质子成像实验研究初步
• 6.1 质子成像的原理及研究进展
• 6.1.1 质子成像的原理
• 6.1.2 质子成像的研究进展
• 6.2 质子成像实验结果初步分析
• 6.2.1 质子成像实验布局
• 6.2.2 质子成像实验结果分析
• 6.3 本章小结
• 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果