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超强短脉冲激光产生中子源的时间宽度压缩

2015-10-29 15:07
夜隼008
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  由于中子可直接与原核作用,它以穿透到材料内部并探测离性质。这使它具备了优越于带电粒子和x射线的性质。然而中子探测的挑战是产生短脉冲的源来探测超快现象。能量达到MeV的中子束,其破坏能力体现在原尺度:产生碰撞级联,点破坏,失位或烧蚀。这些特点使中子束在多个技术领域都具备应用潜质:聚变反应的空间材料耐辐射测试,粒子加速仓的废存储等。对于keV量级的中子束,可用来探测热稠密物质的动力学问题。

  亚皮秒激光可产生短脉冲中子源,然而该方法产生的计量远低于激光加速质子碰撞固体材料的产额。另一方面,采用固体作用的缺点则为大量高能射线和带电粒子的干扰,这将破坏样品并形成高噪声环境。但激光加速产生的质子为宽带的,具有一定发散角,因此时间和空间上的聚焦程度都随聚焦而展宽。

  本试验设计共分为三个阶段:1.采用50微米厚度的聚对苯二甲酸乙二醇酯靶,激光能量为10焦耳,装置位于发光LULI。激光加速电子在靶后产生强电场,并通过靶后壳加速机制的强电场加速质子,质子发散角为5-30度。

  2.质子由等离子体透镜聚焦,中空的铝桶放置在距质子源1mm处,并由第二束激光加热,与主脉冲之间延时为86ps,该激光产生强瞬态电场,方向垂直于圆柱靶法线,从而将质子向轴线上聚焦。

  3.该方法对不同能量的质子聚焦位置不同,在0.56m处利用这一特点来筛选质子。由此中心质束的带宽和时间度相比于初始团均提高了。

  质子束的空间宽度和能谱等均采用多层辐射成像板RCF测试,图2a所示为S1阶段采用RCF的测试结果,随着质子能量增加,其发散度下降。图2b则为S2阶段,束斑直径显著下降了,直径随能量呈现出函数关系。图2c所示为所示为0.56m处聚焦束,此时束团具有环状结构,此时直径依赖于能量。

  图3a为质子能谱,S1阶段能量从1.1到6MeV变化过程中下降了100倍。而在S2和S3阶段,能谱在6MeV附近具有第二个峰值,并且该能谱范围质子数目比S1阶段高10倍。图3b所示为质子能谱的指数型拟合,可用于中子产额的拟合。将中LiF薄片放在质子束的路径上。通过核反应产生中,将薄片放在质子束的路径上。通过核反应产生中,将薄片放在质子束的路径上。通过核反应产生中,将薄片放在质子束的路径上。通过核反应产生中子,将1mm厚度的铅板放置在CR39前直接屏蔽能量低于21MeV的的质子。

  如图4所示为对比S1和S3阶段的中子时间飞行谱信号。早期10ns信号主要由靶中电子轫致辐射产生的x射线,图中黑线为采用LiF记录的中子产额信号,第一批中子于100ns到达,对应能量为到达,对应能量为3MeV。而S1阶段中则对应几百纳秒,能量低于100keV。可见,S3的信号时间远短于S1阶段,并且由于入射质子谱的改变信号略有下降。

  本实验观测到质子和中子的脉宽压缩,这表明激光加速束在探材料超快性质方面有应用潜质。随着激光能量的不断提升,微透镜聚焦离子对加速有重要意义。此外,微透镜结构的平滑以及简化将使这项技术更加便捷,从而激光产生的中子源更加有吸引力。

 

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