激光等离子体加速电子轰击固体靶产生高品质正电子源的模拟研究

摘要

自二十世纪30年代正电子被预言并发现以来，正电子已被广泛应用于核物理、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。在正电子的相关研究中，正电子源一直是广泛关注的研究课题。目前，通常实验研究用的正电子源主要来源于放射性同位素22Na等β+衰变体，以及占地较大且造价昂贵的电子直线加速器和核反应堆等大型设施，由于这些正电子源产生的正电子有着脉冲长度较长，能量较低或者造价昂贵等缺点，难以满足前沿基础研究和应用研究的需要，尤其不能满足核天体物理研究的需要。近年来，随着激光技术的发展，利用超强激光产生高产额、高能量、短脉冲、高密度、台面型的高品质正电子源成为广泛关注的研究方向。
　　针对目前国内外强激光驱动的正电子源的研究现状，探讨基于激光等离子体加速电子-固体靶相互作用产生超短脉冲正电子源（激光先与等离子体气体靶作用产生高能电子，高能电子与固体靶作用产生正电子）的束流特征，利用国际通用的蒙特卡罗模拟工具包-Geant4，构建激光等离子体加速电子与靶相互作用产生正电子的探测几何布局，分别以美国密歇根大学和中国科学院上海光机所的激光等离子体加速电子束参数为输入，模拟研究激光等离子体加速电子-固体靶相互作用产生的超短脉冲正电子束的产额、能谱、角分布等束流参数，研究上述关键参数随固体靶材和几何尺寸的依赖关系，为超短脉冲正电子束的实验室产生提供较优的实验条件。
　　结果显示，金靶与钽靶是较理想的电子－正电子转换靶材；保持靶材料面密度为常数时，正电子产额正比于靶材料原子序数的四次方，反比于靶材料质量数的平方；当靶材料相同时，正电子产额正比于靶厚度的平方，由于正电子湮灭，不同的靶材料存在一个最佳靶厚度，被优化靶材和靶厚的正电子产额为0.3 e+/e-,且高原子序数材料固体靶的最佳靶厚度一般薄于低原子序数固体靶的最佳靶厚度。正电子束能谱呈麦克斯韦分布，能量峰值在5 MeV附近，最高能量可达140 MeV以上；出射正电子具有前倾性，正电子的发散角峰值在10o左右，且出射的正电子能量越高，其前倾性越明显；在固体靶后方添加了一个均匀的偏转磁场，可以有效的偏转电子辐照固体靶后产生的电子、γ光子、正电子三种粒子，优化了偏转磁场上下两块屏蔽的尺寸，为实际实验中选择探测器尺寸和探测器摆放位置提供参数。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

第二章 理论基础

2.1 蒙特卡罗方法

2.2 超强激光与物质相互作用

2.3 电子与物质相互作用

2.4γ射线与物质相互作用

2.5 Trident过程和BH过程

2.6 本章小结

第三章 基于密歇根大学的激光等离子体加速电子实验模拟

3.1引言

3.2 Geant4模拟模型的构建

3.3 电子－正电子转换靶材的选择

3.4 正电子的能谱及角分布

3.5 靶厚度对正电子产额的影响

3.6 本章小结

第四章 基于中科院上海光机所的激光等离子体加速电子实验模拟

4.1 Geant4模拟模型的构建

4.2 正电子、γ光子产额与不同能量输入电子不同厚度固体靶的关系

4.3 偏转磁场的添加

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 结论分析

5.2 工作展望与不足

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢