质子诊断在高能量密度等离子体物理中的应用

摘要

质子诊断技术是目前高能量密度等离子体物理诊断技术的前沿技术，其研究对强场物理以及激光驱动核聚变研究都具有重要意义和应用价值。在基于激光技术的高能量密度物理研究中，通过对研究客体发出的质子束进行被动式诊断，可以给出等离子体本身的信息，如强场激光质子加速特性，激光等离子体面密度等;另一方面，激光产生的质子束作为探针可以用于高能量密度等离子体中各种电磁现象的诊断研究。本文围绕高能量密度等离子体物理的诊断，开展了激光加速质子束品质优化研究以及多项质子诊断方法的研究。
　　在激光质子加速诊断方面，介绍了激光加速质子的探测方法和探测设备。设计了一套质子能谱诊断范围0.1-20MeV的Thomson谱仪。通过磁铁结构和探测器排布的设计，可以实现更宽范围的能谱测量。并在星光Ⅲ装置上首次开展实验研究，获得了多种离子（质子，碳离子）能谱信号。
　　针对激光加速产生的质子束特性，为了实现更多的应用，同时也便于规律性质子诊断研究，开展了基于传统加速器技术的质子束品质优化研究。分别研究了四极磁铁组和RF腔对激光加速质子束能谱的优化，前一种方法获得了相对增强的单能质子，而后一种则可以获得绝对增强的单能质子;利用螺线管的高收集效率和RF腔的绝对单能质子增强，提出了一种组合螺线管和RF腔产生准直准单能质子束的方法;在上面方法的基础上，发明了一种光阳极质子源。该质子源具有能量可调的特点。
　　开展了主动式质子诊断技术，即质子照相技术研究。根据激光加速质子束的宽能谱特性，提出了啁啾质子束照相的概念，并在此基础上提出了两种时间分辨的啁啾质子照相方法，包括质子分幅照相和质子条纹照相。其中质子分幅照相可以获得二维的空间分辨，但是由于高能质子会在前面层RCF沉积能量，从而造成图像模糊;质子条纹照相只有一维的空间分辨，但是不存在高能质子造成的图像模糊，空间分辨率更高。开展了质子束对内爆过程的照相研究，分析了质子数量、能量等因素对照相效果的影响。开展了质子束对电磁孤立子的照相模拟研究，模拟结果显示可以通过质子分幅照相的结果给出孤立子演化速度。开展了质子束对电容线圈靶磁场的照相，模拟结果显示可以通过质子照相图内环半径的大小来判断线圈电流及磁场的大小，为进一步实验研究提供了理论指导。开展了质子照相和电子照相的比较研究，发现在透视照相方法质子照相具有电子照相不可替代的特点，而利用多次小角度散射效应照相和对电磁场的照相上，可以采用电子照相来代替。
　　在聚变反应研究中，燃料压缩面密度以及压缩对称性都是影响点火成功的关键因素。在燃料压缩面密度的诊断方面，提出了在低质子产额情况下利用磁谱仪诊断和质子径迹尺寸共同判断质子信号的质子能谱诊断方法，获得了初步质子能谱信号，并推算得到了压缩燃料面密度信息。在压缩对称性诊断方面，为了实现低产额下的高空间分辨成像，提出了一种微型磁透镜对激光聚变芯部反应区直接成像的方法，完成了微结构磁透镜的参数设计和成像模拟验证，这种方法可以在同等质子产额条件下比编码成像有更高的空间分辨，同时接受立体角的增加，降低了对质子产额的要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 高能量密度物理

1．2 激光技术的发展及其在高能量密度物理中的应用

1．2．1 超短超强激光等离子体相互作用的强场物理研究

1．2．2 激光驱动惯性约束聚变研究

1．3 质子诊断技术的发展

1．4 论文的选题背景与研究内容安排

1．4．1 选题背景

1．4．2 研究内容安排

第二章 激光质子加速及探测

2．1 引言

2．2 质子探测系统

2．2．1 质子测量方法概述

2．2．2 固体核径迹探测器CR39

2．2．3 辐射变色膜片RCF

2．2．4 成像板IP

2．2．5 微通道板MCP

2．2．6 Thomson离子谱仪

2．3 激光质子加速实验研究

2．4 小结

第三章 激光加速质子束品质优化研究

3．1 引言

3．2 微型四极磁铁组对激光加速质子能谱的优化

3．3 RF腔对激光加速质子能谱的优化

3．3．1 优化原理

3．3．2 质子能谱优化计算

3．3．3 能量接受范围分析

3．3．4 优化实例

3．3．5 结论

3．4 激光加速质子柬的发散角与能数控制

3．4．1 模拟模型

3．4．2 质子输运

3．4．3 结论

3．5 光阳极质子源

3．6 小结

第四章 质子照相技术研究

4．1 引言

4．2 质子照相原理及特性分析

4．3 时间分辨的质子照相技术

4．3．1 质子分幅照相

4．3．2 质子条坟照相

4．3．3 结论

4．4 质子照相对内爆过程的诊断

4．4．1 利用内爆质子进行照相

4．4．2 利用激光加速质子进行照相

4．5 质子照相对电磁场的诊断

4．5．1 质子对电磁场照相理论分析

4．5．2 质子对电磁孤立子的照相

4．5．3 质子对电容线圈靶磁场的照相

4．6 质子照相与电子照相的比较

4．6．1 低能电子和质子对ICF间接驱动内爆靶的照相

4．6．2 高能电子和质子对三层金属球的照相

4．6．3 高能电子和质子网格法对自生磁场的照相

4．7 小结

第五章 聚变反应核诊断研究

5．1 引言

5．2 质子能谱诊断内爆面密度

5．2．1 能谱诊断原理

5．2．2 磁谱仪和CR39的标定

5．2．3 噪声分析

5．2．4 质子能谱的获得

5．2．5 内爆压缩面密度

5．2．6 结论

5．3 质子成像磁透镜

5．3．1 磁透镜工作原理

5．3．2 磁铁设计

5．3．3 成像效果分析

5．3．4 焦距标定实验

5．3．5 误差分析及下一步标定可行性分析

5．3．6 培论

5．4 小结

第六章 结语与未来工作展望

6．1 主要研究内容

6．2 主要结论

6．3 创新点及与国内外相关研究的比较

6．4 研究未尽事宜与未来工作安排

致谢

1、研究课题

2、博士期间发表论文情况

3、参加会议

4、专利

参考文献