CAS OpenIR  > 中科院上海应用物理研究所2011-2020年
激光等离子环境下氘氘聚变反应实验研究
张岳
Subtype博士
Thesis Advisor王宏伟
2020-09-01
Degree Grantor中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Keyword激光核物理 核天体物理 元素核合成 激光离子加速 氘氘聚变反应 初级DD质子探测 CR-39 SiC
Abstract随着激光技术的快速发展,激光等离子物理与核物理形成新的交叉学科-激光核物理,开始受到越来越多的关注。超强超短激光与物质相互作用会产生高温、高密和高压的极端等离子环境,在这种极端环境下诱发核反应是研究天体核反应过程绝佳的场所。由于电子屏蔽效应,传统加速器束靶实验测量截面需要修正后才能用于核天体物理反应网络计算,但修正的不确定性很大。在天体核反应研究过程中,利用激光产生等离子环境诱发核反应正受到越来越多的关注。氘氘聚变反应不仅是大爆炸原初核合成过程中重要反应,也是受控核聚变反应堆中重要反应。本论文主要研究了在强激光装置产生的等离子环境中诱导氘氘聚变反应和激光等离子体实验产物测量的新方法。在激光核物理实验中,CR-39探测器是一种常用探测器,CR-39的径迹与粒子的种类和能量以及蚀刻条件相关。本论文使用加速器和放射源产生的粒子(质子、α粒子和碳离子)研究了 CR-39对它们的响应,标定了粒子能量与径迹之间的关系。主要结论有:1.α粒子和碳离子更适合使用98℃,6.25 mol/1 NaOH条件进行化学蚀刻,优点是可以显著缩短蚀刻时间。对于α粒子,当能量大于2 MeV时,在98℃下蚀刻相比70℃蚀刻,其各能量粒子之间径迹直径相差更大,有利于利用径迹直径测量α粒子能量;对于碳离子,在10 MeV到30 MeV能量区间内,两种化学蚀刻条件下,其径迹直径都与能量不相关;对于质子,由于6 MeV和8 MeV质子径迹在98℃下蚀刻时径迹不能显现,而在70℃蚀刻时两者都能被蚀刻出来,所以能量高于6 MeV质子径迹更加适合在70℃条件下蚀刻;比较两种蚀刻条件下三种粒子径迹直径,发现在98℃蚀刻条件下通过控制蚀刻时间能够区分质子与α粒子和碳离子径迹。2.测量了 CR-39在98℃的体蚀刻速率,结合其他温度下的体蚀刻速率,拟合得到体蚀刻速率与温度关系曲线,显示体蚀刻速率随温度上升指数增加。针对激光等离子体加速实验研制了一款4H-SiC探测器,具有耐辐照、耐高温和响应快的优点。使用它测量靶后鞘层加速(TNSA)产生的离子飞行时间信号,测量到了激光与靶相互作用产生的电磁脉冲信号(EMP)和质子飞行时间信号。其中激光电磁脉冲信号是离子起飞时间信号,离子到达探测器时间为终止时间信号,得到了 TNSA加速的最大质子能量约为30 MeV。然而,目前还没有可行的方法能够把飞行时间信号解析出准确的质子能谱,另外实验中没有采用在线粒子分离方法,导致简单的飞行时间探测器无法鉴别粒子和分析能谱。为此,设计了一款阵列金刚石位置灵敏探测器结合汤姆逊谱仪(TPS),期待未来实验中能够解决这个问题。在神光-II高功率激光升级装置(SG-Ⅱ-Up)上,利用八束纳秒激光直接对称烧蚀厚度为几十到几百微米的氘代聚乙烯靶(CD2),在完全等离子环境下实现了氘氘聚变反应。这部分重要的实验结论有:1.针对氘氘聚变反应产物的特征,实验设计了两片CR-39和铝膜组合成射程过滤探测器(RFS)方案,实现了铝膜后的第一片CR-39用于测量初级DD质子,第二片CR-39用于测量次级D3He质子,同时使用3 MeV质子刻度包裹同样厚度铝膜的CR-39,获得其径迹直径分布数据。2.利用射程过滤探测器测量的径迹结果,分析了初级DD反应产生的3 MeV质子,得到每发次106-107量级的产额。与此同时,利用闪烁体探测器,通过飞行时间法测量到了初级DD反应产生的2.45 MeV中子和次级DT反应中子,其中2.45 MeV中子产额为107左右,与初级3 MeV质子产额的结果相一致,与国际上同类型激光装置的中子产额结果一致。
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/32438
Collection中科院上海应用物理研究所2011-2020年
Affiliation中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
Recommended Citation
GB/T 7714
张岳. 激光等离子环境下氘氘聚变反应实验研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所),2020.
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