核物理是研究射線束的產(chǎn)生、探測和分析技術;以及同核能、核技術應用有關的物理問題。下面小編給大家分享一些核物理學術論文，大家快來跟小編一起欣賞吧。

　　核物理學術論文篇一

　　激光核物理

　　摘 要 在最近十年,激光技術有了長足的進展,激光的強度超過了1022W/cm2, 激光的電場達到~4×1012V/cm.當這種高強度的激光照射在靶上時,可以產(chǎn)生許多由激光產(chǎn)生的核反應現(xiàn)象.在這篇文章中,作者回顧了這一領域的 研究 進展,并對在不遠的未來激光產(chǎn)生 電子 ?質(zhì)子?中子?X射線和正電子 發(fā)展 的潛力進行了一些討論.

　　關鍵詞 啁啾脈沖放大,粒子云,正電子發(fā)射層析術,庫侖爆炸

　　1 什么是

　　最近十年中,激光技術有了顯著的進展,激光強度已超過1022W/cm2,激光的電場強度達到3.8×1012V/cm,比氫原子中電子玻爾軌道上的庫侖場大759倍,相當于在原子大小上相應加上約40kV的電壓,在原子核大小上相應加上約0.38V的電壓,在這種很強的電場作用下,所有的原子都會在極短的時間內(nèi)被電離,產(chǎn)生從幾個MeV到幾百MeV的質(zhì)子,幾十MeV到GeV的電子和其他粒子,以及韌致輻射和中子,這些粒子可以產(chǎn)生核反應,打開了核物理以及非線性相對論光學研究的新領域[1—3].

　　在今后的十年中,激光強度可能會提高到1026—1028W/cm2,這樣高強度的激光可以將粒子加速到1012—1015eV,并將成為研究粒子物理?引力物理?非線性場論?超高壓物理?天體物理和宇宙線研究中的一個有力工具[1].

　　超高功率超短脈沖激光技術的發(fā)展,在實驗室中創(chuàng)造了前所未有的極端物態(tài)條件,如高電場?強磁場?高能量密度?高光壓和高的電子抖動能量?高的電子加速度,這種極端的物理條件, 目前 只有在核爆中心?恒星內(nèi)部?星洞邊緣才能存在,在它和物質(zhì)的相互作用中,產(chǎn)生了高度的非線性和相對論效應,產(chǎn)生了嶄新的物 理學 領域,也為多個交叉學科前沿研究領域帶來了 歷史 性的機遇和拓展的空間.

　　2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

　　當前國際上已經(jīng)在一些實驗室中建立了幾十TW到幾個PW的激光系統(tǒng),在上世紀80年代中期,以前激光的強度長期停留在1014W/cm2左右,這是由于非線性吸收效應隨著激光強度的增加而迅速增強,在80年代中期之后,由于采用了啁啾脈沖放大技術(chirped pulse amplification, CPA),激光強度提高了6—7個數(shù)量級,在CPA技術中,一個飛秒或皮秒的脈沖通過色散的光柵對在時間尺度將它展寬了3—4個數(shù)量級,這樣就避免了放大器的飽和以及在很高強度時由于非線性效應產(chǎn)生的光學放大器件的損傷,在經(jīng)過放大以后,再由另一光柵對將脈沖寬度壓縮回到飛秒或皮秒寬度,以獲得1019W/cm2到1022W/cm2的靶上功率密度.CPA超短脈沖TW的激光裝置在法國光學 應用 研究所?瑞典Lund大學?德國Mark-Plank研究所?德國Jena大學?日本JAERI和 中國 工程物理研究院?中科院上海光學精密機械研究所?中科院物理研究所?中國原子能 科學 研究院等都建有.日本原子能研究所采用變形鏡和CPA相結(jié)合的技術,運用低f值的拋物面鏡,將激光聚焦于1μm的斑點,可以進一步提高焦斑上的功率密度,但是由于放大介質(zhì)的單位面積上的飽和能量通量和光學元件的損傷閾值的限制,單位面積上最大的光強度?I??th?=hν3σΔν?ac2?,這個數(shù)值約為10?23?W/cm2.美國LLNL正在計劃建造10?18?W(exawatt)和10?21?W(zettawatt)的激光裝置,以期獲得1026W/cm2 —1028W/cm2的靶上功率密度.

　　高強度的激光可以引起許多核反應,當激光強度I>10?18?W/cm2時,在激光電場做抖動的電子能量達到0.511MeV,產(chǎn)生了相對論等離子體.運用強激光在等離子體中產(chǎn)生的尾場去加速電子,如用一臺緊湊型的重復頻率的激光器可以產(chǎn)生200MeV的電子.這種激光等離子體型的加速器具有比通常電子加速器高出1000倍的加速梯度,即達到GV/m.運用高強度?單次脈沖的激光也獲得了100MeV的電子,并測量到它的韌致輻射.超短超強激光還可以產(chǎn)生質(zhì)子束,并開始運用這些質(zhì)子束產(chǎn)生正電子發(fā)射層析術(positron emission tomography,PET)所需要的短壽命的正電子放射源,一種用激光來產(chǎn)生的小型化的和 經(jīng)濟 的質(zhì)子產(chǎn)生器有望在未來用于質(zhì)子治癌.運用超短超強激光直接產(chǎn)生正電子已在英國盧瑟福實驗室開展,他們用重復頻率的TW級的激光,打在高Z元素的靶上得到每脈沖2×107個正電子,它對于基礎研究和材料科學很有用途.通過超短超強激光和氘團簇的相互作用,產(chǎn)生聚變反應的中子,其中子產(chǎn)額可以達到105中子/焦耳,激光產(chǎn)生中子的能量效率已達到世界上大型的激光裝置的水平,它可以成為臺面的中子源,由于其中子脈沖通量高,但總的中子劑量很小,適合于生物活體的中子照相和材料科學的研究.運用超短超強激光和氘化聚乙烯作用產(chǎn)生中子,Hilsher等人用鈦寶石激光(300mJ, 50fs, 10Hz, 10?18?W/cm2) 轟擊氘化聚乙烯靶,產(chǎn)生104中子/脈沖.運用超短超強的激光在相對論性的電子上的散射,產(chǎn)生幾百飛秒?幾十埃的硬X射線,可以用來研究材料和生命科學的一些 問題 ,這種超快的硬X射線源對于研究一些高Z物質(zhì)和時間分辨的超快現(xiàn)象具有重要的意義.超短超強激光所產(chǎn)生的高能電子,在物質(zhì)中產(chǎn)生高能X射線,可以在裂變物質(zhì)鈾中引起裂變,并在裂變靶中探測到許多裂變產(chǎn)物.在激光的強度達到1028W/cm2時,電場強度只比Schwinger場(真空擊穿場強)低一個數(shù)量級,在這樣的場中,由于真空的漲落被激發(fā),激光就有可能從真空中產(chǎn)生正負電子對,美國Lawrence Berkerly實驗室在SLAC高能加速器上,用10?18?W/cm2的激光束和聚焦性能很好的46.6GeV的電子束相碰撞,產(chǎn)生了200多個正負電子對,這是由于在反向相碰的電子和激光中,從電子的坐標系來看,激光的場強增強了Lorentz因子倍,以至于可以遠遠地超過Schwinger場值,直接從真空中產(chǎn)生一些電子對.

　　3 新的科學研究的 內(nèi)容 ,新的交叉點

　　3.1 激光產(chǎn)生高能電子[4—7]

　　產(chǎn)生高能電子的機制有兩種:第一種是在激光場作用下,電子做抖動運動,在激光強度I=10?20?W/cm2時,電子抖動運動能量能達到10MeV;第二種是由非線性效應所產(chǎn)生的能量比較高的部分.用300J,0.5ps的激光照射在厚的金靶上,測量到的電子能譜分布基本上由兩個部分組成:一部分是由有質(zhì)動力產(chǎn)生的,它的能量在20—30MeV以下,還有一部分就是由非線性效應產(chǎn)生的幾十MeV以至100MeV以上的高能量的電子,并和粒子云(particle in cell,PIC) 的 計算 結(jié)果符合,目前加速電子最高能量已達1GeV.能散度可達3% .

　　當激光的強度增加時,光波的壓力變得很大,光壓推著電子往前走,光波就像一個光子耙將等離子體中的電子推到脈沖的前面積累,形成電子的“雪耙”(snow plow) ,在這種“雪耙”加速中,電子的動能得到增益.在綜合了光壓作用和激光場的作用后,計算得到在激光強度為I=1026W/cm2時,加速梯度可達200TeV/cm,如果加速長度達到1m,電子能量為2×10?16?eV,在I=1028W/cm2時,加速梯度可達2peV/cm,加速長度為1m時,電子能量為2×10?17?eV,可以用來研究高能物理中的許多問題.

　　3.2 激光產(chǎn)生質(zhì)子束[8,9]

　　在激光等離子體中,在I=10?20?W/cm2的情況下,加速質(zhì)子的能量可以高達58MeV.加速梯度約為1MV/μm.質(zhì)子被加速的距離只有60μm左右,如何增長加速距離成為非常重要的研究內(nèi)容,加速質(zhì)子的機制是相當復雜的,也提出了一些加速模型的設想.實驗上的研究結(jié)果已顯示它存在很好的應用前景.這表現(xiàn)在:

　　(1) 激光能量轉(zhuǎn)換成質(zhì)子束能量的效率是高的,而且和激光的能量有關,在激光脈沖能量為10J?寬度為100fs時,轉(zhuǎn)換效率為1%,當500J?500fs時,轉(zhuǎn)換效率為10%,人們已經(jīng)獲得了10?13?質(zhì)子/脈沖,質(zhì)子脈沖寬度約1ps,相當于10?25?質(zhì)子/秒,即?1.6×?106A的脈沖質(zhì)子流.

　　從 理論 到實驗應該研究如何進一步提高能量轉(zhuǎn)換效率的問題,尤其是當激光能量進一步提高時,轉(zhuǎn)換效率是否還繼續(xù)上升.

　　(2) 質(zhì)子束的發(fā)散角比較小,觀察到的橫向發(fā)散角為0.5mm·mrad,比通常加速器上加速的質(zhì)子束的發(fā)散角小.

　　(3) 高能質(zhì)子束的獲得可能會在今后的十年中實現(xiàn),按照Bulanov等人的計算結(jié)果,在I=10?23?W/cm2時,質(zhì)子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2時,質(zhì)子能量可以達到100GeV和 10TeV.

　　(4) 目前已獲得幾十MeV的質(zhì)子束,并已用于為PET產(chǎn)生?18?F等短壽命的正電子源,在英國Rutherford實驗室的Vulcan裝置上,在20分鐘內(nèi)制備了109Bq的?18?F源,已經(jīng)可以用在PET上.

　　(5) 產(chǎn)生200MeV的質(zhì)子,并用于質(zhì)子治癌,由于它在能量沉積上的優(yōu)越性能,以及整個裝置可以做得小,成本低,所以在治癌應用上很有發(fā)展前景,并可應用于中子照相.目前由激光加速產(chǎn)生的質(zhì)子的能量分散度為17%.治癌應用要求能散度≤3%左右,因此減少能散度的工作在一些實驗室正在進行中.

　　3.3 激光產(chǎn)生中子[10,11]

　　超短超強激光加熱氘團簇產(chǎn)生核聚變,已經(jīng)產(chǎn)生了104中子/脈沖或105中子/焦耳,從激光的能量轉(zhuǎn)換成中子的效率看,和美國LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子產(chǎn)額相當,比日本大阪大學的大型激光裝置Gekko 12上的數(shù)值大一個數(shù)量級,因此是一種很有 發(fā)展 前景的桌面臺式的中子發(fā)生器,因為這種中子源的時間寬度只有1ps,是一個高中子通量的中子源,可用于材料 科學 和中子照相.

　　氘的團簇在吸收激光能量后要發(fā)生庫侖爆炸,應該說到現(xiàn)在為止對于庫侖爆炸的機理理解尚不非常清楚,尤其是團簇爆炸后產(chǎn)生的氘分子和氘的小團簇如何產(chǎn)生氘-氘的聚變反應也缺乏細致的了解,在進一步的改進方面,還有發(fā)展的余地,例如,如何采用多束的超短超強激光同時照射團簇,或用大于50T的脈沖磁場去推遲熱等離子體的解體時間,以增加中子產(chǎn)額.

　　利用超短超強激光和氘化聚乙烯作用來產(chǎn)生中子,Hilsher等人用鈦寶石激光(300mJ,50fs,10Hz,10?18?W/cm2)轟擊氘化聚乙烯靶也產(chǎn)生了104中子/脈沖,大約每焦耳的激光產(chǎn)生3.3×104中子.Disdier等人用20J,400fs,5×1014W的激光輻照CD?2靶,獲得107中子,每焦耳激光產(chǎn)生了3.5×105中子,這是很高的中子產(chǎn)額,他們還要用500J,500fs,1pW的激光照射CD?2,以獲得更多的中子.

　　在激光輻照CD?2平面靶時,除了要 研究 激光能量在CD?2靶上的能量沉積的分布外,如何充分地利用沉積的能量是一個很重要的 問題 .沉積的能量有很大一部分要轉(zhuǎn)變成等離子體的動能,在平面靶的情況下,如何設計靶面形狀,以最大限度地使等離子體的動能對D-D反應做貢獻.

　　3.4 激光產(chǎn)生硬的超短(~100fs)X射線[12]

　　用超短超強激光(50mJ,0.5TW,100fs)和50MeV的 電子 束散射可以產(chǎn)生4nm,300fs的硬X射線,雖然轉(zhuǎn)換效率不高,但產(chǎn)生的X射線強度可以在Si表面產(chǎn)生衍射峰,可以用來研究Si表面相變過程(從固相→熔化過程)的時間分辨的研究,也可以研究蛋白質(zhì)折疊動力學,蛋白質(zhì)的折疊時間為1ns,用300fs的硬X射線可用來了解它的折疊過程中的狀態(tài).

　　3.5 激光產(chǎn)生正電子[13,14]

　　將具有幾個MeV的電子,經(jīng)過很好地準直后,射到一個高Z的靶上,通過Trident過程(Z+e-→Z′+2e-+e+)和Bethe-HEitler過程(Z+r→Z′+e-+e++r′)產(chǎn)生正電子,采用重復頻率的超短超強激光和高Z靶的相互作用,每脈沖可以產(chǎn)生2×107個正電子,經(jīng)過慢化后,儲存在磁場中,它對于基礎科學和材料科學的研究是很有用的.

　　4 主要存在的問題和 分析

　　這門新興的交叉學科在國際上也只有十多年的 歷史 ,但發(fā)展十分迅速,搞激光技術和原子核物理的科學家們已經(jīng)開始在一起召開學術研討會,共同參加一些實驗,由于它是一個新的生長點,發(fā)展比較快,也比較容易發(fā)現(xiàn)一些新現(xiàn)象,所以合作的積極性也在日益增長.隨著超短超強激光技術的發(fā)展,在粒子加速?核物理?甚至粒子物理方面可以做出一些很好的工作來.我國發(fā)展的情況有些滯后,學科之間的交叉和合作還沒有真正形成,學科之間的了解和交流還不夠,因此只在交叉學科的邊緣上做了一些工作,按照我國在激光技術和核物理方面的力量來說,都應該有可能做出更多更好的工作. 目前 具有超短超強激光裝置的研究單位并不少,但將它們運行好,做出好的物理工作的成果并不多.

　　國內(nèi)的情況也和國際上相似存在著一個問題,即搞強激光技術的專家和搞核物理和粒子物理專家之間的交流?討論不夠,這就會 影響 這一交叉學科的發(fā)展.

　　從強場物理到超短超強激光技術,到 應用 于各個領域,在世界上是基礎科學和技術進步相互推動,相互作用的一個范例,基礎研究的需求,以及光學科學的基礎,非線性科學的基礎,促進了超短超強激光技術的發(fā)展,而高強度激光的發(fā)展又為物 理學 的發(fā)展提供一個嶄新的世界.

　　參考 文獻

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　　[11] Zweiback J et al. Phys. Rev. Lett.,2000, 85:3640

　　[12] Kmetec J D et al. Phys. Rev. Lett.,1992, 68: 1527

　　[13] Gahn C et al. Appl. Phys. Lett., 2000,77 : 2662

　　[14] Gahn C et al. Phys. Rev. Lett., 1999, 83 :4772

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