物理學(xué)論文-激光核物理.doc

物理學(xué)論文-激光核物理摘要在最近十年,激光技術(shù)有了長足的進(jìn)展,激光的強(qiáng)度超過了1022W/cm2,激光的電場達(dá)到41012V/cm.當(dāng)這種高強(qiáng)度的激光照射在靶上時(shí),可以產(chǎn)生許多由激光產(chǎn)生的核反應(yīng)現(xiàn)象.在這篇文章中,作者回顧了這一領(lǐng)域的研究進(jìn)展,并對在不遠(yuǎn)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(jìn)行了一些討論.關(guān)鍵詞啁啾脈沖放大,粒子云,正電子發(fā)射層析術(shù),庫侖爆炸1什么是激光核物理最近十年中,激光技術(shù)有了顯著的進(jìn)展,激光強(qiáng)度已超過1022W/cm2,激光的電場強(qiáng)度達(dá)到3.81012V/cm,比氫原子中電子玻爾軌道上的庫侖場大759倍,相當(dāng)于在原子大小上相應(yīng)加上約40kV的電壓,在原子核大小上相應(yīng)加上約0.38V的電壓,在這種很強(qiáng)的電場作用下,所有的原子都會在極短的時(shí)間內(nèi)被電離,產(chǎn)生從幾個MeV到幾百M(fèi)eV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(yīng),打開了核物理以及非線性相對論光學(xué)研究的新領(lǐng)域13.在今后的十年中,激光強(qiáng)度可能會提高到10261028W/cm2,這樣高強(qiáng)度的激光可以將粒子加速到10121015eV,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(shù)的發(fā)展,在實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造了前所未有的極端物態(tài)條件,如高電場強(qiáng)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?xiàng)l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(yīng),產(chǎn)生了嶄新的物理學(xué)領(lǐng)域,也為多個交叉學(xué)科前沿研究領(lǐng)域帶來了歷史性的機(jī)遇和拓展的空間.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀當(dāng)前國際上已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)室中建立了幾十TW到幾個PW的激光系統(tǒng),在上世紀(jì)80年代中期,以前激光的強(qiáng)度長期停留在1014W/cm2左右,這是由于非線性吸收效應(yīng)隨著激光強(qiáng)度的增加而迅速增強(qiáng),在80年代中期之后,由于采用了啁啾脈沖放大技術(shù)(chirpedpulseamplification,CPA),激光強(qiáng)度提高了67個數(shù)量級,在CPA技術(shù)中,一個飛秒或皮秒的脈沖通過色散的光柵對在時(shí)間尺度將它展寬了34個數(shù)量級,這樣就避免了放大器的飽和以及在很高強(qiáng)度時(shí)由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的光學(xué)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(xué)應(yīng)用研究所瑞典Lund大學(xué)德國Mark-Plank研究所德國Jena大學(xué)日本JAERI和中國工程物理研究院中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所中科院物理研究所中國原子能科學(xué)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(shù),運(yùn)用低f值的拋物面鏡,將激光聚焦于1m的斑點(diǎn),可以進(jìn)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(xué)元件的損傷閾值的限制,單位面積上最大的光Ith=h3ac2,這個數(shù)值約為1023W/cm2.美國LLNL正在計(jì)劃建造1018W(exawatt)和1021W(zettawatt)的激光裝置,以期獲得1026W/cm21028W/cm2的靶上功率密度.高強(qiáng)度的激光可以引起許多核反應(yīng),當(dāng)激光強(qiáng)度I1018W/cm2時(shí),在激光電場做抖動的電子能量達(dá)到0.511MeV,產(chǎn)生了相對論等離子體.運(yùn)用強(qiáng)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(fù)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(dá)到GV/m.運(yùn)用高強(qiáng)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(qiáng)激光還可以產(chǎn)生質(zhì)子束,并開始運(yùn)用這些質(zhì)子束產(chǎn)生正電子發(fā)射層析術(shù)(positronemissiontomography,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(jì)的質(zhì)子產(chǎn)生器有望在未來用于質(zhì)子治癌.運(yùn)用超短超強(qiáng)激光直接產(chǎn)生正電子已在英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室開展,他們用重復(fù)頻率的TW級的激光,打在高Z元素的靶上得到每脈沖2107個正電子,它對于基礎(chǔ)研究和材料科學(xué)很有用途.通過超短超強(qiáng)激光和氘團(tuán)簇的相互作用,產(chǎn)生聚變反應(yīng)的中子,其中子產(chǎn)額可以達(dá)到105中子/焦耳,激光產(chǎn)生中子的能量效率已達(dá)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(xué)的研究.運(yùn)用超短超強(qiáng)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,1018W/cm2)轟擊氘化聚乙烯靶,產(chǎn)生104中子/脈沖.運(yùn)用超短超強(qiáng)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(xué)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(shí)間分辨的超快現(xiàn)象具有重要的意義.超短超強(qiáng)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(qiáng)度達(dá)到1028W/cm2時(shí),電場強(qiáng)度只比Schwinger場(真空擊穿場強(qiáng))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(fù)電子對,美國LawrenceBerkerly實(shí)驗(yàn)室在SLAC高能加速器上,用1018W/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(fù)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(biāo)系來看,激光的場強(qiáng)增強(qiáng)了Lorentz因子倍,以至于可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(xué)研究的內(nèi)容,新的交叉點(diǎn)3.1激光產(chǎn)生高能電子47產(chǎn)生高能電子的機(jī)制有兩種:第一種是在激光場作用下,電子做抖動運(yùn)動,在激光強(qiáng)度I=1020W/cm2時(shí),電子抖動運(yùn)動能量能達(dá)到10MeV；第二種是由非線性效應(yīng)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2030MeV以下,還有一部分就是由非線性效應(yīng)產(chǎn)生的幾十MeV以至100MeV以上的高能量的電子,并和粒子云(particleincell,PIC)的計(jì)算結(jié)果符合,目前加速電子最高能量已達(dá)1GeV.能散度可達(dá)3%.當(dāng)激光的強(qiáng)度增加時(shí),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”(snowplow),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(jì)算得到在激光強(qiáng)度為I=1026W/cm2時(shí),加速梯度可達(dá)200TeV/cm,如果加速長度達(dá)到1m,電子能量為21016eV,在I=1028W/cm2時(shí),加速梯度可達(dá)2peV/cm,加速長度為1m時(shí),電子能量為21017eV,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=1020W/cm2的情況下,加速質(zhì)子的能量可以高達(dá)58MeV.加速梯度約為1MV/m.質(zhì)子被加速的距離只有60m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(jī)制是相當(dāng)復(fù)雜的,也提出了一些加速模型的設(shè)想.實(shí)驗(yàn)上的研究結(jié)果已顯示它存在很好的應(yīng)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(guān),在激光脈沖能量為10J寬度為100fs時(shí),轉(zhuǎn)換效率為1%,當(dāng)500J500fs時(shí),轉(zhuǎn)換效率為10%,人們已經(jīng)獲得了1013/脈沖,質(zhì)子脈沖寬度約1ps,相當(dāng)于1025/秒,1.6106A的脈沖質(zhì)子流.從理論到實(shí)驗(yàn)應(yīng)該研究如何進(jìn)一步提高能量轉(zhuǎn)換效率的問題,尤其是當(dāng)激光能量進(jìn)一步提高時(shí),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0.5mmmrad,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(shí)現(xiàn),按照Bulanov等人的計(jì)算結(jié)果,在I=1023W/cm2時(shí),質(zhì)子可以被加速到1GeV以上,在I=1026W/cm2和1028W/cm2時(shí),質(zhì)子能量可以達(dá)到100GeV和10TeV.(4)目前已獲得幾十MeV的質(zhì)子束,并已用于為PET18F等短壽命的正電子源,在英國Rutherford實(shí)驗(yàn)室的Vulcan裝置上,在20分鐘內(nèi)制備了109Bq18F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(yīng)用上很有發(fā)展前景,并可應(yīng)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(yīng)用要求能散度3%左右,因此減少能散度的工作在一些實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行中.3.3激光產(chǎn)生中子10,11超短超強(qiáng)激光加熱氘團(tuán)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(dāng),比日本大阪大學(xué)的大型激光裝置Gekko12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?yàn)檫@種中子源的時(shí)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(xué)和中子照相.氘的團(tuán)簇在吸收激光能量后要發(fā)生庫侖爆炸,應(yīng)該說到現(xiàn)在為止對于庫侖爆炸的機(jī)理理解尚不非常清楚,尤其是團(tuán)簇爆炸后產(chǎn)生的氘分子和氘的小團(tuán)簇如何產(chǎn)生氘-氘的聚變反應(yīng)也缺乏細(xì)致的了解,在進(jìn)一步的改進(jìn)方面,還有發(fā)展的余地,例如,如何采用多束的超短超強(qiáng)激光同時(shí)照射團(tuán)簇,或用大于50T的脈沖磁場去推遲熱等離子體的解體時(shí)間,以增加中子產(chǎn)額.利用超短超強(qiáng)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,1018W/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3.3104中子.Disdier等人用20J,400fs,51014W的激光輻照CD2靶,獲得107中子,每焦耳激光產(chǎn)生了3.5105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CD2,以獲得更多的中子.在激光輻照CD2平面靶時(shí),除了要研究激光能量在CD2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(shè)計(jì)靶面形狀,以最大限度地使等離子體的動能對D-D反應(yīng)做貢獻(xiàn).3.4激光產(chǎn)生硬的超短(100fs)X射線12用超短超強(qiáng)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(qiáng)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(shí)間分辨的研究,也可以研究蛋白質(zhì)折疊動力學(xué),蛋白質(zhì)的折疊時(shí)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(zhǔn)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+rZ+e-+e+r)產(chǎn)生正電子,采用重復(fù)頻率的超短超強(qiáng)激光和高Z靶的相互作用,每脈沖可以產(chǎn)生2107個正電子,經(jīng)過慢化后,儲存在磁場中,它對于基礎(chǔ)科學(xué)和材料科學(xué)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(xué)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(shù)和原子核物理的科學(xué)家們已經(jīng)開始在一起召開學(xué)術(shù)研討會,共同參加一些實(shí)驗(yàn),由于它是一個新的生長點(diǎn),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(qiáng)激光技術(shù)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(xué)科之間的交叉和合作還沒有真正形成,學(xué)科之間的了解和交流還不夠,因此只在交叉學(xué)科的邊緣上做了一些工作,按照我國在激光技術(shù)和核物理方面的力量來說,都應(yīng)該有可能做出更多更好的工作.目前具有超短超強(qiáng)激光裝置的研究單位并不少,但將它們運(yùn)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(qiáng)激光技術(shù)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(xué)科的發(fā)展.從強(qiáng)場物理到超短超強(qiáng)激光技術(shù),到應(yīng)用于各個領(lǐng)域,在世界上是基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步相互推動,相互作用的一個范例,基礎(chǔ)研究的需求,以及光學(xué)科學(xué)的基礎(chǔ),非線性科學(xué)的基礎(chǔ),促進(jìn)了超短超強(qiáng)激光技術(shù)的發(fā)展,而高強(qiáng)度激光的發(fā)展又為物理學(xué)的發(fā)展提供一個嶄新的世界.參考文獻(xiàn)1TajimaT,MourouG.PhysicalReviewSpecialTopics|AcceleratorsandBeams,2002,5:0373012MourouG,TajimaT,BulanovSV.ReviewsofModernPhysics,2006,78:3093LeemansWPetal.NaturePhysics,2006,2:6964ThomasKatsouleas.Nature,2004,431:5155ManglesSPDetal.Nature,2004,431:5356GeddesCGRetal.Nature,2004,431:5387FarueJetal.Nature