激光核物理

1什么是激光核物理？在过去的十年里，激光技术取得了显著的进步。激光强度已超过1022瓦/平方厘米。激光的电场强度达到3.8×1012伏/厘米，比氢原子中电子在玻尔轨道上的库仑场大759倍。这相当于给原子大小增加约40kV的电压，给原子核大小增加约0.38V的电压。在这个非常强的电场作用下，所有原子将在很短的时间内被电离，产生几兆电子伏到几百兆电子伏的质子、几十兆电子伏到几十兆电子伏的电子和其他粒子、轫致辐射和中子。这些粒子可以产生核反应，开辟了核物理和非线性相对论光学的新领域[1-3]。在未来十年内，激光强度可能增加到1026-1028 w/cm2。这种高强度激光可以将粒子加速到1012—1015电子伏，并将成为粒子物理学、引力物理学、非线性场论、超高压物理学、天体物理学和宇宙线[1]研究的有力工具。超高功率超短脉冲激光技术的发展为实验室创造了前所未有的极端状态条件，如高电场、强磁场、高能量密度、高光压和高电子加速度以及高电子抖动能量。这种极端的物理条件目前只能存在于核爆炸中心的星孔边缘。在与物质的相互作用中，它产生了高度非线性和相对论效应，创造了一个全新的物理学领域，也为许多跨学科前沿研究领域带来了历史性机遇和广阔空间。目前，世界上一些实验室已经建成了几十个行波管到几个脉宽激光器系统。在20世纪80年代中期，激光的强度长期保持在1014瓦/平方厘米左右。这是因为非线性吸收效应随着激光强度的增加而迅速增加。20世纪80年代中期以后，由于采用了啁啾脉冲放大技术，激光强度增加了6-7个数量级。在CPA技术中，飞秒或皮秒脉冲通过色散光栅对在时间尺度上被加宽3-4个数量级，从而避免了放大器的饱和和在非常高的强度下由非线性效应引起的光学放大装置的损坏。放大后，脉冲宽度被另一个光栅对压缩回飞秒或皮秒宽度。为了获得1019瓦/平方厘米至1022瓦/平方厘米目标上的功率密度为cm2。CPA超短脉冲行波管激光器由法国光学应用研究所、瑞典隆德大学、德国马克普朗克研究所、日本耶拿大学、中国工程物理研究所、上海光学精密机械研究所、中国科学院、物理研究所、中国科学院、中国原子能研究所等单位制造。日本原子能研究所采用变形镜和CPA相结合的技术。使用低F值的抛物面镜将激光聚焦在1μm的光斑上可以进一步提高焦斑上的功率密度。然而，由于放大介质单位面积的饱和能量通量和光学元件的损伤阈值的限制，单位面积的最大光强I Th = Hν3σδνAc2，该值约为1023w/cm2。LLNL计划建造1018瓦(exawatt)和1021瓦(zetta watt)激光装置，以获得1026瓦/平方厘米-1028瓦/平方厘米的目标功率密度。当激光强度I > 1018w/cm2时，高强度激光会引起许多核反应。在激光电场中抖动的电子能量达到0.511电子伏，产生相对论等离子体。强激光在等离子体中产生的尾场用来加速电子。例如，一个紧凑的重复频率激光器可以产生200兆电子伏的电子。这种激光等离子体型加速器具有比传统电子加速器高1000倍的加速梯度。即使达到GV/m，用高强度单脉冲激光也能获得100兆电子伏的电子，并测量其轫致辐射。超短超强激光也能产生质子束，这些质子束被用来产生正电子发射断层成像所需的短寿命正电子辐射源。由激光产生的小型且经济的质子发生器有望在未来用于质子癌的治疗。超短超强激光直接产生正电子已经在英国卢瑟福实验室完成。他们用重复频率的TW级激光击中高Z元素的目标，每脉冲获得2×107个正电子。这对基础研究和材料科学非常有用。聚变反应的中子是由超短超强激光和氘团簇相互作用产生的。中子产额可达105中子/焦耳。激光产生的中子的能量效率已达到世界上大型激光装置的水平。它可以用作台面的中子源。由于它的中子脉冲通量高，但它的总中子剂量很小，所以它适合于中子照相和生物体内的材料科学研究。超短超强激光和氘化聚乙烯被用来产生中子。希尔等人使用钛:蓝宝石激光器(300兆焦，50飞秒，10赫兹，1018瓦/厘米2)轰击氘化聚乙烯靶，产生104个中子/脉冲。利用超短超强激光对相对论电子的散射，产生数百飞秒和数十埃的硬X射线，可用于研究材料和生命科学中的一些问题。这种超快硬X射线源对于研究某些高Z物质和具有时间分辨率的超快现象具有重要意义。超短超强激光产生的高能电子，材料中高能X射线的产生会引起裂变材料铀的裂变，在裂变靶中检测到许多裂变产物。当激光强度达到1028瓦/平方厘米时，电场强度仅比施温格场(真空击穿场强)低一个数量级。在这样的场中，由于真空波动的激发，激光可以从真空中产生正负电子对。在SLAC高能加速器中，美国劳伦斯·贝克里实验室用1018W/cm2的激光束和聚焦性能良好的46.6GeV电子束碰撞，产生了200多个正负电子对。这是因为在相反方向的电子和激光碰撞中，从电子的坐标系看，激光的场强增加了洛伦兹因子倍。新的科学研究内容，新的交点3.1，激光产生高能电子[4-7]产生高能电子的机制有两种:第一种是在激光场的作用下，电子进行抖动运动，当激光强度I = 1020W/cm2时，电子抖动运动能量可达10MeV二是非线性效应产生的能量较高的部分。当300焦耳、0.5皮秒的激光照射在厚金靶上时，测得的电子能谱分布基本上由两部分组成:一部分是由高能力产生的，其能量低于20-30兆电子伏，另一部分是由几十兆电子伏到100兆电子伏以上的非线性效应产生的高能电子。这与粒子云的计算结果一致。目前，加速电子的最大能量已经达到1GeV。能量散度可以达到3%。当激光强度增加时，光波的压力变得非常大。光的压力推动电子前进。光波就像一个光子耙，推动等离子体中的电子在脉冲前积累，形成一个电子“扫雪机”。在这个“雪耙”加速度中，获得了电子的动能。结合光压力和激光场的影响，计算出当激光强度为1026瓦/厘米2时，加速度梯度可达200电子伏/厘米2。当加速长度达到1m时，电子能量为2×1016 ev，当I=1028W/cm2时，加速梯度可达2peV/cm，当加速长度达到1m时，电子能量为2×1017 ev。它可以用来研究高能物理中的许多问题。3.2激光[产生的质子束[8，9]在激光等离子体中，在I = 1020瓦/平方厘米的条件下，加速质子的能量可高达58MeV。加速梯度约为1mV/μ m，质子加速距离仅为60μm左右，如何增加加速距离成为一个非常重要的研究内容。加速质子的机制相当复杂。提出了加速度模型的一些设想。实验研究结果表明，该系统具有良好的应用前景。这表现在:(1)激光能量转换成质子束能量的效率很高，并且与激光能量有关。当激光脉冲能量为宽度为100fs的10J､时，转换效率为1%，当激光脉冲能量为500J、宽度为500 fs时，转换效率为10%，人们已经获得了1013个质子/脉冲。质子脉冲宽度约为1ps，相当于每秒1025个质子，即1.6× 106个脉冲质子流。从理论到实验，我们应该研究如何进一步提高能量转换效率，特别是当激光能量进一步提高时，转换效率是否会继续提高。(2)质子束的发散角相对较小，观察到的横向发散角为0.5毫拉德。加速器上加速的质子束的发散角小于常规加速器的发散角。(3)高能质子束的获取可能在未来十年内实现。根据布拉诺夫等人的计算结果，当I = 1023瓦/平方厘米时，质子可以加速到1克1GeV以上，当I = 1026W瓦/平方厘米和1028瓦/平方厘米时。质子能量可以达到100亿电子伏和10亿电子伏。(4)目前，已经获得了几十个兆电子伏质子束，并已用于产生短寿命正电子源，如用于正电子发射的18F。在英国卢瑟福实验室的瓦肯装置上用20分钟制备了18F的109Bq源，可用于正电子发射断层扫描。(5)产生了200兆电子伏的质子，并用于质子癌治疗。由于其在能量沉积方面的优越性能以及整个装置的小尺寸和低成本，它在癌症治疗应用中具有巨大的发展前景，并且可以应用于中子照相术。目前，激光加速产生的质子能量色散为17%。癌症治疗应用要求能量分散小于或等于3%，因此一些实验室正在进行减少能量分散的工作。3.3激光[产生的中子10，11]超短超强激光加热氘团簇产生核聚变。已经产生了104个中子/脉冲或105个中子/焦耳。从将激光能量转化为中子的效率来看，美国LLNL上的大型激光器NOVA上的每焦耳激光的中子产额相当于日本大阪大学的大型激光装置Gekko12上的中子产额，比GEKKO 12上的中子产额大一个数量级。因此，它是一个有很大发展前景的台式中子发生器，因为这个中子源的时间宽度只有1ps。它是一种高中子通量的中子源，可用于材料科学和中子照相。氘团簇在吸收激光能量后会发生库仑爆炸。应该说，对库仑爆炸机理的认识到现在还不是很清楚，尤其是对簇爆炸后产生的氘分子和小簇氘如何产生氘-氘聚变反应也缺乏详细的了解。仍有进一步改进的余地。例如，如何使用多束超短超强激光同时照射团簇，或者使用大于50T的脉冲磁场来延迟热等离子体的分解时间，从而提高中子产额。利用超短超强激光和氘化聚乙烯产生中子的作用，希尔等人用钛宝石激光(300 MJ，50fs，10Hz，1018W/cm2)轰击氘化聚乙烯靶，也产生了104个中子/脉冲。每焦耳激光约有3.3×104个中子。Disdier等人用20J、400fs、5×1014W激光照射Cd2靶，获得107个中子和每焦耳激光3.5×105个中子，这是非常高的中子产额。他们还用500焦耳、500飞秒和1千瓦的激光照射Cd2，以获得更多的中子。激光辐照Cd2平面靶时，除了研究激光能量在Cd2靶上的沉积分布外，如何充分利用沉积能量是一个非常重要的问题。大部分沉积的能量需要转化为等离子体的动能。在平面靶的情况下，如何设计靶的表面形状，以使等离子体的动能最大限度地对D-D反应作出贡献。3.4激光产生硬超短(约100飞秒)X射线[12]用超短超强激光(50mJ，0.5TW，100飞秒)和50MeV电子束散射可产生4nm±4nm，300飞秒的硬X射线。虽然转换效率不高，但是产生的X射线强度可以在硅表面上产生衍射峰。它可用于研究硅表面相变过程(从固相到熔融过程)的时间分辨率，也可用于研究蛋白质折叠动力学。蛋白质的折叠时间是1ns，300fs的硬x光可以用来了解其折叠过程的状态。3.5由激光产生的正电子[13，14]将有几个兆电子伏电子，这些电子将被很好地准直，然后击中高Z目标。正电子由三叉戟过程(Z+e-→Z'+2e-+e+)和贝特-海特勒过程(Z+r→Z'+e-+e++r ')产生，超短超强激光与高重复频率Z靶相互作用，每脉冲可产生2×107个正电子。减速后，正电子储存在磁场中。它对于基础科学和材料科学的研究是非常有用的。4主要存在的问题和分析，一门新兴的交叉学科，在世界上只有十几年的历史，但发展非常迅速。从事激光技术和核物理的科学家已经开始举办学术研讨会，并一起参与一些实验。因为它是一个新的增长点，它发展得更快，更容易发现一些新的现象。因此，合作的热情也日益高涨。随着超短超强激光技术的发展，在粒子加速核物理甚至粒子物理方面可以做一些很好的工作。我国的发展落后了。跨学科合作尚未真正形成。学科之间的理解和交流是不够的。因此，在跨学科的边缘只做了一些工作。根据我国在激光技术和核物理方面的实力。应该有可能做更多更好的工作。目前，拥有超短超强激光装置的研究机构不多，但在做好体力工作方面取得的成果不多。中国的情况与世界相似。高功率激光技术专家与核物理和粒子物理专家之间缺乏足够的沟通和讨论，这将影响这一交叉学科的发展。从高功率场物理到超短超强激光技术。它应用于各个领域，是基础科学和世界技术进步相互促进和相互作用的一个例子。基础研究需求、光学科学基础和非线性科学基础推动了超短超强激光技术的发展。高强度激光的发展为物理学的发展提供了一个崭新的世界。