基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法

1.本技术涉及脉冲中子源技术领域，特别是涉及一种基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法。

背景技术：

2.中子源在中子活化分析、中子照相和同位素生产等领域具有重要的应用价值。然而，基于传统加速器和裂变反应堆的中子源虽然产额高、通量大，但存在装置体积庞大、造价高昂、环境辐射复杂且中子源脉宽较长等问题。鉴于实际应用需要，人们迫切希望获得尺寸小、造价低、能操纵且无伴随放射危害的脉冲中子源。

技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够具有更宽泛应用场景的基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法。
4.一种基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法，所述方法包括：
5.在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从所述脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；
6.通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对所述激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。
7.在其中一个实施例中，还包括：通过基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块对由双束对射激光驱动超薄靶生成激光中子源的过程进行模拟，对所述激光中子源产生中子的中子能量、角分布、脉冲宽度、体产生率、产生率以及中子产额信息进行分析。
8.在其中一个实施例中，还包括：所述激光为圆极化激光。
9.在其中一个实施例中，还包括：在设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为左旋，或者左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋时，均设置两束圆极化激光的相对相位差为0，使所述激光中子源产生中子的中子产额最大。
10.在其中一个实施例中，还包括：在设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋时，设置两束圆极化激光的相对相位差为0.5π或1.5π，使得所述激光中子源产生的中子具有较好的角分布和前向性。
11.在其中一个实施例中，还包括：在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从所述脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；所述激光中子源的脉冲宽度能够达到23.1fs。
12.上述基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法，通过在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。本发明大大拓宽了所产生脉冲中子源的使用
场景与应用潜力。
附图说明
13.图1为一个实施例中基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法的流程示意图；
14.图2为一个实施例中双束对射激光与超薄靶相互作用产生中子示意图；
15.图3为一个实施例中不同电场矢量旋转方向和初始相对相位差的圆极化双束激光从左右侧对射的示意图；
16.图4为一个实施例中基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块流程图；
17.图5为另一个实施例中不同物理参量下的中子能谱图，其中，(a)为rcp+lcp情形下不同物理参量下的中子能谱图，(b)为rcp+rcp情形下不同物理参量下的中子能谱图；
18.图6为另一个实施例中t＝25t0时刻不同物理参量下的中子角分布图，其中，(a)为rcp+lcp情形下不同物理参量下的中子角分布图，(b)为rcp+rcp情形下不同物理参量下的中子角分布图；
19.图7为另一个实施例中不同物理参量的中子产生率随时间的变化关系图，其中，(a)为rcp+lcp情形下不同物理参量的中子产生率随时间的变化关系图，(b)为rcp+rcp情形下不同物理参量的中子产生率随时间的变化关系图；
20.图8为另一个实施例中不同φ
51
条件下，t＝32t0时刻不同情形下中子产生率空间分布图，其中，(a)-(d)为rcp+lcp情形下中子产生率空间分布图，(e)-(h)为rcp+rcp情形下中子产生率空间分布图；
21.图9为另一个实施例中不同物理参量的中子产额随时间的变化图，其中，(a)为rcp+lcp情形下不同物理参量的中子产额随时间的变化图，(b)为rcp+rcp情形下不同物理参量的中子产额随时间的变化图；
22.图10为另一个实施例中不同φ
51
条件下，t＝50t0时刻不同情形下中子产生率空间分布图，其中，(a)-(d)为rcp+lcp情形下中子产生率空间分布图，(e)-(h)为rcp+rcp情形下中子产生率空间分布图。
具体实施方式
23.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
24.在一个实施例中，如图1所示，提供了一种基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法，包括以下步骤：
25.步骤102，在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源。
26.如图2所示为双束对射激光与超薄靶相互作用产生中子示意图。本实施例中，激光为圆极化激光，超薄靶为氘靶，当双束圆极化激光与氘靶相互作用时，氘离子在压缩过程中会发生d-d聚变反应，从而产生中子。
27.步骤104，通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对激光中子源产
生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。
28.本发明考虑两束激光的初始相对相位差(irpd，变量φ
51
)以及圆极化激光电场矢量旋转方向对相互作用过程的影响，通过基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块对由双束对射激光驱动超薄靶生成激光中子源的过程进行模拟，对所述激光中子源产生中子的中子能量、角分布、脉冲宽度、体产生率、产生率以及中子产额信息进行分析，发现能够通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。
29.其中电场矢量旋转方向包括左旋(lcp)和右旋(rcp)。针对圆极化激光进行两组分类，如表1所示。
30.左侧入射激光右侧入射激光φ
51
φ
51
φ
51
φ
51
rcplcp0π/2
π
3π/2rcprcp0π/2
π
3π/2
31.表1圆极化激光变量分类
32.图3给出不同电场矢量旋转方向和初始相对相位差的圆极化双束激光从左右侧对射的示意图，两个坐标轴代表两束激光的出发位置坐标，即对应模拟盒子的两个边界界面。
33.为了与epoch程序的坐标系规则统一，规定激光传播方向为x轴，竖直向上的方向为y轴，z轴通过右手螺旋定则来确定。对于变量初始相对相位差φ
51
，固定左侧入射激光的初始相位角为0度，即初始时刻的电场矢量方向和z轴正方向一致，通过改变右侧入射激光初始电矢量方向，使得两束激光电矢量方向存在夹角φ
51
。需要说明的是，对于rcp+lcp情形，φ
51
在激光传播过程中保持固定值不变，但对于rcp+rcp情形，φ
51
会在传播过程周期性变化。
34.分析发现，rcp+lcp、rcp+rcp情形下均是φ
51
＝0对应的中子产额最高；另外对中子体产额的空间分布进行观察，发现双束对射激光可以有效地操控不同需求的中子源产生中子，尤其是在角分布以及前向性上，参数(rcp+rcp,φ
51
＝0.5π)和(rcp+rcp,φ
51
＝1.5π)都会带来很理想的效果，也就是能够实现中子的定向发射。
35.上述基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法中，通过在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。本发明大大拓宽了所产生脉冲中子源的使用场景与应用潜力。
36.在一个实施例中，通过基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块对由双束对射激光驱动超薄靶生成激光中子源的过程进行模拟，基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块流程图如图4所示。
37.两束激光从模拟区域的左右边界同时垂直入射，设置模拟盒子的长度为36μm，高度为24μm。在一维模拟环境中，在x方向使用的空间分辨率为0.0002μm，而在二维模拟阶段，在x方向和y方向的空间分辨率均为0.002μm，其他参量均保持一致。
38.氘固体靶位于模拟盒子的中央，固体靶前表面距离模拟空间区域的左边界d1＝17.95μm，超薄靶厚度d＝0.1μm，高度为h＝24μm，和模拟盒子的高度一致。固体靶由氘离子和电子组成，氘离子和电子的数密度均为50nc，其中nc＝1.1
×
10
27
m-3
是激光波长λ0＝1μm对
应的等离子体临界密度。网格分辨率，每个网格放置50个氘离子和50个电子。对于圆极化激光，两束激光的强度均为其中归一化振幅e0是激光最大电场幅值，e和me分别是电子电荷和质量，c是激光在真空中的光速。激光焦斑半径σ
l
＝6μm，脉冲宽度τ
l
＝10t0，其中t0＝3.3fs是激光周期。
39.利用pic程序获得氘离子的位置信息和速度信息，根据氘离子位置将其分配到不同的网格中，再对每个网格内的氘离子进行随机抽样，将离子两两配对，计算得到每对离子对产生中子的信息。通过查阅文献，得到了d(d,n)3he反应的微分截面dσ/dω数据。以角度θn出射的中子能量可以表示为：
[0040][0041]
其中η＝(mn+m
he
)(m
he-md+m
he
q/εr)/mdmn，q＝3.266mev是该反应的反应能，mn和m
he
分别是中子质量与氦核质量；εr＝mrv2/2为碰撞中心的质量能(mr＝mdmd/(md+md)＝md/2为约化质量)，和是pic程序中输出的离子速度信息，是两个碰撞离子的相对速度。代入已知参量，可以将式(1)简写为：
[0042][0043]
通过对微分反应截面进行插值，可以得到每个碰撞能εn与微分截面的映射关系，这样可以通过σ＝∫(dσ/dω)dω计算得到反应总截面，每个网格对应的中子体产生率为再对网格体积进行积分得到中子产生率pn＝∫rndv，中子产额也可以通过nn＝∫pndt计算得到。因此，根据公式(2)和微分截面的数据，可以计算得到中子的体产生率rn、中子产生率pn以及产额nn，同时也能得到中子的能量分布与角分布。
[0044]
图5是不同相对相位角和激光旋转方向的情况下的不同中子能谱。通过参数扫描可以得到在参数rcp+lcp的情形明显观察到φ
51
＝0产生的中子能量明显高于其他参数，最大的中子能量可以达到13.2mev，并且在高能中子数密度方面也是最理想的。同时对于rcp+rcp情形，不同的相对相位差均可以体现出能谱的特征峰。
[0045]
中子的角分布是判断和衡量中子源品质的重要参数，通过使用微分反应截面就可以诊断d-d反应产生中子的角分布特性。图6是在第25个激光周期对应的中子产生的角分布，可以观察到在不同参数下，产生中子的角分布前向性均比较理想，因此可以初步判断两类物理参量对角分布的影响并不显著。
[0046]
中子源的脉冲宽度τn是重要的物理参量之一，不同脉冲宽度的中子源具有不同的应用价值。图7是在不同情形下的中子反应率随时间的变化关系，本发明可以实现脉冲宽度约为23.1fs的脉冲宽度，这为激光中子源带来了许多新型应用场景与巨大的潜力。相较于其他中子源，本方法产生的激光中子源在脉冲宽度方面具有很大的优势，现有技术的中子源脉冲宽度一般是ps量级，本发明通过使用超薄靶与对射相互作用的机制来得到更短脉冲宽度的中子源，通过本方法，我们获得了飞秒量级的脉冲中子源，这比一般的中子源产生的
脉冲宽度缩短了50倍左右，这使得本方法产生的中子源将会获得更多的应用场景，例如中子治癌等重要应用。
[0047]
图8是根据t＝32t0下的中子产生率所绘制的二维伪彩图。由于在模拟盒子内部的中子产生率差别巨大，为了更加直观地显示中子产生率的空间分布，将模拟结果取对数处理，从而得到了图像所示的结果。首先分析图8(a)-(d)所对应的rcp+lcp情形：观察φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π情况可以发现在固体靶膨胀的内部中子产生率要高于外侧的情形，同时由于中子在两束激光的共同作用下出现了移动，这也为中子的前向性提供了支持；对于φ
51
＝π时的情形，可以发现中子基本稳定在氘靶位置产生。对于rcp+rcp情形，中子的产生率都是在固体靶附近产生，并且在φ
51
＝0的时候产生率最大。
[0048]
中子产额是评价中子源品质的重要参量，因此研究中子产额是很有必要的。首先分析图9(a)给出的rcp+lcp情形，得到了最大的中子产额为φ
51
＝0情况对应的9.1
×
104，对于φ
51
＝π的情形，由于稳态解的存在导致氘离子在温度上无法与其他参数相比较，同时φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π的最终产额是一样的，这也验证了后处理模块的正确性。在图9(b)给出的rcp+rcp情形中，发现φ
51
＝0的最大中子产额达到了1.37
×
105，远高于其他任何物理参数，同时通过模拟发现，这种情形下的中子空间分布程度也是最广泛的。
[0049]
对于rcp+lcp对应的图10(a)-(d)，最值得关注的是φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π的情况，可以看到这类激光中子源体现出来良好的角分布和前向性，这是评价中子源品质的重要参量，同时这两种参量对应的中子产额也比较理想，这为激光操控中子的角分布提供了新的思路。φ
51
＝0时中子体产额的空间分布主要是由不稳定性导致的，但是这也造成中子源的角分布不够理想；对于φ
51
＝π的情形，由于存在稳态解，中子的产额与空间分布较于其他三组参数存在一定的劣势。
[0050]
观察图10(e)-(f)，首先可以看到产额最大的φ
51
＝0表现出了最强的分布特征，并且沿着中轴线方向出现了周期性的中子空间分布；φ
51
＝0.5π和φ
51
＝1.5π的中子产额在空间分布中出现了近似于平行的中子束流，并且在中子源产生的中心区域表现出了锯齿状的周期排列；当φ
51
＝π时的中子源并没有明显的前向性，在产额方面也不是很突出。
[0051]
本实施例提出了一种六维评价机制，用以评价激光中子源的品质。通过从中子产额、中子能量、中子角分布、中子产生率、中子体产生率、脉冲宽度等信息来对不同的激光中子源装置进行评价，从而能够与实际应用相结合，更好地将激光中子源与实际应用相融合。
[0052]
应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
[0053]
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0054]
以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。

技术特征：

1.一种基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法，其特征在于，所述方法包括：在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从所述脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对所述激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过基于蒙特卡洛方法的中子后处理模块对由双束对射激光驱动超薄靶生成激光中子源的过程进行模拟，对所述激光中子源产生中子的中子能量、角分布、脉冲宽度、体产生率、产生率以及中子产额信息进行分析。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光为圆极化激光。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对所述激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，包括：在设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为左旋，或者左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋时，均设置两束圆极化激光的相对相位差为0，使所述激光中子源产生中子的中子产额最大。5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，实现中子的定向发射，包括：在设置左侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋、右侧入射圆极化激光的电场矢量旋转方向为右旋时，设置两束圆极化激光的相对相位差为0.5π或1.5π，使得所述激光中子源产生的中子具有较好的角分布和前向性。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从所述脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源，包括：在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从所述脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；所述激光中子源的脉冲宽度能够达到23.1fs。

技术总结

本申请涉及一种基于双束对射激光驱动超薄靶的脉冲中子源产生方法。所述方法包括：在脉冲中子源装置的中央设置超薄靶，将两束激光从脉冲中子源装置的左右边界同时垂直入射，生成激光中子源；通过改变两束激光的电场矢量旋转方向和相对相位差，对激光中子源产生中子的中子产额进行操纵，并实现中子的定向发射。本发明大大拓宽了所产生脉冲中子源的使用场景与应用潜力。与应用潜力。与应用潜力。