超短超强激光装置电离辐射源项特性研究

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1、超短超强激光装置电离辐射源项特性研究(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：工程物理系学科：核科学与技术研究生：杨博指导教师：李君利教授二○一七年十一月CharacterizationofIonizingRadiationintheUltra-ShortUltra-IntenseLaserFacilityDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinNuclearScienceandTechnologybyYangB

2、oDissertationSupervisor:ProfessorLiJunliNovember,2017摘要摘要随着超短脉冲激光技术的快速发展，国际上不断涌现出功率密度（单位时间单位面积的能量）超过1018W/cm2的超短超强激光装置。这些装置的出现促成了众多前沿学科的出现和重大突破。同时，实验中观察到了超短超强激光与固体靶相互作用可以产生电离辐射，并且辐射剂量显著，从而对装置周围的环境和人员带来了辐射风险。由此，作为一类新的辐射源，超短超强激光装置的电离辐射防护问题非常有必要研究。关于超短超强激光装置中的电离辐射防护问题，目前国际上开展的研究十分有限。亟待解决的关键问题是如何准确地评估这

3、类新型辐射源产生的电离辐射危害，即需要对这类新型辐射源的辐射类型、辐射水平、能量特性及其他源项特性进行研究。为此，本论文主要开展了以下研究工作：1.根据近年来激光等离子体领域最新的研究成果，对超短超强激光驱动的高能电子和质子源项进行了归纳分析，建立起了关键源项特性参数（如产额、能谱、角分布）与激光等离子体参数之间的联系。2.在系统分析超热电子源项的基础上，提出了一个X射线剂量估算公式，该公式可以较为准确地估计强激光与固体靶相互作用产生的X射线剂量；建立了一个强激光固体靶X射线能谱理论计算模型，并以此研究了X射线能谱随超热电子、靶参数的变化。另外，针对强激光固体靶超热电子能量类指数分布的特点，

4、研究了其所致X射线的衰减规律，并分析了其与一般X射线屏蔽的差异。3.本文在强激光装置“星光-III”上测量了强激光与固体靶相互作用产生的超热电子能谱、X射线剂量角分布以及X射线能谱，并对所建立的理论模型进行了验证。本实验还对不同类型的剂量探测器在该类超短脉冲辐射场下的工作性能进行了测试。测量结果为评估“星光-III”装置的辐射安全特性提供了重要的实验数据。4.针对目前超短超强激光产生高能中子源的两种方式(光核中子源和束靶中子源)，本文分别对其中子产额和能谱进行了理论模拟研究，并建立了一个强激光固体靶光中子产额理论计算模型，可以计算不同超热电子、靶参数下的光中子产额。研究结果为评估超短超强激光

5、装置中的中子电离辐射危害提供了参考。关键词：超短超强激光；固体靶；电离辐射；辐射防护IAbstractAbstractWiththerapiddevelopmentofultra-shortlasertechnology,theultra-shortultra-highintensitylaserfacilityiscontinuouslyemergingintheworld,whichcanprovidelaserbeamswithintensitylargerthan1018W/cm2.Theemergenceofthesedeviceshasledtoawiderangeofcutti

6、ng-edgedisciplinesandmajorbreakthroughs.Atthesametime,ithasbeenprovedthattheinteractionbetweenthehigh-intensitylaserandasolidtargetproducesvariousionizingradiationandsignificantdose,thusresultinginapotentialradiologicalhazardtotheenvironmentandpeoplearoundthefacility.Therefore,itisnecessarytostudyt

7、heradiationprotectionforthiskindofnewradiationsourceinthehigh-intensitylaserfacility.Todate,onlylimitedstudieshavebeenconductedonthislaser-inducedradiologicalprotectionissue.Thekeyproblemthatneedstoberesolv