基于折射率调制效应的全光固态皮秒分辨X射线探测技术研究

发布时间：2020-09-01 16:33

　　在高能密度物理、天体物理和等离子体辐射研究中,涉及许多皮秒级单次事件,皮秒时间分辨X射线诊断技术一直是这些领域研究与开发的重点。利用折射率调制效应实现X射线的高时间分辨探测是国际上最近提出的超快诊断新概念,通过该概念的深化延伸,试图研制出一种具有皮秒/亚皮秒时间分辨的X射线探测器件,构建全光调制超快诊断实验系统,以期解决激光等离子相互作用研究中的皮秒时间分辨诊断难题。本论文基于折射率调制效应,使用“X射线调制器”(X-ray modulator,XM)和“光偏转器”(Beam defelection device,BDD)结合的方法,设计了一种可实现皮秒时间分辨的全光固态X射线探测器。通过对其工作机理的理论研究和探测器样件的制备与测试,阐明了其工作机理,研究了探测器结构、材料参数、激光参数对探测性能的影响,验证了全光固态X射线探测器原理的可行性。本论文的主要研究内容如下:1.在分析X射线对GaAs材料辐射调制效应的基础上,建立了X射线诱导载流子浓度模型。详细分析了GaAs材料中光注入载流子效应对折射率变化的影响,给出了能带填充效应、带隙缩小效应和自由载流子吸收效应引起的载流子浓度和折射率之间的函数关系。通过仿真计算,得到当探针光光子能量位于禁带宽度附近时,系统的探测灵敏度最高,当载流子浓度达到(10~(19)cm~(-3))时,折射率变化幅度可达10~(-1)量级。2.设计了新型全光固态X射线探测器(All Optical Solid-state X-ray Detector,AOSXD)。通过X射线调制器实现X射线向光学域的下转换,X射线调制器选用低温生长GaAs(Low temperature grown GaAs,LTG-Ga As)作为敏感区,将探测器的时间响应缩短至百飞秒量级,结构上采用法布里-玻罗腔(Fabry-Perot cavity,F-P腔),既提高了探测效率,又将探针光的相位信息转为光强信息;通过光偏转器完成时间向空间信息的转换,光偏转器中选用不同组份的AlxGa1-xAs分别作为波导芯层和包层,配合瞬态棱镜的设计实现探针光的扫描偏转。3.基于泵浦-探针法对半导体中载流子动力学特性进行了实验研究,给出探针光反射强度与载流子动力学过程之间的关系。分析了自由载流子、晶格温度、载流子复合等效应对时间分辨的影响。结果表明,通过在材料中引入深能级缺陷的方法可使X射线调制器的时间分辨提高到皮秒甚至亚皮秒量级。通过理论计算与数值模拟的方法详细分析了瞬态棱镜设计、探针光反射、载流子扩散和色散效应、泵浦光的非一致性等对时间分辨的影响,并提出优化措施。4.设计和制备了X射线调制器和光偏转器,搭建了X射线皮秒时间分辨实验演示系统,对AOSXD系统进行原理验证和指标测试测试。结果表明:AOSXD系统的静态空间分辨为5lp/mm,时间分辨率约为6ps,证实了AOSXD探测器方案的可行性与实验设计的正确性。本论文的创新意义主要体现在以下几个方面:1.首次提出了使用“X射线调制器”和“光偏转器”结合的方法,实现对X射线全光固态皮秒时间分辨探测,并设计出全光固态结构的探测器,完成了探测器样件的制备,实验验证了其进行皮秒时间分辨探测的可行性。2.建立了X射线诱导折射率变化的理论模型,研究出能带填充、带隙收缩和自由载流子吸收效应与折射率变化之间的关系,给出了载流子浓度、折射率变化和探针光选取的理论依据,为X射线和其它高能粒子的超高时间分辨探测提供了理论借鉴,对推动全光固态超快诊断方法意义重大。3.理论给出了探测器材料参数、腔体设计、瞬态棱镜参数、探针光参数、载流子扩散效应、探针光色散效应、泵浦光不均匀性等因数对时间分辨率的影响权重,并提出优化措施,对全光固态探测器的设计与工程实施具有指导意义。4.通过本课题的研究,探索了采用全光固态方式实现X射线皮秒时间分辨探测的新途径,本文建立的研究方法可推广至其它高能粒子的探测,由此组建的超快诊断系统可广泛应用于深空探测、核物理、高能物理等学科领域。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2016
【中图分类】：TL816.1
【部分图文】：

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[9-12]。图 1-1 给出各类超快过程（现象）典型的时间、空间尺度特征。图1-1 多类高时空分辨物理、化学、生物过程示意图超快诊断技术在爆炸物理、凝聚态物理、原子物理、激光物理、等离子物理、光生物以及光化学等诸多领域存在着广泛应用，特别是在皮秒乃至飞秒量级时间

激光惯性约束聚变,驱动机理,能量转化,X射线

直接驱动：该方式效率较高，但超高倍率的压缩需要驱动激光在 4 立体角内均匀入射靶丸表面，因此工程实现颇具挑战。图1-3 激光惯性约束聚变间接驱动机理间接驱动：如图 1-3 所示，采用激光束照射靶腔，光束能量转化成为 X 射线辐射，X 射线通过输运加热氘氚靶丸。目前，惯性约束聚变研究多集中于间接驱动，主要是由于其对流体力学不稳定性的敏感度需求降低。尽管直接驱动与间接驱动各有优劣，但这两种驱动方式均对激光装置提出非惯性约束聚变(ICF)的四个阶（纳秒量级）激光射内爆压缩聚变点火聚变燃烧照均匀性测量压缩对称性测量高温、高密度测试超快诊技术在激光核聚变过程中的应用持续时间测量

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[23]。图1-4 快点火原理示意图快点火相比于前两种驱动方式的优势在于[31]：第一，快点火极大降低了驱动器的能量需求，又容易获得较高的增益。第二，预压缩阶段对流体力学不稳定性不太敏感，且流体力学不稳定性变化不大。正是由于快点火概念的诸多优势，快点火物理过程的研究越来越被重视，美国、日本等国家的一些重点实验室，已开展了快点火方案的分解实验，以期从实验上验证快点火方案的可行性，国内对此也展开了相关研究。然而，快点火的存在定理有待进一步实验验证，特别是快电子的能量沉积率数据以及激光快电子转换率

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