在高能密度物理、天體物理和等離子體輻射研究中,涉及許多皮秒級單次事件,皮秒時間分辨X射線診斷技術(shù)一直是這些領(lǐng)域研究與開發(fā)的重點(diǎn)。利用折射率調(diào)制效應(yīng)實現(xiàn)X射線的高時間分辨探測是國際上最近提出的超快診斷新概念,通過該概念的深化延伸,試圖研制出一種具有皮秒/亞皮秒時間分辨的X射線探測器件,構(gòu)建全光調(diào)制超快診斷實驗系統(tǒng),以期解決激光等離子相互作用研究中的皮秒時間分辨診斷難題。本論文基于折射率調(diào)制效應(yīng),使用“X射線調(diào)制器”(X-ray modulator,XM)和“光偏轉(zhuǎn)器”(Beam defelection device,BDD)結(jié)合的方法,設(shè)計了一種可實現(xiàn)皮秒時間分辨的全光固態(tài)X射線探測器。通過對其工作機(jī)理的理論研究和探測器樣件的制備與測試,闡明了其工作機(jī)理,研究了探測器結(jié)構(gòu)、材料參數(shù)、激光參數(shù)對探測性能的影響,驗證了全光固態(tài)X射線探測器原理的可行性。本論文的主要研究內(nèi)容如下:1.在分析X射線對GaAs材料輻射調(diào)制效應(yīng)的基礎(chǔ)上,建立了X射線誘導(dǎo)載流子濃度模型。詳細(xì)分析了GaAs材料中光注入載流子效應(yīng)對折射率變化的影響,給出了能帶填充效應(yīng)、帶隙縮小效應(yīng)和自由載流子吸收效應(yīng)引起的載流子濃度和折射率之間的函數(shù)關(guān)系。通過仿真計算,得到當(dāng)探針光光子能量位于禁帶寬度附近時,系統(tǒng)的探測靈敏度最高,當(dāng)載流子濃度達(dá)到(10~(19)cm~(-3))時,折射率變化幅度可達(dá)10~(-1)量級。2.設(shè)計了新型全光固態(tài)X射線探測器(All Optical Solid-state X-ray Detector,AOSXD)。通過X射線調(diào)制器實現(xiàn)X射線向光學(xué)域的下轉(zhuǎn)換,X射線調(diào)制器選用低溫生長GaAs(Low temperature grown GaAs,LTG-Ga As)作為敏感區(qū),將探測器的時間響應(yīng)縮短至百飛秒量級,結(jié)構(gòu)上采用法布里-玻羅腔(Fabry-Perot cavity,F-P腔),既提高了探測效率,又將探針光的相位信息轉(zhuǎn)為光強(qiáng)信息;通過光偏轉(zhuǎn)器完成時間向空間信息的轉(zhuǎn)換,光偏轉(zhuǎn)器中選用不同組份的AlxGa1-xAs分別作為波導(dǎo)芯層和包層,配合瞬態(tài)棱鏡的設(shè)計實現(xiàn)探針光的掃描偏轉(zhuǎn)。3.基于泵浦-探針法對半導(dǎo)體中載流子動力學(xué)特性進(jìn)行了實驗研究,給出探針光反射強(qiáng)度與載流子動力學(xué)過程之間的關(guān)系。分析了自由載流子、晶格溫度、載流子復(fù)合等效應(yīng)對時間分辨的影響。結(jié)果表明,通過在材料中引入深能級缺陷的方法可使X射線調(diào)制器的時間分辨提高到皮秒甚至亞皮秒量級。通過理論計算與數(shù)值模擬的方法詳細(xì)分析了瞬態(tài)棱鏡設(shè)計、探針光反射、載流子擴(kuò)散和色散效應(yīng)、泵浦光的非一致性等對時間分辨的影響,并提出優(yōu)化措施。4.設(shè)計和制備了X射線調(diào)制器和光偏轉(zhuǎn)器,搭建了X射線皮秒時間分辨實驗演示系統(tǒng),對AOSXD系統(tǒng)進(jìn)行原理驗證和指標(biāo)測試測試。結(jié)果表明:AOSXD系統(tǒng)的靜態(tài)空間分辨為5lp/mm,時間分辨率約為6ps,證實了AOSXD探測器方案的可行性與實驗設(shè)計的正確性。本論文的創(chuàng)新意義主要體現(xiàn)在以下幾個方面:1.首次提出了使用“X射線調(diào)制器”和“光偏轉(zhuǎn)器”結(jié)合的方法,實現(xiàn)對X射線全光固態(tài)皮秒時間分辨探測,并設(shè)計出全光固態(tài)結(jié)構(gòu)的探測器,完成了探測器樣件的制備,實驗驗證了其進(jìn)行皮秒時間分辨探測的可行性。2.建立了X射線誘導(dǎo)折射率變化的理論模型,研究出能帶填充、帶隙收縮和自由載流子吸收效應(yīng)與折射率變化之間的關(guān)系,給出了載流子濃度、折射率變化和探針光選取的理論依據(jù),為X射線和其它高能粒子的超高時間分辨探測提供了理論借鑒,對推動全光固態(tài)超快診斷方法意義重大。3.理論給出了探測器材料參數(shù)、腔體設(shè)計、瞬態(tài)棱鏡參數(shù)、探針光參數(shù)、載流子擴(kuò)散效應(yīng)、探針光色散效應(yīng)、泵浦光不均勻性等因數(shù)對時間分辨率的影響權(quán)重,并提出優(yōu)化措施,對全光固態(tài)探測器的設(shè)計與工程實施具有指導(dǎo)意義。4.通過本課題的研究,探索了采用全光固態(tài)方式實現(xiàn)X射線皮秒時間分辨探測的新途徑,本文建立的研究方法可推廣至其它高能粒子的探測,由此組建的超快診斷系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于深空探測、核物理、高能物理等學(xué)科領(lǐng)域。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2016
【中圖分類】：TL816.1
【部分圖文】：

[9-12]。圖 1-1 給出各類超快過程（現(xiàn)象）典型的時間、空間尺度特征。圖1-1 多類高時空分辨物理、化學(xué)、生物過程示意圖超快診斷技術(shù)在爆炸物理、凝聚態(tài)物理、原子物理、激光物理、等離子物理、光生物以及光化學(xué)等諸多領(lǐng)域存在著廣泛應(yīng)用，特別是在皮秒乃至飛秒量級時間

直接驅(qū)動：該方式效率較高，但超高倍率的壓縮需要驅(qū)動激光在 4 立體角內(nèi)均勻入射靶丸表面，因此工程實現(xiàn)頗具挑戰(zhàn)。圖1-3 激光慣性約束聚變間接驅(qū)動機(jī)理間接驅(qū)動：如圖 1-3 所示，采用激光束照射靶腔，光束能量轉(zhuǎn)化成為 X 射線輻射，X 射線通過輸運(yùn)加熱氘氚靶丸。目前，慣性約束聚變研究多集中于間接驅(qū)動，主要是由于其對流體力學(xué)不穩(wěn)定性的敏感度需求降低。盡管直接驅(qū)動與間接驅(qū)動各有優(yōu)劣，但這兩種驅(qū)動方式均對激光裝置提出非慣性約束聚變(ICF)的四個階 （納秒量級）激光 射 內(nèi)爆壓縮 聚變點(diǎn)火聚變?nèi)紵站鶆蛐詼y量 壓縮對稱性測量 高溫、高密度測試超快診 技術(shù)在激光核聚變過程中的應(yīng)用持續(xù)時間測量

[23]。圖1-4 快點(diǎn)火原理示意圖快點(diǎn)火相比于前兩種驅(qū)動方式的優(yōu)勢在于[31]：第一，快點(diǎn)火極大降低了驅(qū)動器的能量需求，又容易獲得較高的增益。第二，預(yù)壓縮階段對流體力學(xué)不穩(wěn)定性不太敏感，且流體力學(xué)不穩(wěn)定性變化不大。正是由于快點(diǎn)火概念的諸多優(yōu)勢，快點(diǎn)火物理過程的研究越來越被重視，美國、日本等國家的一些重點(diǎn)實驗室，已開展了快點(diǎn)火方案的分解實驗，以期從實驗上驗證快點(diǎn)火方案的可行性，國內(nèi)對此也展開了相關(guān)研究。然而，快點(diǎn)火的存在定理有待進(jìn)一步實驗驗證，特別是快電子的能量沉積率數(shù)據(jù)以及激光快電子轉(zhuǎn)換率

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本文編號：2809981