下载文档原格式
高能物理学的最新进展及未来发展趋势高能物理学是如今最先进和最高层次的科学研究领域之一，主要研究粒子物理、宇宙学和相对论等方面。
目前，随着科技水平的不断提升和技术手段的日益完善，高能物理学的研究也在不断向前推进。
本文将介绍高能物理学的最新进展及未来发展趋势。
一、粒子物理的最新进展1.1 极亮光子学极亮光子簇是由高能电子束激光物理装置产生的一种粒子束，具有极高能量和强度。
进一步的研究表明，极亮光子学可以实现目前最高的光子能量和较高亮度的发射，这将成为研究粒子物理和核物理的一种有效途径。
1.2 质子加速器质子加速器是高能物理研究中应用广泛的一种设备，它可以帮助研究人员进行高能量物质的研究，如实验室制造黑洞、研究核聚变和观察暗物质等。
目前，世界上最大的质子加速器是瑞士的“大型强子对撞机”，其运行已经取得了一系列重要的成果，如发现希格斯玻色子、解开物质的起源之谜等。
二、宇宙学的最新进展2.1 暗物质宇宙学研究中的一个热点话题是暗物质的探索。
暗物质是组成宇宙物质的一种未知物质粒子，它只与普通物质通过引力相互作用，因此难以直接探测。
当前，研究人员通过气体引力波、宇宙背景辐射等手段来探索暗物质，并取得了一些重要的进展。
2.2 宇宙膨胀宇宙膨胀是宇宙学中的另一个热点问题。
当前，研究人员通过观察宇宙微波背景辐射和超新星等手段来探索宇宙膨胀，随着技术的不断提升，这个领域的研究也将有更深入的发展。
三、相对论的最新进展3.1 空间和时间的关系在相对论的研究中，物理学家们一直在探索空间和时间的本质关系。
最新的实验研究表明，当光线通过遥远星系和星团时，光线会向宇宙中心偏转，这表明空间会随着时间而扭曲变形，这为我们的理解提供了新的思路和框架。
3.2 黑洞研究相对论中的重要研究领域之一是黑洞。
黑洞是一种极端情况下产生的现象，它是物体的完全坍塌，形成了一个具有极大引力的区域。
随着技术的不断进步，物理学家们研究黑洞的能力也越来越强，这为我们进一步了解宇宙和宇宙结构提供了重要的理论支持。
高能电子轰击金属靶产生正电子的模拟研究张登红;袁肖肖;王伟;于得洋;蔡晓红【摘要】建立了高能电子束与固体作用产生正电子的蒙特卡罗模拟模型.得出了金属靶材料,靶厚度,电子束能量等对正电子产额的影响.模拟实验表明,金作为靶材料,正电子的产额最高.实验中1 cm为最优靶厚度,在此厚度之外,正电子随着厚度增加而减少;对于电子束的能量而言,能量越高,正电子的产额越高,提高电子束能量是增加正电子产额的有效途径.此外,模拟实验还给出了以正电子为主的次级粒子的角分布及能谱,结果表明,次级粒子主要包括正电子,光子,及少量的中子和质子,而且,正电子发射具有明显前倾的特点,能量呈类麦克斯韦分布.【期刊名称】《西北师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(054)006【总页数】5页(P47-51)【关键词】高能电子束;正电子;能谱;金属靶【作者】张登红;袁肖肖;王伟;于得洋;蔡晓红【作者单位】西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃兰州730070;西北师范大学物理与电子工程学院,甘肃兰州730070;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000【正文语种】中文【中图分类】O572.32+2自从1936年Anderson[1]发现正电子以来，正电子在很多领域已经得到很大的应用.获取符合能量需求和束流强度的正电子源，并将其在加速器上实现变得非常重要.自从Stanford[2]在Stanford Mark Ⅲ直线加速器上产生正电子束之后，利用高能电子轰击金属靶，在电子-伽马簇射的基础上产生正电子的研究一直受到人们的广泛关注，但是这样级联簇射产生的正电子有着很宽的能谱和横问动量分布.因此模拟和测量高能正电子的角分布和能谱就很有必要.在北京正负电子对撞机(BEPC)的正电子源的设计中[3-4]，由于需要收集产生的正电子，很难被后面的加速系统直接俘获，所以更需要良好的正电子源，对于正电子的角分布和能谱的测量就很必要.另外，正电子谱学的发展在探查微观物质的结构等方面有很重要的应用[5].在原子结构的基础研究方面[6]，利用高能电子束轰击原子，通过产物来验证理论模型的正确性也是一个重要的研究方向.因此，为了产生较为理想的正电子，需要对影响正电子产额的因素进行细致的研究，诸如靶材料，电子能量，次级粒子的类型，以及正电子的能谱和角分布等.本文采用Geant4模拟产生正电子过程，给出了靶材和靶厚对正电子产额的影响，并且给出了正电子的角分布和能谱，拟合给出了不同的电子能量对正电子产额的影响.1 Geant4 物理模型的建立Geant 4模拟计算高能电子束与金属靶作用的物理模型如图1所示.图1 高能电子与金属靶作用Geant 4模型Fig 1 Geant 4 model for high-energy electrons and metal targets靶的形状为圆柱体直径Φ=1 cm，厚度可调.在靶前端为外半径为80 cm，内半径为70 cm的半球形探测器.可收集束流方向0～2π范围立体角内的正电子.入射电子的能量可调，高能电子束束流宽度为2 mm.跟踪电子数目为3×105个，靶材料分别为铝、钛、铁、铜、钽、金、铅和银.为了得到出射正电子的角分布，需要在上述模型的基础上进行改进，在本实验中，在距靶中心30 cm的圆周上0°～90°范围等角度间隔设置了7个相同规格的模拟灵敏探测器，其主要用途是记录打到探测器上正电子的个数以及沉积能量.0°角探测器的表面中心与束流、靶在同一条直线上，且与束流的方向垂直(图2).图2 正电子角分布Geant4模型Fig 2Geant4 model of positron distribution 2 高能电子束与金属靶作用的物理过程考虑到上述过程的复杂性，本实验采用Geant4物理库QGSP_BERT[7]，该物理库中包含了所有所需的物理过程.考虑的主要物理过程有轫致辐射、电子对效应和正负电子湮灭.主要物理过程的截面都是由该过程发生的双微分截面(Difference cross section，简称 DCS)来确定.高能电子在原子核的库伦场中发生轫致辐射，动能为T的电子穿过单位厚度dx的介质，产生光子能量为E，其截面为[8]488其中，α为精细结构常数;re为经典电子半径;Na为阿伏伽德罗常数;F(E,v)为介质中原子核电荷外层电子而引起的屏蔽作用.由(1)式可以看出，产生光子的几率与Z和质量数A以及原子序数均有关系.原子序数越高，电子的能量越大，发生轫致辐射的几率越高.正负电子湮灭过程是影响正电子产额的主要因素之一，该截面为[9]37其中，γ为正电子的洛伦兹因子.可以看出，正负电子湮灭过程与靶材料以及正电子的入射能量有关.对于高能光子与核的作用，能量为E的穿过介质厚度为dx产生正电子的截面为[8]488其中,v为正电子能量所占光子总能量的份额；G为影响核电场屏蔽的因子.由(2)式可以看出，光子转换为正负电子对与靶材料和光子的能量有关，光子能量越高，反应截面越小.在模拟过程中，先对电子采样，发生韧致辐射之后，高能电子的能量转换为正负电子对，正负电子对在库伦场中，正电子与电子湮灭.由以上截面公式可知，截面大小与靶材料，入射电子能量以及产生的高能光子湮灭等相关.3 Geant 4模拟结果3.1 靶材料对正电子产额的影响在此次实验中，设定高能电子束的能量为500 MeV，追踪初级电子个数为3×105个，靶的厚度为2 cm.采用上述Geant 4几何模型和物理模型对铝、钛、铁、锡、钽、铜、金和铅等8种靶材料在2π立体角内发射的电子总产额进行模拟，结果如图3所示.正电子产额归一化到单位入射电子.通过模拟可以发现，正电子的产额与原子序数不是单纯的线性关系，金靶为正电子相对产额最高的靶材料.高能电子与金属靶作用产生正电子的过程(Bethe0Heitler,简称BH)主要可以近似为两步过过程，第一为高能电子在靠近靶核时，电子减速，多余的能量以光子的形式放出，即电子发生韧致辐射放出X射线，其中电离激发退激发也会产生特征X射线；第二步为以上过程放出的高能光子与靶核作用，发生电子对效应，一个光子变为一对正负电子.通过以前的研究已经确定[10]，高能电子与厚靶作用时占主导作用的是BH过程.图3 不同靶材料的正电子产额Fig 3Positron yield for different target material 由于产生正电子为韧致辐射占主导，则高能电子与靶作用发生轫致辐射放出光子的产额Y(e)与电子发生韧致辐射的截面和靶的原子密度N的乘积成正比，即[10]488Y(e)∝(Z2Ni)2=(Z2ρNA/A)2,其中,Z为靶核原子序数;N为靶核的数密度;NA为阿伏伽德罗常数;ρ为靶材料密度;A为靶原子质量数.通过以上的分析不难看出，金靶的正电子产额值最大.3.2 靶厚对正电子产额的影响对于电子与靶的作用，靶越厚，原子核密度越大，高能电子与靶的作用过程中，受到靶原子库仑场的影响就会越大，韧致辐射的截面也会越大，高能光子与靶原子核作用产生的正电子也越多.但由Henderson[22]等的模拟结果发现，在正电子与靶物质作用的过程中，如果靶过厚，使正电子与电子湮灭而不能逃出靶外,会有一个最佳靶厚度.因此，在靶材料为金的情况下，分别模拟了不同电子束能量下靶的厚度对正电子产额的影响(图4).从图4中可以看出随着能量的增加，正电子的相对产额也随之增加.随着靶厚的增加，正电子的产额有一个明显的峰值，最佳靶厚为1 cm.而随着靶厚的继续增加，正电子的产额有逐渐降低的趋势，这是由于靶厚增加，电子密度增加，正电子与靶电子湮灭，而此时湮灭的光子能量相对较低，产生正电子的几率减小.图4 不同电子束能量下正电子产额与靶厚的关系Fig 4 Positron yield versus target thickness for different electron beam energy为了得出电子束能量与正电子产额的关系，在金靶厚度为1 cm时，模拟给出了电子束能量与正电子产额的关系曲线.并对该曲线进行二次多项式拟合，拟合方程为y=0.45956x2+0.30017x+0.00188.正电子最高产额约为2.98×107个(图5).图5 正电子产额与电子束能量的关系Fig 5Positron yield versus electron beam energy从图5可以看出，在靶厚等相关参数确定的条件下，随着电子束能量的增加，正电子的产额急剧升高，由文献[12]可知，对于高能光子和原子序数较高的原子相互作用，或者入射光子的能量大于100 MeV的情况下，电子对效应占主导地位，而且随光子能量的增加而增加.3.3 正电子及主要次级粒子的角分布及其能谱电子束与厚靶材料作用的过程中，BH过程占主导.为得到该过程中产生正电子的角分布，在Geant 4中建立了图2所示的模型，由于在空间上的对称性，追踪了0°～90°范围内的正电子产额，七个探测器可以同时工作，追踪同一次事件中正电子在不同角度到达探测器的数额.模拟跟踪电子数为3×105个.得到的正电子角分布如图6所示.可以看出，正电子的角分布呈现明显前倾的趋势，随着能量的增加，前倾的趋势趋于稳定.由此可以得出，正电子的角分布具有前倾趋性，且这种前趋性不会随着电子的能量而有太大的变化.图7给出了电子束能量为1.5 GeV时，正电子在探测器0°，45°，90°这3个方向上的沉积能量谱模拟结果.从图中可以看出，3个能量都呈现类麦克斯韦分布.0°方向的能谱最高.图6 正电子的角分布Fig 6Positron angular distributions图7 不同出射方向的正电子能谱Fig 7 Positron energy spectra measured in different directions3 结束语利用蒙特卡罗程序Geant4对高能电子束轰击固体靶中的输运规律进行了模拟.利用该模型研究了能量在100 MeV～1.5 GeV的电子束与固体靶的作用过程.研究发现，金靶为最佳靶材料；在电子束能量确定的条件下，靶厚对正电子的产生也有影响，1 cm为最佳的靶厚；同时对1 cm靶厚下电子束能量与正电子产额关系进行结果拟合，拟合表明提高正电子产额的方法之一是提高电子束能量.正电子的产生具有明显能量前倾的特点，而且能量越高前倾越明显.产生正电子能量为类麦克斯韦分布.参考文献:(责任编辑孙对兄)【相关文献】[1] ANDERSON C D.The positive electron[J].Phys Rev,1933,43(6):491.[2] YOUNT D,PINE J.Production of positrons with the Stanford Mark IIIaccelerator[J].Nuclear Instruments and Methods,1962,15(1):45.[3] WU Jia-ming,YEH Shyh-An,HSIAO Kuan-yin,et al.Far infrared for decreasing surface radiation dose of phantom with EBT film dosimetry[J].Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.2011.652(1):701.[4] BUTSON M J,CHEUNG T,YU P,et al.Evaluation of a radiotherapy electron contamination deflecting system[J].Radiation Measurements,32(2):101[5] SUZUKI R,OHDAIRA T,UEDONO A,et al.Positron annihilation in SiO2 -Si studied by a pulsed slow positron beam[J].Applied Surface Science,2002,194(1):89.[6] MILLS A P.Surface analysis and atomic physics with slow positronbeams[J].Science,1982,218:4570.[7] Physics reference manual[EB/OL].[2018-05-16]http://www/geant4/org/geant4/support/proc_modcata_log/physics_lists/reftencePL.shtml.[8] ROSSI B B.High Energy Particles[M].Englewood Cliffs,NJ:Prentice-Hall,1954.[9] NELSON W R,HIRAYAMA H,ROGGERS D W.EGS4 Code System[R].Stanford:Stanford Linear Accerator,Stanford University,1985.[10] 闫永宏,吴玉迟,董克攻,等.激光固体靶相互作用产生正电子的模拟研究[J].强激光与粒子束,2015,27(11):106.[11] HENDERSON A,YEPES P,CHEN H,et al.Monte Carlo simulation of pair creation using petawatt lasers[J].Astrophysics and Space Science,2011,336(1):273.[12] KOCH H W,MOTZ J W.Bremsstrahlung cross-section formulas and related data[J].Rev Mod Phys,1959,31(4):920.。
相对论激光与物质强场作用效应相对论激光与物质强场作用效应是研究激光与物质相互作用的重要课题之一。
随着激光技术的不断发展，人们对于激光与物质相互作用的认识不断深入，发现了相对论激光与物质强场作用效应对于物质特性和激光应用具有重要意义。
本文将重点介绍相对论激光与物质强场作用效应的原理和应用。
一、相对论激光与物质强场作用效应的原理相对论激光与物质强场作用效应是指当物质与强激光场相互作用时，在高强度场的作用下，物质的行为表现出相对论效应。
由于强激光场的高能量、高功率和高强度特性，使得物质在激光作用下发生非线性效应和量子效应。
这些效应主要包括光场吸收、自由电子运动、电子-正电子产生等过程。
在相对论激光与物质相互作用中，光子产生的高能量将通过电子的吸收，使得电子的运动速度逼近光速，从而发生相对论效应。
在强激光场下，电子的动能增加，相对论质量增加，不断接近极端相对论，产生相应的相对论效应。
这些效应包括多普勒效应、质量增加效应等，对物质特性有着重要的影响。
二、相对论激光与物质强场作用效应的应用1. 激光加工相对论激光与物质强场作用效应在激光加工中具有重要应用。
由于高强度激光场的作用，物质表面产生局部高温和高能量，导致材料物理特性变化。
利用相对论激光与物质强场作用效应，可以实现对材料的纳米加工、微纳加工、激光蚀刻等，提高激光加工的效率和质量。
2. 激光合成新材料相对论激光与物质强场作用效应在材料合成中也具有重要应用。
激光场的高能量和高功率特性可以提供充足的能量给予物质反应，产生高温高能量的环境，加速化学反应的进行。
利用相对论激光与物质强场作用效应，可以合成高性能的新材料，包括纳米材料、超导材料等，具有重要的科学意义和应用前景。
3. 激光医学应用相对论激光与物质强场作用效应在医学领域也有广泛应用。
利用激光场的高能量和高功率特点，可以实现对组织和细胞的高精度切割和破坏，具有在肿瘤治疗、眼科手术、皮肤美容等领域的重要应用。
强激光辐射对原子结构的影响强激光辐射作为一种高能量的电磁波，具有强大的穿透力和能量传递能力。
它对原子结构的影响是一个备受关注的课题。
在这篇文章中，我们将探讨强激光辐射对原子结构的影响以及相关的研究进展。
首先，强激光辐射可以引起原子的电离。
当强激光辐射与原子相互作用时，能量传递给原子的电子，使其脱离原子核而变成自由电子。
这种电离现象对于理解原子结构和物质的性质具有重要意义。
通过实验和理论研究，科学家们发现不同能量和频率的激光辐射对原子的电离效应有着不同的影响。
这些研究不仅有助于我们理解原子的基本性质，还为激光技术的应用提供了重要的理论依据。
其次，强激光辐射还可以改变原子的能级结构。
能级结构是描述原子内部电子分布的一种方式。
强激光辐射的能量可以激发原子内部的电子从低能级跃迁到高能级，从而改变原子的能级分布。
这种能级结构的改变对于理解原子的光谱特性和能量转换过程至关重要。
通过研究强激光辐射对原子能级结构的影响，科学家们可以更好地理解光谱现象，并为光谱分析和能量转换技术的发展提供理论指导。
此外，强激光辐射还可以引起原子的激发态和离解态的形成。
当强激光辐射与原子相互作用时，原子内部的电子会被激发到高能态，形成激发态原子。
这些激发态原子具有不同的化学反应性质和能量转换特性，对于研究原子的化学性质和能量转换过程具有重要意义。
此外，强激光辐射还可以将原子完全离解，使其成为离解态原子。
离解态原子的研究有助于我们理解化学反应的机理和原子的动力学行为。
最后，强激光辐射对原子结构的影响还涉及到原子的电子云和核的相互作用。
强激光辐射的高能量和强电场可以改变原子内部电子的分布和运动轨迹，从而影响原子的电子云结构。
此外，强激光辐射还可以引起原子核的振动和转动，从而改变原子的核结构。
这些影响对于理解原子的物理性质和化学反应机制至关重要。
综上所述，强激光辐射对原子结构的影响是一个复杂而多样的课题。
通过研究强激光辐射对原子的电离、能级结构、激发态和离解态的影响，以及原子的电子云和核的相互作用，我们可以更好地理解原子的基本性质和物质的性质。
