超強激光脈沖與等離子體相互作用產(chǎn)生高性能離子束的理論與模擬研究.pdf

1、隨著超短超強激光技術的發(fā)展，基于激光與等離子體相互作用的新型粒子加速器和新型輻射源因其廣泛而重要的應用前景成為激光等離子體物理領域的研究重點。本論文的主要工作為超強激光脈沖同等離子體相互作用產(chǎn)生高性能離子束的理論與數(shù)值模擬研究，主要包括兩部份：激光與等離子體相互作用的粒子模擬程序的編寫；基于超強激光與薄靶相互作用的高性能離子束產(chǎn)生機制的研究。
　　 為了可以根據(jù)研究問題的特定需要去修改模型和增加診斷以及將來可以添加一些新的物理效

2、應以開展新的研究，我們在借鑒LAPINE程序的基礎上也發(fā)展了自己的2維并行的粒子模擬的程序源代碼。論文的第一部份則詳細介紹了本程序的結構與算法，特別是里面所采用的一些先進算法。目前，這個程序已很好的被我們用在了激光等離子體相互作用相關問題的數(shù)值模擬當中。
　　 論文的第二部份包括兩項內(nèi)容：
　　 (1)我們通過2維的粒子模擬發(fā)現(xiàn)在多維下，輻射壓力加速和鞘層加速機制分別在不同的薄靶加速階段中占主導地位，即多維效應下激光與薄

3、靶相互作用的多階段加速機制。為了充分發(fā)揮這種機制在不同階段的特點，我們提出了使用一個包含重離子和質(zhì)子的雙層薄靶來獲得高能的且單能的質(zhì)子束。在初始階段，質(zhì)子和重離子構成一個整體在輻射壓力的作用下穩(wěn)定向前加速。當進入到鞘層加速主導階段，基于較高荷質(zhì)比的特性，質(zhì)子束處于運動薄靶的背部，從而可以在移動的鞘層靜電場中獲得能量且保持緊湊性和單能性。在2維的粒子模擬中，我們證實高能的準單能質(zhì)子束的產(chǎn)生。雖然該質(zhì)子束數(shù)量較少，但其能量較高，并且可以在傳

4、播很遠距離的同時保持良好的性能，這有利于其實際應用。
　　 (2)通過2維的粒子模擬，我們證實在薄靶的后面增加一個低密度的背景等離子體對于薄靶加速離子束的性能起到很好的改善作用。事實上，我們發(fā)現(xiàn)這個低密度的背景等離子體具有局域的離子密度調(diào)制和冷卻電子的作用，因此在一個程度上限制了薄靶中心區(qū)域的結構破壞和后期的熱膨脹。模擬的結果表明在這種機制下，整個薄靶的中心區(qū)域都可以被加速成一個緊湊的準單能的高能離子束。這種機制產(chǎn)生的離子束的粒

5、子數(shù)多，且具有很好的準單能性和緊湊性，另外激光的能量轉(zhuǎn)換效率也高，可以更好的實際應用。同時，我們也推導了一個改進的光帆模型，來估計實驗所需的相互作用物理參數(shù)。
　　 (3)我們提出一個復合靶的結構來實現(xiàn)在激光強度1020-21W/cm2下的高能高性能離子束的產(chǎn)生。2維的粒子模擬表明在這種復合靶結構下，來自于前端曲面靶的加速質(zhì)子的緊湊性和單能性在后端非均勻等離子體層的調(diào)制作用下會有顯著的提高。我們發(fā)現(xiàn)和詳細討論了復合靶結構改善加速