PIC數(shù)值方法以及激光-物質(zhì)相互作用若干物理研究.pdf

1、本論文介紹了激光-等離子體相互作用相關(guān)理論及粒子模擬（Particle-in-Cell）方法；提出了 PIC粒子模擬方法中電荷守恒高階插值算法，詳細介紹了二階和三階插值算法，介紹了將二階和三階拓展到任意偶數(shù)階和奇數(shù)階的方法；模擬測試驗證了高階算法的有效性，證明了高階插值算法有利于降低數(shù)值噪聲和計算時耗，增大網(wǎng)格大小以及提高計算精度。
　　詳細研究了納米結(jié)構(gòu)靶中超熱電子的產(chǎn)生和加熱機理，提出了錐形納米絲靶用于提高快點火中激光-超熱電

2、子能量轉(zhuǎn)換效率。數(shù)值模擬結(jié)果表明，相對于普通納米絲靶，錐形納米絲靶的能量轉(zhuǎn)換效率可以提高一倍以上，并且錐形納米絲所產(chǎn)生的超熱電子的準直性也進一步提升，該項工作證實了錐形納米絲靶在慣性約束聚變快點火中的巨大應(yīng)用價值。
　　研究了鞘場（TNSA）質(zhì)子加速，引入了質(zhì)子束庫倫爆炸理論模型，詳細分析了鞘場加速機制中質(zhì)子層的初始尺寸對質(zhì)子束品質(zhì)的影響；先后提出了納米刷靶和錐形納米刷靶加速質(zhì)子束，以提高能量轉(zhuǎn)換效率，并在二維 PIC數(shù)值模擬中證

3、實了理論設(shè)計方案；同時為了提高質(zhì)子照相中成像分辨率，本論文還提出了錐臺靶加速點狀質(zhì)子束源。
　　研究了穿孔輻射壓（HB-RPA）質(zhì)子加速機制中激光脈寬、激光強度和等離子體密度對質(zhì)子束能量、質(zhì)子數(shù)量和能量轉(zhuǎn)換效率的影響。比較了模擬中得到的質(zhì)子束能量與一維定標值之間的關(guān)系，理論分析了兩者之間的差異，發(fā)現(xiàn)脈寬為15~20fs時可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。該論文首次對HB-RPA質(zhì)子加速機制進行全三維數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)了相對論自聚焦和相對論相

4、位調(diào)制等效應(yīng)在三維中非常顯著。激光強度為8.0×1022Wcm-2，脈寬為15fs時，可以將4×1010個質(zhì)子加速到1.3GeV，并且質(zhì)子束的能散度也小于28％，橫向發(fā)散度和發(fā)散角也只有0.067mm-mrad和9.5°。優(yōu)化激光脈寬、等離子體初始密度獲得了最大能量為1.74GeV、最高能量轉(zhuǎn)換效率高達11.7%以及最小尺寸小于1μm的高品質(zhì)質(zhì)子束。
　　研究了超短超強激光驅(qū)動阿秒電子束和gamma光子束，理論分析了基于下一代激光