【摘要】：近年來,隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展以及“快點火”研究的逐漸深入,超短超強激光脈沖與等離子體相互作用得到了越來越多的關(guān)注。高強度、高對比度的激光脈沖與等離子體相互作用所產(chǎn)生的靜電場場強可以達到1012V/m,這為新型臺面激光粒子加速器的發(fā)展創(chuàng)造了條件。而高能質(zhì)子在癌癥治療、高精度成像、“快點火”以及實驗室天體物理等方面都有重要的應(yīng)用前景。本論文借助理論解析和數(shù)值模擬的研究方法,對基于超強激光與多組分等離子體相互作用的單能質(zhì)子束的產(chǎn)生進行了系統(tǒng)的研究和討論,著重對超強激光輻照碳氫混合固體靶產(chǎn)生高能質(zhì)子、激光在低密度等離子體氣體中傳播激發(fā)尾場、激光尾場對高能質(zhì)子的俘獲與加速等等離子體物理領(lǐng)域的前沿問題進行了理論和數(shù)值模擬研究。主要內(nèi)容包括以下三個部分：第一部分研究了超強激光與碳氫混合固體靶的相互作用。在適當?shù)募す馀c固體靶參數(shù)條件下,質(zhì)子的輻射壓加速機制占主導(dǎo)作用。當一束高強度的圓偏振激光脈沖輻照在固體靶上時,由于電子的荷質(zhì)比相當于質(zhì)子的大約1836倍,所以激光的輻射壓能夠通過穩(wěn)定的有質(zhì)動力首先直接推動固體薄靶中的電子,造成正負電荷分離。在有質(zhì)動力與靜電力的動態(tài)平衡作用下,激光波前處將形成一個穩(wěn)定的電子層,并與其后面的質(zhì)子共同構(gòu)成穩(wěn)定的雙層結(jié)構(gòu)。最終通過雙層結(jié)構(gòu)之間較強的電荷分離場拉動質(zhì)子,實現(xiàn)對質(zhì)子的加速。當使用碳氫混合靶時,由于電子、質(zhì)子和碳離子三者的荷質(zhì)比不同,純氫靶情況下的雙層結(jié)構(gòu)將變?yōu)槿龑咏Y(jié)構(gòu)。在輻射壓加速機制下,質(zhì)子層除了受到前面電子層的靜電吸引作用外,還受到后面大量未被加速的碳離子層的靜電排斥作用。最終有效地提高了激光與等離子體固體薄靶相互作用中輻射壓加速機制下對質(zhì)子的加速效果。另一方面,在多維情況下,由于受到橫向不穩(wěn)定性(類瑞利-泰勒不穩(wěn)定性、類韋伯不穩(wěn)定性等)的影響,純氫靶情況下的電子質(zhì)子雙層結(jié)構(gòu)不能夠穩(wěn)定的維持,因此質(zhì)子的加速距離有限,質(zhì)子所能被加速到的最大能量也有限。而碳氫混合靶的使用,可以通過質(zhì)子層后面的碳離子層有效抑制橫向不穩(wěn)定性對加速的破壞作用,不僅可以提高質(zhì)子的加速距離,進而提高質(zhì)子所能被加速到的最大能量,而且還能進一步改善高能質(zhì)子束的單能性。第二部分研究了高能質(zhì)子向高速運動的激光尾波場中的注入問題。激光在稀薄等離子體中傳播時,會在激光波前的后方激發(fā)尾波場。在通常情況下,由于尾波場以接近光速的運動跟隨著激光在稀薄等離子體中傳播,只有電子可以跟上尾場的運動速度,即只有電子可以注入進尾場從而被加速,質(zhì)子則不能。通過在稀薄等離子體前放置固體薄靶,使得激光在進入稀薄等離子體并激發(fā)尾場之前,首先與固體薄靶相互作用,實現(xiàn)對質(zhì)子的預(yù)加速。然后,較高光強的激光穿透固體薄靶,進入稀薄等離子體,在其中傳播并激發(fā)尾場。最后,經(jīng)過預(yù)加速的高能質(zhì)子,在具有一定初速度之后,會有一部分能夠跟得上尾場較高的運動速度,即滿足注入尾場所需的俘獲條件。注入到尾場中的高能質(zhì)子,就可以通過尾場加速機制,進一步被長距離的加速,最終被加速到能量高達十GeV甚至百GeV量級的水平。這種輻射壓加速機制與尾場加速機制相結(jié)合的組合加速機制既可以彌補前者的加速距離較短的缺陷,又可以彌補后者無法用于質(zhì)子加速的局限。本研究的特色和創(chuàng)新點為：提出了采用碳氫混合靶的質(zhì)子束優(yōu)化加速方案,在傳統(tǒng)的純氫靶中混入適當比例的碳離子,通過碳氫混合靶對輻射壓加速階段質(zhì)子最大能量與單能性的改善,提高了預(yù)加速階段所產(chǎn)生的高能質(zhì)子束的品質(zhì),優(yōu)化了質(zhì)子向尾場中的注入過程,最終得到了單能性更好、能量更高的高能質(zhì)子束。第三部分研究了不同激光與等離子體參數(shù)在組合加速機制中的影響。首先,通過對激光光強變化范圍的規(guī)律研究,我們發(fā)現(xiàn)：當逐步降低激光光強到一定程度后,使用純氫靶時,激光已經(jīng)不能穿透固體薄靶；而在這個激光強度下使用碳氫混合靶時,激光仍然可以穿透固體薄靶。這就意味著碳氫混合靶的使用可以有效地降低組合加速機制對于激光光強的要求。也就是說,在組合加速機制下產(chǎn)生一定高能量的質(zhì)子束,與傳統(tǒng)的純氫靶相比,利用碳氫混合靶可以有效地降低所需要的激光光強。其次,通過對碳氫混合靶內(nèi)碳氫比例的規(guī)律研究,我們發(fā)現(xiàn)：當混合靶內(nèi)碳離子所占的比例越多時,混合靶對于組合加速機制的優(yōu)化效果就越明顯。最后,通過對幾種稀薄背景等離子體的密度梯度的研究進一步發(fā)現(xiàn)：使用負密度梯度后,不僅質(zhì)子的最大能量會得到一定的提高；而且梯度越大,質(zhì)子能量的提高就越明顯。
【圖文】：

這種情況一直持續(xù)到了邋１９８５年，Ｒ．Ｏ化Ｗ化ｒ大學(xué)的Ｇ．邋Ｍｏｍ－ＯＵ和Ｄ．邋Ｓｔｒｉ濁－逡逑ｌａｎｄ等人發(fā)明了調(diào)嗽放大技術(shù)（ＣＰＡ），在放大激光脈沖能量的同時，避免了逡逑在晶體中產(chǎn)生比較強的峰值功率密度。如圖１．‘２所示，ＣＰＡ技術(shù)的實施過程可Ｗ逡逑總結(jié)為：種子脈沖由激光振蕩器產(chǎn)生之后，首先經(jīng)過展寬器（ｓｔｉ’ｅ化ｈｅｒ），放大逡逑脈沖寬度到幾千甚至上萬倍，辟低輸入激光的強度，并且將非線性效應(yīng)控制化逡逑可Ｗ接受的范圍內(nèi)。然后再經(jīng)過放NB器，將激光脈沖放人近十個量級。由于化逡逑前面的展寬器中降低了光強，，經(jīng)過放大器放大后的寬脈沖依舊能夠避免系統(tǒng)元逡逑

相位的變化規(guī)律。白色為電子聚焦區(qū)域，灰色為電子發(fā)散區(qū)域。引自文逡逑獻［巧。逡逑如圖１．４所示，非線性等離子體波表現(xiàn)出＂裙齒狀＂的結(jié)構(gòu)。在非線性情況逡逑下，電子受到聚焦作用的相位區(qū)間比例增大。逡逑１．４激光等離子體加速的基本原理逡逑在激光技術(shù)發(fā)展的同時，新型加速器的研究也獲得了重大的突破。逡逑在ＣＰＡ技術(shù)中，脈沖放大和壓縮的過程需要諸如光柵等固體光學(xué)介質(zhì)的使逡逑用。然而，這些固體材料所能承受的光強一般在ｌ0ｉ２Ｍ／ｃｍ－２量級。由于等離了逡逑體介質(zhì)可承受的光強高達１0１７邋Ｗｃｍ－２，因此基于等離Ｔ－體介質(zhì)的強激光技術(shù)逡逑逐步發(fā)展起來。除此之外，等離子體作為新型加速器媒介的潛力，也逐步被科逡逑學(xué)家們所認識。逡逑１９７９年，Ｔａｊｉｍａ和Ｄａｗｓｏｎ利用
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN249;O53

【共引文獻】

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本文編號：2561284