【摘要】：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位調(diào)制等效應在三維中非常顯著。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裝置的阿秒電子束和gamma束的加速方案,數(shù)值模擬證實了方案的可行性;細致研究了激光強度和激光脈寬對電子束和gamma束品質(zhì)的影響。
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN24
【圖文】：

4.5 6.0 7.5 9.0縱向位置（微米）(a)1.028.57.05.54.02.51.0橫向置位微（）米 18161412108642184.5 6.0 7.5 9.0縱向位置（微米）(b)

De的溫度均取為 7.6keV。圖 2-8 給出了總能量與時間的關(guān)系，從圖 2-8 中可以看階插值可以有效降低數(shù)值噪聲以及增大網(wǎng)格尺寸，使用二階插值算法，網(wǎng)格可以增大到 46 個德拜長度，并且在 400fs 內(nèi)都不會產(chǎn)生明顯的數(shù)值噪聲，因階得到的激光-等離子體吸收效率更準確。通常情況下數(shù)值噪聲主要來自計算以及誤差的疊加次數(shù)，當采用大的網(wǎng)格尺寸的時候，就可以增大時間步長值小模擬中誤差的疊加次數(shù)。然而隨著網(wǎng)格尺寸的增大，計算精度會降低、數(shù)聲也會增大，因此需要權(quán)衡計算誤差和誤差的疊加次數(shù)，以實現(xiàn)最小計算誤差圖 2-9(a)給出了 400fs 時刻，厚度和寬度分別為02 、05 的平面靶在不同粒情況下的總能量，一階時網(wǎng)格大小取為 15.3De x y ，而二階時網(wǎng)格大小 30.7De x y ，在一階情況下每個網(wǎng)格中有 900 個電子（離子），而二階個網(wǎng)格中電子（離子）的數(shù)量分別是 900、1600、2500、3600。從圖中可以看采用更多的粒子數(shù)時，能量守恒效果會更好；而當加入電磁場時，能量守恒會進一步提高。圖 2-9(b)給出了一階和二階時 CPU 時間與網(wǎng)格中粒子數(shù)量之關(guān)系，從圖中看出，由于高階情況下可以增大網(wǎng)格尺度、有利于提升運算速度4二階 dx=dy=0.08 微米

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本文編號：2730833