本文關(guān)鍵詞：激光等離子體相互作用加速質(zhì)子的模擬研究

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【摘要】：當(dāng)超短超強(qiáng)激光照射在一個(gè)金屬薄靶上時(shí),激光的預(yù)脈沖能夠?qū)械那氨砻骐x化成等離子體,隨后激光主脈沖與等離子體相互作用。等離子體中的電子受到激光有質(zhì)動(dòng)力的推動(dòng),在靶的背表面形成一個(gè)電子云鞘層。該電子云鞘層由于電荷分離而產(chǎn)生很強(qiáng)的靜電場(chǎng),能夠?qū)斜趁娴馁|(zhì)子加速到高能。與傳統(tǒng)加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流相比,由超短超強(qiáng)激光與靶相互作用加速的質(zhì)子束存在束流小、發(fā)散小、方向性好、脈寬窄等傳統(tǒng)加速器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)使得激光質(zhì)子加速器在同位素生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)成像、腫瘤治療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,在核聚變研究,粒子物理研究等領(lǐng)域也有著重要價(jià)值。但目前仍然存在著質(zhì)子能量低、單能性差、激光質(zhì)子能量轉(zhuǎn)化效率低、對(duì)激光參數(shù)要求高等問(wèn)題,與實(shí)際推廣應(yīng)用還有很大差距。通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬研究,能夠針對(duì)不同的物理參數(shù)、結(jié)構(gòu)和幾何尺寸作大量的計(jì)算,得到經(jīng)驗(yàn)規(guī)律,指導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)。從而提高質(zhì)子束流的品質(zhì),促進(jìn)激光等離子體加速器的早日應(yīng)用。我們采用粒子模擬方法(PIC)開發(fā)了一個(gè)二維粒子模擬程序ZZUPIC2D,來(lái)模擬激光與等離子體相互作用加速質(zhì)子的物理過(guò)程。將等離子體所在的空間分成一系列網(wǎng)格,以具有一定形狀的模擬粒子代替等離子體中的真實(shí)粒子。電磁場(chǎng)被分配到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上,模擬粒子在網(wǎng)格中運(yùn)動(dòng)。以一定的時(shí)間步長(zhǎng)逐步推進(jìn)計(jì)算電磁場(chǎng)的變化,以及模擬粒子的運(yùn)動(dòng),就能夠得到等離子體的一些基本參數(shù)(粒子的速度、位置、電磁場(chǎng)等)隨時(shí)間的演化。通過(guò)采用ZZUPIC2D程序,我們研究了熱電子、鞘層電場(chǎng)、靶形狀、靶厚度、激光數(shù)目和方向,等因素對(duì)質(zhì)子加速的影響。我們模擬研究了采用一束激光照射靶背具有漏斗形小孔的鋁靶時(shí),質(zhì)子束品質(zhì)的改善情況及其物理機(jī)制,并與靶背具有圓柱形小孔、喇叭形小孔的靶做了對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)受到小孔側(cè)壁產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)的影響,孔內(nèi)的質(zhì)子被約束成不同的形狀。在漏斗形小孔中,受到內(nèi)傾的約束電場(chǎng)的作用,有更多的質(zhì)子被約束在縱向加速電場(chǎng)的中心區(qū)域,這些質(zhì)子能夠在加速電場(chǎng)中經(jīng)歷更長(zhǎng)的加速時(shí)間和加速距離。所以漏斗形小孔能夠產(chǎn)生能量更高,數(shù)量更多的高能質(zhì)子。與普通的圓柱形小孔靶相比,產(chǎn)生的質(zhì)子最大能量提高了4 MeV。此外,通過(guò)分別模擬漏斗形小孔靶的厚度、孔深、孔徑等參數(shù)對(duì)質(zhì)子能量和發(fā)散角的影響,得出了漏斗形小孔靶的最優(yōu)尺寸。我們模擬研究了采用三束激光從三個(gè)方向(前壁和兩側(cè)壁)照射靶背有圓孔的鋁靶時(shí),質(zhì)子束品質(zhì)的改善情況及其物理機(jī)制,并與采用單束激光的情況作了對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)采用三束激光時(shí),靶側(cè)壁中的熱電子在側(cè)向激光的作用下進(jìn)入小孔內(nèi),提高了小孔內(nèi)電子云密度,從而提高了鞘層電場(chǎng)的強(qiáng)度。此外,由側(cè)壁產(chǎn)生的橫向電場(chǎng)也得到加強(qiáng),更好的將質(zhì)子約束在孔內(nèi)鞘層電場(chǎng)的中心區(qū)域。所以,質(zhì)子的最大能量得到提高,為22.9 MeV。同時(shí),質(zhì)子束的平均發(fā)散角降低到22.3°。此外,通過(guò)分別模擬圓孔靶前壁、側(cè)壁尺寸對(duì)電場(chǎng)、質(zhì)子束品質(zhì)以及能量轉(zhuǎn)換效率的影響,得出了圓孔靶的最優(yōu)尺寸。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O53

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2 蔣乃s，

本文編號(hào)：1292701