本文關(guān)鍵詞：超強(qiáng)激光驅(qū)動高能離子的產(chǎn)生、操控及其能量沉積過程研究

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【摘要】：高能離子束在聚變點(diǎn)火、成像、放射治療、溫稠密物質(zhì)狀態(tài)的形成及其核物理和粒子物理等領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用價值,人們一直在實(shí)驗(yàn)室條件下尋求更高品質(zhì)的離子脈沖源。傳統(tǒng)粒子加速器經(jīng)過近百年的發(fā)展已接近經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和資源的極限,其加速梯度受到材料電離擊穿閾值的影響而被限制在100 MV/m左右。隨著激光技術(shù)的不斷發(fā)展,超強(qiáng)激光與等離子體相互作用驅(qū)動高能離子的產(chǎn)生及其在稠密等離子體中的傳輸成為近期研究的熱點(diǎn)問題。超強(qiáng)激光在等離子體中能夠激發(fā)高達(dá)10 TV/m左右的加速電場,這為臺面小型粒子加速器的發(fā)展提供了巨大的發(fā)展契機(jī)。人們已相繼提出各種離子加速方案,尤其是靶背鞘層加速和激光光壓加速已被大量實(shí)驗(yàn)證實(shí)為較為有效的加速方式。然而,這兩種加速方案受其機(jī)制本身的制約,其實(shí)際應(yīng)用受到極大限制,如靶背鞘層加速中較低的能量轉(zhuǎn)換效率和較差的束流品質(zhì),激光光壓加速容易受到橫向不穩(wěn)定性的影響而無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加速等。本文結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬的方法研究了超強(qiáng)激光與等離子體相互作用中幾種高能離子束的產(chǎn)生和操控方案。同時,我們還對高能離子在稠密等離子體中的能量沉積過程進(jìn)行了研究。文章的主要研究內(nèi)容如下:第一,研究了基于激光自聚焦效應(yīng)的增強(qiáng)型靶背鞘層離子加速方案。研究表明,當(dāng)激光脈沖發(fā)生自聚焦時,低密度等離子體中電子的扭擺振蕩頻率與其感受到的激光頻率相等時,由于共振吸收,超熱電子溫度大幅提升。當(dāng)這些等離子體通道內(nèi)的超熱電子傳輸?shù)焦腆w靶后時,將在其后表面誘導(dǎo)出更強(qiáng)的鞘層電場,能夠?qū)①|(zhì)子加速到更高能量。模擬中還發(fā)現(xiàn),預(yù)等離子體的最優(yōu)長度接近于激光脈沖在預(yù)等離子體的自聚焦距離,此時質(zhì)子的截止能量最高。第二,研究了激光與等離子體微通道靶相互作用中的電子動力學(xué)過程及其伴隨的離子加速過程。研究發(fā)現(xiàn),激光振蕩電場的兩翼能夠從等離子體通道中拉出兩串稠密電子束,這些電子束在洛倫茲力和通道中激發(fā)的縱向電場作用下得到轉(zhuǎn)向和進(jìn)一步加速。當(dāng)穿過后面附著的塑料靶時,電子在靶后表面誘導(dǎo)出超強(qiáng)的靜電鞘層電場,該等離子體通道有效將質(zhì)子和碳離子能量提升近一個量級。理論上,我們給出最優(yōu)的通道參數(shù)及其加速質(zhì)子和碳離子截止能量的定標(biāo)率。利用該方案有望在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下獲得能用于醫(yī)學(xué)理療的能量在60-250 Me V的質(zhì)子源和幾百M(fèi)e V的碳離子源。第三,研究了利用金屬導(dǎo)引錐來操控靶背鞘層加速離子的物理方案。研究發(fā)現(xiàn),由于自生電磁場的約束作用,固體靶的部分超熱電子沿導(dǎo)引錐的內(nèi)壁向錐頂傳輸,這將誘導(dǎo)出超強(qiáng)的徑向電場,其強(qiáng)度甚至可與電子全部排空極限情況下的庫侖爆炸場相當(dāng)。研究發(fā)現(xiàn),由于該徑向聚焦電場的存在,質(zhì)子束流的空間擴(kuò)散能夠得到有效抑制,質(zhì)子束流的發(fā)散角大幅降低,數(shù)密度得到提升,較高的束流品質(zhì)可以維持較長時間。第四,研究了基于激光薄膜靶相互作用的超強(qiáng)圓極化激光脈沖整形。研究表明,等離子體薄膜靶作為一種非線性的光學(xué)開關(guān),對激光脈沖的時空分布有良好的調(diào)控效果。模擬結(jié)果顯示,等離子體薄膜靶能夠?qū)⒏咚辜す獾母邚?qiáng)度部分剝離出來,透射脈沖具有陡峭的時間上升沿和橫向超高斯形的分布,這種特性的激光脈沖正是激光光壓加速所需的理想激光脈沖源。模擬還觀察到,類瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)生破壞了薄膜靶的結(jié)構(gòu),這是導(dǎo)致激光脈沖前沿得到陡化的直接原因。第五,研究了利用內(nèi)嵌超薄靶的錐形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的激光光壓加速和高稠密質(zhì)子團(tuán)的動態(tài)操控。結(jié)果表明,激光在錐靶相互作用時能夠在導(dǎo)引錐內(nèi)壁形成徑向聚焦電場,該電場可持續(xù)包裹并動態(tài)約束光壓驅(qū)動的微型薄膜靶,有效抑制了質(zhì)子束的橫向膨脹和類瑞利-泰勒不穩(wěn)定的發(fā)生。與普通薄靶相比,質(zhì)子能夠得到穩(wěn)定加速,其能譜和空間分布特性得到大幅改善,在錐口處可獲得超高品質(zhì)的微型質(zhì)子團(tuán)。最后,通過理論分析研究了高能質(zhì)子在摻雜重離子添加劑的氘氚混合燃料中的制動過程。研究表明,隨著所摻雜離子的電荷數(shù)和混合比例的增加,質(zhì)子制動功率大幅提升,這大大縮短質(zhì)子的穿透距離。此外,具有較高振幅的布拉格峰更早地出現(xiàn)在質(zhì)子射程的末端,導(dǎo)致更加局域化的能量沉積。我們還研究了燃料混合對質(zhì)子束驅(qū)動“快點(diǎn)火”的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),所需的點(diǎn)火時間大幅縮短,這非常有利于避免流體不穩(wěn)定性導(dǎo)致的點(diǎn)火熄滅。然而,由于在高溫條件下,α粒子射程增加且機(jī)械做功和熱傳導(dǎo)的能量損失變得特別重要,這種高溫燃料狀態(tài)很難維持較長時間。
【學(xué)位授予單位】：國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O53;TN24

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本文編號：1301126