【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(xì)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(cè)試驗(yàn)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(jì)算時(shí)耗,增大網(wǎng)格大小以及提高計(jì)算精度。詳細(xì)研究了納米結(jié)構(gòu)靶中超熱電子的產(chǎn)生和加熱機(jī)理,提出了錐形納米絲靶用于提高快點(diǎn)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(duì)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(zhǔn)直性也進(jìn)一步提升,該項(xiàng)工作證實(shí)了錐形納米絲靶在慣性約束聚變快點(diǎn)火中的巨大應(yīng)用價(jià)值。研究了鞘場(chǎng)(TNSA)質(zhì)子加速,引入了質(zhì)子束庫(kù)倫爆炸理論模型,詳細(xì)分析了鞘場(chǎng)加速機(jī)制中質(zhì)子層的初始尺寸對(duì)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(shí)了理論設(shè)計(jì)方案;同時(shí)為了提高質(zhì)子照相中成像分辨率,本論文還提出了錐臺(tái)靶加速點(diǎn)狀質(zhì)子束源。研究了穿孔輻射壓(HB-RPA)質(zhì)子加速機(jī)制中激光脈寬、激光強(qiáng)度和等離子體密度對(duì)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(biāo)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(shí)可以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換效率。該論文首次對(duì)HB-RPA質(zhì)子加速機(jī)制進(jìn)行全三維數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)了相對(duì)論自聚焦和相對(duì)論相位調(diào)制等效應(yīng)在三維中非常顯著。激光強(qiáng)度為8.0×1022Wcm-2,脈寬為15fs時(shí),可以將4×1010個(gè)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(dá)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(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)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(shí)了方案的可行性;細(xì)致研究了激光強(qiáng)度和激光脈寬對(duì)電子束和gamma束品質(zhì)的影響。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：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(shí)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(gè)德拜長(zhǎng)度，并且在 400fs 內(nèi)都不會(huì)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(zhǔn)確。通常情況下數(shù)值噪聲主要來(lái)自計(jì)算以及誤差的疊加次數(shù)，當(dāng)采用大的網(wǎng)格尺寸的時(shí)候，就可以增大時(shí)間步長(zhǎng)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(jì)算精度會(huì)降低、數(shù)聲也會(huì)增大，因此需要權(quán)衡計(jì)算誤差和誤差的疊加次數(shù)，以實(shí)現(xiàn)最小計(jì)算誤差圖 2-9(a)給出了 400fs 時(shí)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(shí)網(wǎng)格大小取為 15.3De x y ，而二階時(shí)網(wǎng)格大小 30.7De x y ，在一階情況下每個(gè)網(wǎng)格中有 900 個(gè)電子（離子），而二階個(gè)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(shí)，能量守恒效果會(huì)更好；而當(dāng)加入電磁場(chǎng)時(shí)，能量守恒會(huì)進(jìn)一步提高。圖 2-9(b)給出了一階和二階時(shí) CPU 時(shí)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(yùn)算速度4二階 dx=dy=0.08 微米

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本文編號(hào)：2730833