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)超短超強激光照射在一個金屬薄靶上時,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)動力的推動,在靶的背表面形成一個電子云鞘層。該電子云鞘層由于電荷分離而產(chǎn)生很強的靜電場,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)加速器無法實現(xiàn)的優(yōu)勢。這些優(yōu)勢使得激光質(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、對激光參數(shù)要求高等問題,與實際推廣應(yīng)用還有很大差距。通過計算機進行模擬研究,能夠針對不同的物理參數(shù)、結(jié)構(gòu)和幾何尺寸作大量的計算,得到經(jīng)驗規(guī)律,指導(dǎo)裝置的設(shè)計。從而提高質(zhì)子束流的品質(zhì),促進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)了一個二維粒子模擬程序ZZUPIC2D,來模擬激光與等離子體相互作用加速質(zhì)子的物理過程。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粒子。電磁場被分配到網(wǎng)格節(jié)點上,模擬粒子在網(wǎng)格中運動。以一定的時間步長逐步推進計算電磁場的變化,以及模擬粒子的運動,就能夠得到等離子體的一些基本參數(shù)(粒子的速度、位置、電磁場等)隨時間的演化。通過采用ZZUPIC2D程序,我們研究了熱電子、鞘層電場、靶形狀、靶厚度、激光數(shù)目和方向,等因素對質(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,質(zhì)子束品質(zhì)的改善情況及其物理機制,并與靶背具有圓柱形小孔、喇叭形小孔的靶做了對比分析。發(fā)現(xiàn)受到小孔側(cè)壁產(chǎn)生的橫向電場的影響,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)傾的約束電場的作用,有更多的質(zhì)子被約束在縱向加速電場的中心區(qū)域,這些質(zhì)子能夠在加速電場中經(jīng)歷更長的加速時間和加速距離。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,通過分別模擬漏斗形小孔靶的厚度、孔深、孔徑等參數(shù)對質(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方向(前壁和兩側(cè)壁)照射靶背有圓孔的鋁靶時,質(zhì)子束品質(zhì)的改善情況及其物理機制,并與采用單束激光的情況作了對比分析。發(fā)現(xiàn)采用三束激光時,靶側(cè)壁中的熱電子在側(cè)向激光的作用下進入小孔內(nèi),提高了小孔內(nèi)電子云密度,從而提高了鞘層電場的強度。此外,由側(cè)壁產(chǎn)生的橫向電場也得到加強,更好的將質(zhì)子約束在孔內(nèi)鞘層電場的中心區(qū)域。所以,質(zhì)子的最大能量得到提高,為22.9 MeV。同時,質(zhì)子束的平均發(fā)散角降低到22.3°。此外,通過分別模擬圓孔靶前壁、側(cè)壁尺寸對電場、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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O53

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2 蔣乃s，

本文編號：1292701