基于超短超强激光脉冲与多组分等离子体相互作用的单能质子束产生的理论模拟研究

发布时间：2019-11-15 11:05

【摘要】：近年来,随着激光技术的迅速发展以及“快点火”研究的逐渐深入,超短超强激光脉冲与等离子体相互作用得到了越来越多的关注。高强度、高对比度的激光脉冲与等离子体相互作用所产生的静电场场强可以达到1012V/m,这为新型台面激光粒子加速器的发展创造了条件。而高能质子在癌症治疗、高精度成像、“快点火”以及实验室天体物理等方面都有重要的应用前景。本论文借助理论解析和数值模拟的研究方法,对基于超强激光与多组分等离子体相互作用的单能质子束的产生进行了系统的研究和讨论,着重对超强激光辐照碳氢混合固体靶产生高能质子、激光在低密度等离子体气体中传播激发尾场、激光尾场对高能质子的俘获与加速等等离子体物理领域的前沿问题进行了理论和数值模拟研究。主要内容包括以下三个部分：第一部分研究了超强激光与碳氢混合固体靶的相互作用。在适当的激光与固体靶参数条件下,质子的辐射压加速机制占主导作用。当一束高强度的圆偏振激光脉冲辐照在固体靶上时,由于电子的荷质比相当于质子的大约1836倍,所以激光的辐射压能够通过稳定的有质动力首先直接推动固体薄靶中的电子,造成正负电荷分离。在有质动力与静电力的动态平衡作用下,激光波前处将形成一个稳定的电子层,并与其后面的质子共同构成稳定的双层结构。最终通过双层结构之间较强的电荷分离场拉动质子,实现对质子的加速。当使用碳氢混合靶时,由于电子、质子和碳离子三者的荷质比不同,纯氢靶情况下的双层结构将变为三层结构。在辐射压加速机制下,质子层除了受到前面电子层的静电吸引作用外,还受到后面大量未被加速的碳离子层的静电排斥作用。最终有效地提高了激光与等离子体固体薄靶相互作用中辐射压加速机制下对质子的加速效果。另一方面,在多维情况下,由于受到横向不稳定性(类瑞利-泰勒不稳定性、类韦伯不稳定性等)的影响,纯氢靶情况下的电子质子双层结构不能够稳定的维持,因此质子的加速距离有限,质子所能被加速到的最大能量也有限。而碳氢混合靶的使用,可以通过质子层后面的碳离子层有效抑制横向不稳定性对加速的破坏作用,不仅可以提高质子的加速距离,进而提高质子所能被加速到的最大能量,而且还能进一步改善高能质子束的单能性。第二部分研究了高能质子向高速运动的激光尾波场中的注入问题。激光在稀薄等离子体中传播时,会在激光波前的后方激发尾波场。在通常情况下,由于尾波场以接近光速的运动跟随着激光在稀薄等离子体中传播,只有电子可以跟上尾场的运动速度,即只有电子可以注入进尾场从而被加速,质子则不能。通过在稀薄等离子体前放置固体薄靶,使得激光在进入稀薄等离子体并激发尾场之前,首先与固体薄靶相互作用,实现对质子的预加速。然后,较高光强的激光穿透固体薄靶,进入稀薄等离子体,在其中传播并激发尾场。最后,经过预加速的高能质子,在具有一定初速度之后,会有一部分能够跟得上尾场较高的运动速度,即满足注入尾场所需的俘获条件。注入到尾场中的高能质子,就可以通过尾场加速机制,进一步被长距离的加速,最终被加速到能量高达十GeV甚至百GeV量级的水平。这种辐射压加速机制与尾场加速机制相结合的组合加速机制既可以弥补前者的加速距离较短的缺陷,又可以弥补后者无法用于质子加速的局限。本研究的特色和创新点为：提出了采用碳氢混合靶的质子束优化加速方案,在传统的纯氢靶中混入适当比例的碳离子,通过碳氢混合靶对辐射压加速阶段质子最大能量与单能性的改善,提高了预加速阶段所产生的高能质子束的品质,优化了质子向尾场中的注入过程,最终得到了单能性更好、能量更高的高能质子束。第三部分研究了不同激光与等离子体参数在组合加速机制中的影响。首先,通过对激光光强变化范围的规律研究,我们发现：当逐步降低激光光强到一定程度后,使用纯氢靶时,激光已经不能穿透固体薄靶；而在这个激光强度下使用碳氢混合靶时,激光仍然可以穿透固体薄靶。这就意味着碳氢混合靶的使用可以有效地降低组合加速机制对于激光光强的要求。也就是说,在组合加速机制下产生一定高能量的质子束,与传统的纯氢靶相比,利用碳氢混合靶可以有效地降低所需要的激光光强。其次,通过对碳氢混合靶内碳氢比例的规律研究,我们发现：当混合靶内碳离子所占的比例越多时,混合靶对于组合加速机制的优化效果就越明显。最后,通过对几种稀薄背景等离子体的密度梯度的研究进一步发现：使用负密度梯度后,不仅质子的最大能量会得到一定的提高；而且梯度越大,质子能量的提高就越明显。
【图文】：

示意图,激光技术,年份,过程

这种情况一直持续到了邋１９８５年，Ｒ．Ｏ化Ｗ化ｒ大学的Ｇ．邋Ｍｏｍ－ＯＵ和Ｄ．邋Ｓｔｒｉ浊－逡逑ｌａｎｄ等人发明了调嗽放大技术（ＣＰＡ），在放大激光脉冲能量的同时，避免了逡逑在晶体中产生比较强的峰值功率密度。如图１．‘２所示，ＣＰＡ技术的实施过程可Ｗ逡逑总结为：种子脉冲由激光振荡器产生之后，首先经过展宽器（ｓｔｉ’ｅ化ｈｅｒ），放大逡逑脉冲宽度到几千甚至上万倍，辟低输入激光的强度，并且将非线性效应控制化逡逑可Ｗ接受的范围内。然后再经过放NB器，将激光脉冲放人近十个量级。由于化逡逑前面的展宽器中降低了光强，，经过放大器放大后的宽脉冲依旧能够避免系统元逡逑

电子密度扰动,纵向电场,激光强度,变化规律

相位的变化规律。白色为电子聚焦区域，灰色为电子发散区域。引自文逡逑献［巧。逡逑如图１．４所示，非线性等离子体波表现出＂裙齿状＂的结构。在非线性情况逡逑下，电子受到聚焦作用的相位区间比例增大。逡逑１．４激光等离子体加速的基本原理逡逑在激光技术发展的同时，新型加速器的研究也获得了重大的突破。逡逑在ＣＰＡ技术中，脉冲放大和压缩的过程需要诸如光栅等固体光学介质的使逡逑用。然而，这些固体材料所能承受的光强一般在ｌ0ｉ２Ｍ／ｃｍ－２量级。由于等离了逡逑体介质可承受的光强高达１0１７邋Ｗｃｍ－２，因此基于等离Ｔ－体介质的强激光技术逡逑逐步发展起来。除此之外，等离子体作为新型加速器媒介的潜力，也逐步被科逡逑学家们所认识。逡逑１９７９年，Ｔａｊｉｍａ和Ｄａｗｓｏｎ利用
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN249;O53

【共引文献】