PIC数值方法以及激光-物质相互作用若干物理研究

发布时间：2020-06-26 20:11

【摘要】：本论文介绍了激光-等离子体相互作用相关理论及粒子模拟(Particle-in-Cell)方法;提出了PIC粒子模拟方法中电荷守恒高阶插值算法,详细介绍了二阶和三阶插值算法,介绍了将二阶和三阶拓展到任意偶数阶和奇数阶的方法;模拟测试验证了高阶算法的有效性,证明了高阶插值算法有利于降低数值噪声和计算时耗,增大网格大小以及提高计算精度。详细研究了纳米结构靶中超热电子的产生和加热机理,提出了锥形纳米丝靶用于提高快点火中激光-超热电子能量转换效率。数值模拟结果表明,相对于普通纳米丝靶,锥形纳米丝靶的能量转换效率可以提高一倍以上,并且锥形纳米丝所产生的超热电子的准直性也进一步提升,该项工作证实了锥形纳米丝靶在惯性约束聚变快点火中的巨大应用价值。研究了鞘场(TNSA)质子加速,引入了质子束库伦爆炸理论模型,详细分析了鞘场加速机制中质子层的初始尺寸对质子束品质的影响;先后提出了纳米刷靶和锥形纳米刷靶加速质子束,以提高能量转换效率,并在二维PIC数值模拟中证实了理论设计方案;同时为了提高质子照相中成像分辨率,本论文还提出了锥台靶加速点状质子束源。研究了穿孔辐射压(HB-RPA)质子加速机制中激光脉宽、激光强度和等离子体密度对质子束能量、质子数量和能量转换效率的影响。比较了模拟中得到的质子束能量与一维定标值之间的关系,理论分析了两者之间的差异,发现脉宽为15~20fs时可以获得更高的能量转换效率。该论文首次对HB-RPA质子加速机制进行全三维数值模拟,发现了相对论自聚焦和相对论相位调制等效应在三维中非常显著。激光强度为8.0×1022Wcm-2,脉宽为15fs时,可以将4×1010个质子加速到1.3GeV,并且质子束的能散度也小于28%,横向发散度和发散角也只有0.067mm-mrad和9.5°。优化激光脉宽、等离子体初始密度获得了最大能量为1.74GeV、最高能量转换效率高达11.7%以及最小尺寸小于1μm的高品质质子束。研究了超短超强激光驱动阿秒电子束和gamma光子束,理论分析了基于下一代激光装置的阿秒电子束和gamma束的加速方案,数值模拟证实了方案的可行性;细致研究了激光强度和激光脉宽对电子束和gamma束品质的影响。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN24
【图文】：

离子密度,纵向位置,置位,横向

4.5 6.0 7.5 9.0纵向位置（微米）(a)1.028.57.05.54.02.51.0横向置位微（）米 18161412108642184.5 6.0 7.5 9.0纵向位置（微米）(b)

等离子体,情况,二阶,叠加次数

De的温度均取为 7.6keV。图 2-8 给出了总能量与时间的关系，从图 2-8 中可以看阶插值可以有效降低数值噪声以及增大网格尺寸，使用二阶插值算法，网格可以增大到 46 个德拜长度，并且在 400fs 内都不会产生明显的数值噪声，因阶得到的激光-等离子体吸收效率更准确。通常情况下数值噪声主要来自计算以及误差的叠加次数，当采用大的网格尺寸的时候，就可以增大时间步长值小模拟中误差的叠加次数。然而随着网格尺寸的增大，计算精度会降低、数声也会增大，因此需要权衡计算误差和误差的叠加次数，以实现最小计算误差图 2-9(a)给出了 400fs 时刻，厚度和宽度分别为02 、05 的平面靶在不同粒情况下的总能量，一阶时网格大小取为 15.3De x y ，而二阶时网格大小 30.7De x y ，在一阶情况下每个网格中有 900 个电子（离子），而二阶个网格中电子（离子）的数量分别是 900、1600、2500、3600。从图中可以看采用更多的粒子数时，能量守恒效果会更好；而当加入电磁场时，能量守恒会进一步提高。图 2-9(b)给出了一阶和二阶时 CPU 时间与网格中粒子数量之关系，从图中看出，由于高阶情况下可以增大网格尺度、有利于提升运算速度4二阶 dx=dy=0.08 微米

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