锥型靶引导的真空激光电子加速方案数值模拟研究

发布时间：2021-04-19 04:04

　　随着啁啾脉冲放大技术的出现,极大地促进了激光技术的发展,激光输出功率不断提升,激光与物质相互作用研究进入了崭新的领域。近年来,激光电子加速、质子加速和新型X射线源等相关领域的研究都取得了重大进展。其中,激光加速的高能量密度的准直快电子束具有很多良好的性能特点而被应用在快点火惯性约束聚变方案、γ射线成像、相对论正电子产生等众多的研究领域,拓展了物理学领域的研究范畴。因此,如何高效地产生大量高能的准直快电子,一直都是强激光等离子体领域备受瞩目的研究热点。本文采用二维PIC模拟的方法对强激光驱动的锥形靶真空电子加速进行了研究,针对目前制约真空加速机制研究发展的主要问题:如何产生具有一定初速度的电子并将其注入加速场进行了改善。文中第一部分首先介绍了激光等离子体相互作用的研究背景及研究领域,之后对激光电子加速方面的基本理论以及研究现状进行了详细的阐述,接下来对等离子体粒子模拟方法进行了介绍。在文章的第二部分,对单个电子在平面波激光场中的相对论动力学进行了研究。我们求解了具有初始动量的电子在平面波激光场中运动的解析通解,发现具有纵向初始动量的电子能够在加速过程中获得更大的能量增益。在此基础上,我们... 

【文章来源】：中国工程物理研究院北京市

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

图１．１激光强度及相应物理研究随年代的变化和发展ｌＵ］??为了提高输出功率，人们使用的传统方法是增加激光系统的光学口径和束数，然而??资金和空间等因素限制了功率的进一步提升

稳定性、共振吸收和有质动力加速等使激光通道上的电子获得能量，我们将这部分被加??速的电子称为超热电子（ｓｕｐｅｒｔｈｅｒｍａｌｏｒｆａｓｔｅｌｅｃｔｒｏｎｓ）。超热电子在物质内传输会产生更??复杂的次级效应，如图１．２所示，包括原子激发、背景等离子体回流、Ｘ射线和正电子??等次级粒子产生、光核反应、自生电磁场和输运不稳定性等．??如果激光强度提高到１０２４Ｗｃｍ－２，电子有可能加速到ＴｅＶ，通过与原子核相互作用??可以激发如Ｙ爆、正负电子等离子体等现象。质子将足以被激光直接加速到相对论能量??（ＧｅＶ），引起大量核子碰撞事件，产生７Ｃ介子、ｐ子和中微子束等；这些核反应粒子又??可以被激光再次加速，寿命大大延长，使人们在实验室广泛模拟天体物理现象成为可能。??进一步地，若激光强度达到ｌ〇２８Ｗｃｍ＿２，将进入非线性ＱＥＤ区域。激光电场强度接近??Ｓｃｈｗｉｎｇｅｒ极限，足以极化真空而直接产生正负电子对，甚至产生＾子对等。??４??

吸引了世界各国的广泛关注，为激光聚变奠定了重要基础。??１．４．１．１中心点火??中心点火方案示意图如图１．３所示，传统的中心点火方案包括直接驱动和间接驱动。??以直接驱动为例，高功率激光对称地辐照一个内部充满冷ＤＴ气体的靶丸，靶丸的外层??物质通过吸收激光能量被加热和蒸发；之后，烧蚀等离子体向外膨胀喷射，由于动量守??恒，内层的固体ＤＴ被反冲向内压缩；当压缩冲击波在靶丸心部会聚时会发生内爆，流??体的动能迅速转化为燃料的内能，燃料被压缩到极高密度并加热到极高温度，实现聚变??点火。燃料的利用率为其中Ｈ?＝?７ｇ＊ｃｍ＿２，?ｐ／ｆ是燃料压缩面密度。为??了产生足够的增益，ＤＴ燃料必须被压缩到足够高的密度，同时热斑必须维持足够长的??时间以使内爆产生的聚变《粒子到达整个燃料区实现自持燃烧。研宄发现，均匀加热靶??丸将导致不可接受的、小的能量增益


本文编号：3146796