激光等离子体相互作用加速质子的模拟研究

发布时间：2017-12-15 16:45

  本文关键词：激光等离子体相互作用加速质子的模拟研究

  更多相关文章： 粒子模拟 等离子体 质子加速 漏斗形靶 三束激光

【摘要】：当超短超强激光照射在一个金属薄靶上时,激光的预脉冲能够将靶的前表面离化成等离子体,随后激光主脉冲与等离子体相互作用。等离子体中的电子受到激光有质动力的推动,在靶的背表面形成一个电子云鞘层。该电子云鞘层由于电荷分离而产生很强的静电场,能够将靶背面的质子加速到高能。与传统加速器产生的质子束流相比,由超短超强激光与靶相互作用加速的质子束存在束流小、发散小、方向性好、脉宽窄等传统加速器无法实现的优势。这些优势使得激光质子加速器在同位素生产、医学成像、肿瘤治疗等领域有着广泛的应用前景,在核聚变研究,粒子物理研究等领域也有着重要价值。但目前仍然存在着质子能量低、单能性差、激光质子能量转化效率低、对激光参数要求高等问题,与实际推广应用还有很大差距。通过计算机进行模拟研究,能够针对不同的物理参数、结构和几何尺寸作大量的计算,得到经验规律,指导装置的设计。从而提高质子束流的品质,促进激光等离子体加速器的早日应用。我们采用粒子模拟方法(PIC)开发了一个二维粒子模拟程序ZZUPIC2D,来模拟激光与等离子体相互作用加速质子的物理过程。将等离子体所在的空间分成一系列网格,以具有一定形状的模拟粒子代替等离子体中的真实粒子。电磁场被分配到网格节点上,模拟粒子在网格中运动。以一定的时间步长逐步推进计算电磁场的变化,以及模拟粒子的运动,就能够得到等离子体的一些基本参数(粒子的速度、位置、电磁场等)随时间的演化。通过采用ZZUPIC2D程序,我们研究了热电子、鞘层电场、靶形状、靶厚度、激光数目和方向,等因素对质子加速的影响。我们模拟研究了采用一束激光照射靶背具有漏斗形小孔的铝靶时,质子束品质的改善情况及其物理机制,并与靶背具有圆柱形小孔、喇叭形小孔的靶做了对比分析。发现受到小孔侧壁产生的横向电场的影响,孔内的质子被约束成不同的形状。在漏斗形小孔中,受到内倾的约束电场的作用,有更多的质子被约束在纵向加速电场的中心区域,这些质子能够在加速电场中经历更长的加速时间和加速距离。所以漏斗形小孔能够产生能量更高,数量更多的高能质子。与普通的圆柱形小孔靶相比,产生的质子最大能量提高了4 MeV。此外,通过分别模拟漏斗形小孔靶的厚度、孔深、孔径等参数对质子能量和发散角的影响,得出了漏斗形小孔靶的最优尺寸。我们模拟研究了采用三束激光从三个方向(前壁和两侧壁)照射靶背有圆孔的铝靶时,质子束品质的改善情况及其物理机制,并与采用单束激光的情况作了对比分析。发现采用三束激光时,靶侧壁中的热电子在侧向激光的作用下进入小孔内,提高了小孔内电子云密度,从而提高了鞘层电场的强度。此外,由侧壁产生的横向电场也得到加强,更好的将质子约束在孔内鞘层电场的中心区域。所以,质子的最大能量得到提高,为22.9 MeV。同时,质子束的平均发散角降低到22.3°。此外,通过分别模拟圆孔靶前壁、侧壁尺寸对电场、质子束品质以及能量转换效率的影响,得出了圆孔靶的最优尺寸。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O53

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