超强激光驱动高能离子的产生、操控及其能量沉积过程研究

发布时间：2017-12-17 18:26

  本文关键词：超强激光驱动高能离子的产生、操控及其能量沉积过程研究

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【摘要】：高能离子束在聚变点火、成像、放射治疗、温稠密物质状态的形成及其核物理和粒子物理等领域有非常重要的应用价值,人们一直在实验室条件下寻求更高品质的离子脉冲源。传统粒子加速器经过近百年的发展已接近经济、技术和资源的极限,其加速梯度受到材料电离击穿阈值的影响而被限制在100 MV/m左右。随着激光技术的不断发展,超强激光与等离子体相互作用驱动高能离子的产生及其在稠密等离子体中的传输成为近期研究的热点问题。超强激光在等离子体中能够激发高达10 TV/m左右的加速电场,这为台面小型粒子加速器的发展提供了巨大的发展契机。人们已相继提出各种离子加速方案,尤其是靶背鞘层加速和激光光压加速已被大量实验证实为较为有效的加速方式。然而,这两种加速方案受其机制本身的制约,其实际应用受到极大限制,如靶背鞘层加速中较低的能量转换效率和较差的束流品质,激光光压加速容易受到横向不稳定性的影响而无法实现稳定加速等。本文结合理论分析和数值模拟的方法研究了超强激光与等离子体相互作用中几种高能离子束的产生和操控方案。同时,我们还对高能离子在稠密等离子体中的能量沉积过程进行了研究。文章的主要研究内容如下:第一,研究了基于激光自聚焦效应的增强型靶背鞘层离子加速方案。研究表明,当激光脉冲发生自聚焦时,低密度等离子体中电子的扭摆振荡频率与其感受到的激光频率相等时,由于共振吸收,超热电子温度大幅提升。当这些等离子体通道内的超热电子传输到固体靶后时,将在其后表面诱导出更强的鞘层电场,能够将质子加速到更高能量。模拟中还发现,预等离子体的最优长度接近于激光脉冲在预等离子体的自聚焦距离,此时质子的截止能量最高。第二,研究了激光与等离子体微通道靶相互作用中的电子动力学过程及其伴随的离子加速过程。研究发现,激光振荡电场的两翼能够从等离子体通道中拉出两串稠密电子束,这些电子束在洛伦兹力和通道中激发的纵向电场作用下得到转向和进一步加速。当穿过后面附着的塑料靶时,电子在靶后表面诱导出超强的静电鞘层电场,该等离子体通道有效将质子和碳离子能量提升近一个量级。理论上,我们给出最优的通道参数及其加速质子和碳离子截止能量的定标率。利用该方案有望在当前实验条件下获得能用于医学理疗的能量在60-250 Me V的质子源和几百Me V的碳离子源。第三,研究了利用金属导引锥来操控靶背鞘层加速离子的物理方案。研究发现,由于自生电磁场的约束作用,固体靶的部分超热电子沿导引锥的内壁向锥顶传输,这将诱导出超强的径向电场,其强度甚至可与电子全部排空极限情况下的库仑爆炸场相当。研究发现,由于该径向聚焦电场的存在,质子束流的空间扩散能够得到有效抑制,质子束流的发散角大幅降低,数密度得到提升,较高的束流品质可以维持较长时间。第四,研究了基于激光薄膜靶相互作用的超强圆极化激光脉冲整形。研究表明,等离子体薄膜靶作为一种非线性的光学开关,对激光脉冲的时空分布有良好的调控效果。模拟结果显示,等离子体薄膜靶能够将高斯激光的高强度部分剥离出来,透射脉冲具有陡峭的时间上升沿和横向超高斯形的分布,这种特性的激光脉冲正是激光光压加速所需的理想激光脉冲源。模拟还观察到,类瑞利-泰勒不稳定性的发生破坏了薄膜靶的结构,这是导致激光脉冲前沿得到陡化的直接原因。第五,研究了利用内嵌超薄靶的锥形结构实现稳定的激光光压加速和高稠密质子团的动态操控。结果表明,激光在锥靶相互作用时能够在导引锥内壁形成径向聚焦电场,该电场可持续包裹并动态约束光压驱动的微型薄膜靶,有效抑制了质子束的横向膨胀和类瑞利-泰勒不稳定的发生。与普通薄靶相比,质子能够得到稳定加速,其能谱和空间分布特性得到大幅改善,在锥口处可获得超高品质的微型质子团。最后,通过理论分析研究了高能质子在掺杂重离子添加剂的氘氚混合燃料中的制动过程。研究表明,随着所掺杂离子的电荷数和混合比例的增加,质子制动功率大幅提升,这大大缩短质子的穿透距离。此外,具有较高振幅的布拉格峰更早地出现在质子射程的末端,导致更加局域化的能量沉积。我们还研究了燃料混合对质子束驱动“快点火”的影响。结果发现,所需的点火时间大幅缩短,这非常有利于避免流体不稳定性导致的点火熄灭。然而,由于在高温条件下,α粒子射程增加且机械做功和热传导的能量损失变得特别重要,这种高温燃料状态很难维持较长时间。
【学位授予单位】：国防科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O53;TN24

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本文编号：1301126