激光等离子体相互作用加速质子的模拟研究

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。

目录

声明

第一章 引言

1.1 研究背景

1.2 激光加速质子的应用

1.3 研究方法与研究进展

1.4 本文研究内容和章节安排

第二章 激光等离子相互作用基本理论

2.1 引言

2.2 激光与电子的相互作用

2.3 有质动力

2.4 激光与等离子体的相互作用

2.5 等离子体对激光能量的吸收机制

2.6 激光与物质相互作用中的离子加速机制

2.7 磁场的产生

2.8 能量输运

2.9 小结

第三章 粒子模拟程序的研究

3.1 引言

3.2 粒子模拟（PIC）的原理

3.3 粒子模拟算法

3.4 能量守恒验证

3.5 小结

第四章 漏斗形靶改善质子束品质的模拟研究

4.1 引言

4.2 靶的设计与模拟参数

4.3 模拟结果分析

4.4 漏斗形靶最优尺寸

4.5 小结

第五章 三束激光改善质子束品质的模拟研究

5.1 引言

5.2 激光的设计与模拟参数

5.3 模拟结果分析

5.4 靶的最优尺寸

5.5 小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

个人简历

致谢